冷拔直縫焊管開裂原因分析

供稿|劉克云，劉巖松，李剛 /

內容導讀

某用戶在用St52.3熱軋鋼帶制成冷拔直縫焊管，進行打壓測試時發生開裂。本文通過掃描電鏡和顯微維氏硬度對試樣斷口的形貌、組織、硬度進行測試，并對煉鋼生產過程進行分析。結果表明，頭坯內部質量不良，澆鑄頭坯中非金屬夾雜物過多和成分偏析引起帶狀組織，是焊管形成鉤狀裂紋的主要原因。鋼管在冷拔過程中使裂紋逐步擴展，在打壓的過程中爆裂。

St52.3是DIN17100中的牌號，廣泛用于制造各類工程機械，如礦山和各類工程施工用的鉆機、電鏟、電動輪翻斗車、礦用汽車、挖掘機、裝載機、推土機、各類起重機、煤礦液壓支架等機械設備及其他結構件。

制作流程為：熱軋卷—分條—ERW制管—退火—表面處理—冷拔—打壓測試—退火—探傷—涂油包裝。根據用戶對化學成分的要求生產了St52.3鋼卷，厚度8.6 mm、寬度1430 mm。制管前沿軋制方向裁分成3條，按制作流程制作成液壓缸，其中一個鋼卷制成的鋼管冷拔后，在注水打壓測試過程中出現開裂。本文針對鋼管的開裂現象采用掃描電鏡和顯微硬度計等儀器進行檢測，對開裂原因進行了分析。

St52.3生產數據分析

St52.3的化學成分滿足用戶St52.3熱軋鋼帶的要求，如表1所示。

由于生產前已獲悉用戶的工作環境要求該鋼在熱處理后要求具有足夠的強度、抗壓性能和沖擊韌性，要求各類非金屬夾雜物等級≤2.0級，因此為保障軋制卷板的質量穩定，煉鋼工序采取了一系列保障措施，如單獨澆鑄、爐外精煉深脫硫、Ca質處理、靜置吹氬、全程保護澆鑄、液芯壓下。在進一步工藝排查中發現，開裂的焊管僅對應連鑄生產的第一塊鑄坯，其余鑄坯生產的焊管沒有此類缺陷。

斷口分析

鋼管注水打壓測試壓力31.5 MPa，其中一個鋼卷生產的鋼管在打壓過程中開裂，開裂形貌如圖1(a)所示，裂口貫穿鋼管長度方向。將圖1(a)中紅色圓圈的部位切下來，其斷口形貌如圖1(b)所示。

斷口形貌

將斷口放大后，可以明顯的看到斷口上有兩條分界線將斷口分為3個區域，如圖2所示。區域α位于鋼管外表面，區域β位于鋼管中間，區域γ位于鋼管內表面；且鋼管的整個斷口均存在3個區域，但不同位置3個區域所占厚度比例稍有不同。此外，從圖中還可以發現區域α和區域γ的斷口較為整齊，區域β的斷口呈撕裂狀。

表1 化學成分(質量分數，%)

圖1 鋼管管體開裂和斷口宏觀形貌：(a)開裂；(b)斷口

圖2 試樣斷口形貌

組織

按圖1(b)中標注的紅色豎線切割試樣，觀察斷口橫斷面的組織形貌，如圖3所示。對比3個不同位置裂口的大小，發現位置1的開裂程度最大，位置1更靠近起裂位置，位置1中外表面的開裂程度最大，裂紋由外表面起裂。根據斷口橫斷面的金屬流線形貌，裂紋由外表面起裂，沿著金屬流線延伸，宏觀形貌為圖2中區域α；隨后垂直于金屬流線擴展，形成撕裂狀的圖2中區域β宏觀形貌；最后沿金屬流線擴展至內表面，形成圖2中區域γ的宏觀形貌。

圖3 試樣斷口橫斷面的形貌

觀察金屬流線處的組織，為鐵素體和珠光體交替的層狀組織，如圖4所示。雖然這種層狀組織的寬度10～50 μm，但是這種層狀組織延伸至鋼管表面，并暴露在外，在外力的作用下，易產生層狀組織分開的裂紋，圖4(a)所示。在進一步放大后，發現組織中存在大量的非金屬夾雜物，多為不連續的、細長條狀的硫化物夾雜物，圖4(b)中箭頭所指；也有不規則形貌的氧化物、氮化物夾雜，圖4(b)中圓圈處所示。

圖4 試樣斷口微觀組織

顯微維氏硬度

顯微維氏硬度的檢測表明，個別區域顯微維氏硬度413，正常鐵素體+珠光體區域顯微維氏硬度269，相差154。

原因分析

通過裂紋的形貌分析，裂紋的起裂位置位于焊管的外表面焊縫附近，裂紋向內表面擴展。金屬流線是由于直縫焊接的過程中擠壓，退火后形成鐵素體與珠光體交替的條帶狀組織，這種組織強度呈層狀分布，易于裂紋在強度低的位置擴展，因此裂紋沿著金屬流線擴展，形成較為整齊的斷口；隨著不斷擴展，裂紋的擴展方向與金屬流線的方向夾角變大，裂紋不容易繼續沿金屬流線擴展，繼而切斷條帶狀組織，形成撕裂斷口；隨著裂紋向內表面擴展，裂紋的擴展方向與金屬流線的方向夾角變小，裂紋又沿金屬流線擴展，從而形成了3個明顯的斷口區域。此裂紋為鉤狀裂紋，在高壓下擴展，導致鋼管開裂。

根據非金屬夾雜物形貌分析，鋼中存在大量的硫化物、氧化物夾雜，降低鋼的塑性、韌性，增加了裂紋擴展的可能性，也可能是裂紋的起源。生產冷拔直縫焊管的熱軋鋼卷原料時，應對非金屬夾雜物進行嚴格控制。通過查詢煉鋼生產發現該卷軋制所用的連鑄坯為澆次頭爐頭坯，開澆后頭部切除700 mm出坯，該爐澆鑄溫度偏高，鋼水的過熱溫度達到了46 ℃，極易造成鋼水的二次氧化，并對鋼包和澆注系統的耐火材料的侵蝕加劇，從而增加外來夾雜物的含量，造成頭坯中總體夾雜物含量偏高。趙坤等[1]研究認為,熱軋卷板中的非金屬夾雜物是形成HFW焊縫鉤狀裂紋的主要原因。澆鑄的第一塊鑄坯(即頭坯)在未穩態情況下澆鑄，非穩態嚴重影響鋼的內部質量，因此切除頭部非穩態澆鑄的部分至關重要。吳龍等[2]研究認為超低碳鋼頭坯2 m處ω(T[O])降低到35×10?6，夾雜物以Al2O3為主，含量大大降低，二次氧化帶來的簇狀Al2O3夾雜物數量少，聚集范圍變小，切頭2 m后鑄坯潔凈度可滿足產品的質量要求。

根據顯微維氏硬度檢測結果，個別位置的顯微維氏硬度遠高于正常位置，可能為原料鋼板的成分偏析形成的硬相組織，在焊接和退火的過程中未能消除，或者為硬相非金屬夾雜物。

結束語

St52.3鋼帶制管后打壓開裂的主要原因是頭坯內部質量不良，成分偏析與非金屬夾雜物并存；成分偏析引起組織帶狀，非金屬夾雜在帶狀組織中，進一步惡化了鋼的塑性。在焊管后出現鉤狀裂紋，冷拔和打壓實驗讓鉤狀裂紋擴展，最終爆裂。對于非金屬夾雜物要求嚴格的產品，應加強頭坯澆鑄質量控制，并且應切除一定的距離，以獲得潔凈度良好的鑄坯。