高 展，郭金寶

（1. 寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900；

2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院（技術(shù)中心），上海 201900）

熱軋無(wú)縫鋼管的主要工藝流程包括管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑、管端加厚和調(diào)質(zhì)處理等，工藝流程復(fù)雜，其在軋制和熱處理過(guò)程中均可能在鋼管表面產(chǎn)生裂紋缺陷。熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的淬火裂紋由于深度較深，具有較大的危害性。在API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)淬火裂紋的處置與軋制裂紋處置完全不同：對(duì)于軋制裂紋，允許采用修磨的方法將裂紋去除，而對(duì)于淬火裂紋，則不能采用修磨的方法進(jìn)行挽救，只能將裂紋切除。故有效區(qū)分淬火裂紋與軋制裂紋，分析裂紋產(chǎn)生原因并進(jìn)行預(yù)防控制，對(duì)鋼管生產(chǎn)具有重要意義。

1 鋼管淬火裂紋與軋制裂紋的區(qū)別

淬火裂紋是指鋼管在熱處理的淬火過(guò)程中，由于快速的冷卻而在材料中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度極限時(shí)，在鋼管表面產(chǎn)生的裂紋缺陷［1-3］。鋼管淬火裂紋在宏觀上并無(wú)一定規(guī)律，可以是縱向、橫向或斜向，一般更易在鋼管表面的細(xì)小缺陷處（如軋制裂紋）、截面突變處（如加厚過(guò)渡帶）等位置上產(chǎn)生。鋼管軋制裂紋是指管坯表面缺陷在后續(xù)軋制過(guò)程中擴(kuò)展所形成的裂紋或軋制過(guò)程中由變形工具所引起的裂紋［4-8］。從裂紋的宏觀形貌上難以準(zhǔn)確區(qū)分淬火裂紋和軋制裂紋，必須通過(guò)金相分析進(jìn)行識(shí)別。鋼管的淬火裂紋在顯微鏡下主要具有以下特征：

（1） 淬火裂紋近似垂直于表面，具有一定深度，一般∧1 mm。軋制裂紋則大多與表面存在一定角度，深度范圍較寬，0.1～3.0 mm。

（2） 淬火裂紋兩側(cè)沒(méi)有明顯脫碳現(xiàn)象，有輕微氧化。鋼管在淬火冷卻過(guò)程中，當(dāng)馬氏體轉(zhuǎn)變量達(dá)到一定程度時(shí)，出現(xiàn)較大組織應(yīng)力從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，此時(shí)溫度在250 ℃以下，裂紋兩側(cè)不會(huì)產(chǎn)生明顯的脫碳，在隨后的回火過(guò)程產(chǎn)生輕微氧化（回火溫度在500～700 ℃，不會(huì)產(chǎn)生明顯脫碳現(xiàn)象）。軋制裂紋兩側(cè)存在明顯氧化脫碳現(xiàn)象。

（3） 淬火裂紋一般細(xì)長(zhǎng)而彎曲，沿晶界前進(jìn)，裂紋端部較為尖銳，在主裂紋邊上常有分枝的小裂紋。

（4） 軋制裂紋在熱處理過(guò)程中可能誘發(fā)淬火裂紋，故淬火裂紋可能在軋制裂紋上產(chǎn)生和擴(kuò)展，此時(shí)的顯微特征則表現(xiàn)為混合特征。

2 鋼管軋制裂紋案例分析

圖1 所示為1 號(hào)鋼管軋制裂紋的微觀形貌。該鋼管工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和在線?；催M(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。從圖1 可以看出，裂紋深度為0.15 mm，其中坑的深度為0.06 mm，在坑的底部有一長(zhǎng)度為0.09 mm 的充滿了氧化物的細(xì)裂紋。在塊狀氧化物周?chē)忻芗逆湢钛趸?，?jīng)檢測(cè)為Mn、Si 氧化物，這種形態(tài)的氧化物是在二次氧化中產(chǎn)生的。該缺陷深度很淺，可以判斷并非管坯缺陷在軋制過(guò)程中擴(kuò)展產(chǎn)生。根據(jù)缺陷形貌可知，該缺陷為軋制過(guò)程中產(chǎn)生的折疊缺陷，并在二次加熱過(guò)程中形成鏈狀二次氧化物，不是淬火裂紋。

圖1 1 號(hào)鋼管軋制裂紋的微觀形貌

圖2 所示為2 號(hào)鋼管軋制裂紋的微觀形貌。該鋼管工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和調(diào)質(zhì)處理。裂紋宏觀上長(zhǎng)度為300～2 000 mm。從圖2 可以看出，裂紋與鋼管表面呈一定角度，在裂紋的兩側(cè)有鏈狀氧化物，裂紋發(fā)生了很大扭曲變形，主裂紋和鏈狀氧化物兩側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象。該裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)楣芘魍獗砻娲嬖谠既毕?，在管坯高溫加熱和斜向軋制過(guò)程中，裂紋被拉長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象［9］，不是淬火裂紋。

圖2 2 號(hào)鋼管斜向軋制裂紋的微觀形貌

3 鋼管淬火裂紋案例分析

圖3 所示為3 號(hào)鋼管表面裂紋上半部分的微觀形貌，圖4 所示為3 號(hào)鋼管表面裂紋下半部分的微觀形貌。該鋼管的w（C）為0.33%，w（Mn）為1.80%，工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和調(diào)質(zhì)處理（水淬）。

3 號(hào)鋼管裂紋的上半部分和下半部分特征明顯不同。從圖3 可以看出，上半部分裂紋與表面呈一定角度，裂紋周?chē)嬖诿黠@脫碳，裂紋開(kāi)口較大，裂紋較粗，與2 號(hào)鋼管表面裂紋特征類(lèi)似。上半部分裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)楣芘鞅砻娲嬖诘脑既毕菰诤罄m(xù)軋制過(guò)程中發(fā)生拉長(zhǎng)和扭轉(zhuǎn)，為軋制裂紋。從圖4 可以看出，下半部分裂紋為細(xì)長(zhǎng)型，沿著晶界向前延伸，裂紋周?chē)鸁o(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋端部較尖銳，表現(xiàn)為淬火裂紋特征。下半部分裂紋產(chǎn)生原因?yàn)榇慊疬^(guò)程中在軋制裂紋處發(fā)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂。

圖3 3 號(hào)鋼管裂紋上半部的微觀形貌

圖4 3 號(hào)鋼管裂紋下半部的微觀形貌

圖5 所示為4 號(hào)試樣進(jìn)行熱處理試驗(yàn)后出現(xiàn)裂紋的宏觀形貌。4 號(hào)試樣的w（C）為0.40%，w（Mn）為1.70%，w（Mo）為0.20%；工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑、截取試樣，試樣第1 次水淬（1 000 ℃）、試樣第2 次水淬（1 000 ℃）和回火。試樣第1 次淬火后宏觀上未發(fā)現(xiàn)裂紋，未經(jīng)過(guò)回火第2 次淬火后，試樣表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。

圖5 4 號(hào)試樣淬火裂紋的宏觀形貌

圖6 所示為4 號(hào)試樣裂紋的微觀形貌。從圖6中可以看出，裂紋分為兩段，裂紋的上半部分周?chē)嬖谘趸兔撎棘F(xiàn)象，下半部分裂紋的周?chē)鷦t沒(méi)有明顯的脫碳現(xiàn)象。與3 號(hào)鋼管裂紋形貌不同的是，4 號(hào)鋼管上半部分裂紋基本垂直于表面。結(jié)合試樣的兩次淬火工藝，可以判斷裂紋的上半部分是在第1 次淬火過(guò)程中產(chǎn)生，在隨后的第2 次的奧氏體化過(guò)程中發(fā)生了氧化和脫碳；裂紋的下半部分是在第2 次的淬火過(guò)程中，在原有淬火裂紋的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。第1 次形成的淬火裂紋末端較為尖銳，容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)，故在第2 次淬火過(guò)程中再次發(fā)生開(kāi)裂，4 號(hào)試樣裂紋兩段均為淬火裂紋。

圖6 4 號(hào)試樣淬火裂紋的微觀形貌

4 鋼管淬火裂紋的控制和預(yù)防

淬火裂紋的產(chǎn)生主要是由于淬火過(guò)程中的應(yīng)力過(guò)大所致，而淬火過(guò)程中的應(yīng)力主要是由鋼管內(nèi)壁和外壁的冷卻速度不一致所致。淬火過(guò)程中的應(yīng)力主要有兩種，分別是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力［10-15］。熱應(yīng)力在鋼管表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，組織應(yīng)力會(huì)在鋼管表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于鋼管的水淬工藝一般為外淋內(nèi)噴式，即鋼管的外表面和內(nèi)表面同時(shí)冷卻。在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下，將在表面層形成壓應(yīng)力，在次表層形成拉應(yīng)力，在鋼管壁厚中心處形成壓應(yīng)力［1］。次表層拉應(yīng)力距離表面越近，越容易產(chǎn)生淬火裂紋。根據(jù)以上分析，要避免鋼管在淬火過(guò)程中產(chǎn)生淬火裂紋，主要控制措施有：

（1） 控制材料中C、Mn 等合金元素含量。鋼中C 含量增加時(shí)，熱應(yīng)力影響變?nèi)?，組織應(yīng)力影響變強(qiáng)，使得拉應(yīng)力極大值向表面靠近，增加開(kāi)裂傾向。對(duì)淬裂傾向影響最大的是C，其次是Mn，之后是Cr、V 和Mo 等合金元素。此外，由于Mn含量過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致偏析加重和MnS 夾雜增多，故Mn 含量對(duì)淬火裂紋的影響要大于其在傳統(tǒng)C 當(dāng)量公式中的比重。

（2） 合理地選擇淬火介質(zhì)。采用鋼種1（w（C）與w（Mn）分別為0.33%、1.80%）、鋼種2（w（C）與w（Mn）分別為0.40%、1.70%）和鋼種3（w（C）與w（Mn）分別為0.37%、1.60%）生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管，使用水淬工藝熱處理后，在鋼管上均發(fā)現(xiàn)少量淬火裂紋。因此，對(duì)于w（C）＋w（Mn）/3≥0.9%的鋼種，采用水淬工藝存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，宜采用油淬工藝。

（3） 控制材料的冷卻速度。對(duì)于水淬的鋼管，尤其是C 含量和Mn 含量較高的材料，應(yīng)控制淬火時(shí)的水量，使其冷卻速度略大于臨界冷卻速度。

（4） 控制材料的淬火溫度。降低材料的淬火溫度可以減少淬火時(shí)應(yīng)力，故不應(yīng)使淬火溫度高出材料的奧氏體化溫度過(guò)多，可控制在超出奧氏體化溫度20～30 ℃。

5 結(jié) 論

（1） 鋼管上淬火裂紋一般近似垂直于表面，細(xì)長(zhǎng)而彎曲，裂紋端部較為尖銳，裂紋兩側(cè)沒(méi)有明顯的脫碳現(xiàn)象，存在輕微的氧化，可起源于淬火前軋制裂紋末端。

（2） 水淬鋼種應(yīng)嚴(yán)格控制C 和Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)w（C）＋w（Mn）/3≥0.9%時(shí)，采用水淬工藝存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，宜采用油淬工藝。

（3） 對(duì)于高C、高M(jìn)n 鋼種，降低淬火溫度和冷卻速度，有利于防止鋼管淬火裂紋的產(chǎn)生。

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