激光強化頂頭對無縫氣瓶鋼管內表面質量的影響

龐德禹

（揚州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚州 225000）

無縫鋼管在穿孔或軋制過程中，因為各種原因所致鋼管表面缺陷多達十幾種，這些缺陷主要包括：鋼管的表面裂紋、發紋、內折、外折、軋破、內直道、外直道、離層、凹坑、麻坑（麻面）、擦傷（劃傷）、內螺旋道、外螺旋道、青線等。嚴重的缺陷導致鋼管報廢，危險性缺陷則需要打磨鋼管內壁才能達到管件質量要求，因此鋼管廠都十分重視鋼管缺陷產生原因分析及解決方案開發。

如攀鋼的連軋管機組在生產Φ325 mm×7 mm的34CrMo4氣瓶管時，生產的1 091支鋼管（1 000多t）其中274支鋼管尾端1.5～2.0 m處存在“鼓泡”和軋破現象，致使產品成材率不足75%，通過系統分析缺陷原因及解決方案改進獲得良好的改善效果[1]。普通碳鋼Q345B無縫鋼管屬低合金高強度結構用鋼，過去的一種叫法為16Mn無縫鋼管，交貨前要求鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層[2]。某廠生產的Q354B無縫鋼管經Φ430 mm圓坯穿孔熱軋成Φ402 mm×16 mm規格，管外壁出現大量結疤缺陷，嚴重影響產品質量[3]。P92材質高壓無縫鋼管經鋼錠穿孔熱擠壓成型，用制管的鋼錠芯部可能存在疏松，經垂直穿孔擠壓成型時，中心疏松區粘附在管子的端部（后擠壓成型的一端）在鋼管內壁經過磨削或機加工達到尺寸要求后仍不能徹底清除上述缺陷[4]。09CrCuSb是典型的耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼。其因優異的耐腐蝕性能以及良好的強度、塑性等力學性能，廣泛用于高含硫煙氣環境中的省煤器、空氣預熱器、熱交換器和蒸發器等裝置設備，主要用于抵御含硫煙氣結露點腐蝕。因材料含有Cr、Cu等合金元素，在熱軋生產過程中極易產生內折缺陷[5]。

無縫鋼管在生產中常出現質量問題，使得成本增加，成材率降低，造成了極大損失。本文主要針對氣瓶鋼管生產中的內壁表面質量缺陷進行分析，找到了缺陷產生的原因，同時對比分析公司合作開發的激光強化頂頭對氣瓶鋼管內壁質量的影響，分享氣瓶鋼管生產過程的質量及成本控制經驗。

1 無縫鋼管的常見內壁表面缺陷分析

1.1 宏觀形貌缺陷分析

氣瓶鋼無縫管在生產過程中可能出現很多種類型的缺陷，其中穿孔、軋制工序的缺陷對整個生產具有基礎性的影響，根據統計分析總結穿軋工序遇到的主要缺陷及其產生原因。

1.1.1 內壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷

內壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷主要表現為毛管內壁不光滑平整，存在著粗糙的、有凹坑麻面的內壁缺陷。產生原因主要一是穿孔后內壁被氧化，軋管時氧化皮脫落二次壓入鋼管內壁；二是穿孔、軋管使用成本較低的35CrMo或H13頂頭，頂頭表面磨損變形、掉肉、粘鋼等導致穿軋后毛管的內壁缺陷。此種類型缺陷不能滿足氣瓶管的使用要求。

通常解決熱軋內壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷的方案為：通過冷軋增加減壁量的方式，由于增壁現象的存在，消除內壁凹點狀缺陷的效果不如冷拔減壁的方式。冷軋前的坯管酸洗一定要沖洗干凈，遺留的氧化鐵皮也是內壁麻點缺陷的主要原因之一；冷軋過程要有合適的減壁量，采取増壁軋制，內壁的粗糙度將有可能達不到要求。對鋼管內壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷，通過冷拔方式減壁后，可以很大程度上消除精密管內壁麻點狀缺陷。由于考慮冷拔的生產效率和生產成本，原先采用了較小的減壁量（2 mm），基本能達到原有的要求。如果毛管內壁有較大的凹坑、麻點、螺旋道缺陷，則冷拔工藝不能完全消除缺陷。

對于凹坑、麻點不嚴重的情況，也可以采用管件內壁打磨的方式消除缺陷。

1.1.2 導板印缺陷

因導板質量問題或安裝偏差、導板座松動，或鋼溫過高，易造成導板黏鋼而產生對毛管外表面的刮傷，形成螺旋狀的導板印。輕微的導板印不影響后續無縫管、氣瓶管的質量（有磨削工序），但嚴重（有一定深度）的導板印會使冷軋或冷拔后形成類似外折的裂紋缺陷，磨削量過大而造成成品尺寸超下公差導致報廢。導板印缺陷的特征是從頭到尾間斷或連續的、有規則的螺旋形劃傷。

1.1.3 鋼管內壁劃傷、內折缺陷

頂頭表面質量導致的鋼管內壁劃傷、內折等。將實心管坯穿孔成空心的毛管，其主要變形集中在頂頭上進行。因此頂頭處在高溫度、高壓力的工作環境下，很容易發生磨損或鼻部被壓堆，有時甚至融化。在穿孔過程中，頂頭鼻部塌陷或黏鋼后會劃傷毛管的內表面，嚴重時會造成毛管內折。此內折一般是從頭到尾連續規律的螺旋狀。主要是因為頂頭磨損之后，頂頭工作面的摩擦系數會增大，所以會對管坯內表面金屬的流動帶來不利的影響，不利于抑制管坯孔腔的形成，從而造成毛管內折的產生。特別是當頂頭局部發生融化，與毛管內壁黏合在一起時，這種影響會更加嚴重，有時甚至會發生毛管軋卡事故。

經典熱軋毛管內壁劃傷案例：穿孔頂頭采用表面氧化的H13頂頭，當頂頭穿管支數大于100支后，毛管內壁存在較多劃痕和麻坑，劃傷導致的麻面等，如圖1。

圖1 管坯內壁的劃傷及麻坑照片

分析認為，H13熱作模具鋼頂頭在使用過程中出現塌鼻、黏鋼、大開裂、融化等問題（如圖2所示），都會直接導致劃傷毛管內壁。毛管內壁的劃傷不僅會增加后續加工的工作量，嚴重者還會導致鋼管報廢，進而直接影響鋼管生產的成本、成材率以及市場交付，最終可能會丟失市場。

圖2 H13頂頭使用過程中出現的問題

根據統計穿氣瓶鋼時，當H13頂頭使用壽命達到100支以上，管件內壁劃傷程度會越來越嚴重，如果不更換新的頂頭，毛管需要打磨才能滿足后道工序生產要求，增加打磨工序及成本，缺陷嚴重者則會導致鋼管報廢；如果更換新的頂頭，一是增加頂頭的消耗成本，二是影響生產節奏，增加生產成本。

1.2 激光熔敷表面強化頂頭對鋼管內壁表面質量的影響

鋼管內壁質量控制受到鋼管廠的高度重視，近年來的穿管質量控制技術獲得有效的改進，采用無縫鋼管生產過程質量預報及關鍵參數優化控制可以在線控制管件軋制參數[6]，獲得良好的管件生產質量。鋼管內壁質量受到頂頭質量的影響較大，各研究單位對頂頭的形狀、材質及熱處理質量研究進行了大量的改進，其中對頂頭表面進行氧化處理，獲得致密的氧化膜，提高頂頭的表面性能，從而改善穿管坯件的質量[7]；通過改變頂頭材質方法[8-9]；有些廠家用化學涂層或金屬噴涂的方法來增大頂頭表面的耐磨性等。

然而，市場上頂頭材質大多為3Cr2W8V、20Cr2Ni4、H13等，有時也用復合頂頭或鉬基頂頭。其性能遠達不到要求，因此毛管內壁缺陷還需要通過后續工序，如打磨、冷軋或冷拔等工序來解決，增加生產成本，降低生產效率。特別是氣瓶鋼管件，如果頂頭的質量達到一定的優勢，可以避免采用后續工序來改善管件質量，將大大提高企業的生產效率及降低生產成本。

在此背景下，揚州誠德鋼管有限公司為了解決H13頂頭的壽命及管件內壁缺陷問題，與頂頭供應商及科研研究所進行合作開發，獲得激光表面強化穿孔頂頭，該頂頭采用激光熔敷在H13頂頭表面制備強化層。表面光滑且與基材牢固冶金結合的覆層（如下頁圖3所示），大大提高了頂頭的耐磨、耐沖擊、耐高溫腐蝕等性能。在使用過程中，氣瓶鋼穿管200支以上，頂頭未出現嚴重塌鼻、粘鋼、大開裂、磨損、融化等現象。激光強化頂頭的失效形式為冷熱交替至龜裂加劇，穿制氣瓶鋼管的使用壽命大約為400支。

圖3 激光強化頂頭及穿管100支后表面狀況

激光強化頂頭在穿制氣瓶鋼管達到100支時，管件內壁基本保持較好的狀態，管件內壁劃傷較少，只粘了少量的氧化皮（見圖4所示）。激光強化頂頭的使用直接提高頂頭使用壽命，提高管件穿制效率及連續性；間接提升毛管內壁質量，減少后續的打磨加工量，具有很高的綜合效益，能夠實現綜合降本的目的。

圖4 激光強化頂頭穿制100支氣瓶鋼管后的毛管內壁形貌

2 結論

通過毛管內壁表面質量觀察分析認為，氣瓶鋼毛管內表面質量缺陷主要是由于頂頭導致，頂頭塌鼻、黏鋼、大開裂、融化等都會劃傷毛管內壁。解決方案：

1）及時更換新頂頭，但會增加頂頭的費用支出，影響生產的連貫性，降低生產效率。

2）采用激光融敷表面強化頂頭，頂頭表面具有強化層，在使用過程中不會產生塌鼻、黏鋼、融化等嚴重變形，從而獲得良好的毛管內壁質量，目前激光融敷強化頂頭穿制氣瓶鋼管壽命可達400支左右，具有較好綜合效益及管件質量。