米永峰，李光輝，劉玉榮，郝葆江，羅忠輝，李 煒，史交齊

（1.內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內蒙古 包頭 014010；2.西安三維應力工程技術有限公司，陜西 西安 710065）

N80-1 鋼級油管是API Spec 5CT—2018《套管和油管》中非調質態(tài)交貨的高鋼級系列產(chǎn)品。N80-1 鋼級油管軋態(tài)即可達到較高的性能，具有較大競爭優(yōu)勢。近年來，國內各大無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了適合于不同變形量的N80-1 鋼級油套管用鋼種，并基于鋼種開發(fā)了系列化的控制軋制工藝技術，以實現(xiàn)高效生產(chǎn)N80 鋼級產(chǎn)品的目標。然而，鋼管熱軋狀態(tài)下存在內部組織不均勻或性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，與N80Q 調質態(tài)油管相比，非調質態(tài)N80-1 鋼級油管在使用上存在一定的風險。

1 試驗材料及方法

試驗材料為Φ73.02 mm×5.51 mm 規(guī)格N80-1鋼級油管水壓開裂樣管（2 根），采用直讀光譜儀、洛氏硬度計、維氏硬度計、萬能試驗機、金相顯微鏡及掃描電鏡對液壓開裂鋼管的裂紋宏觀形貌、幾何尺寸、化學成分、力學性能、顯微組織及斷口微觀形貌進行檢測，探討和分析液壓開裂原因。

2 試驗結果及分析

2.1 裂縫檢測結果分析與討論

2 根失效油管的開裂方向為縱向。1 號樣品液壓開裂的失效壓力為19 MPa，2 號樣品失效壓力為31 MPa，靜水壓試驗控制壓力為66.5 MPa。API Spec 5CT—2018 中靜水壓試驗壓力計算公式為：

式中 P ——最小內屈服壓力，MPa；

Ymin——規(guī)定的材料最小屈服強度，MPa；

t，D ——公稱壁厚和公稱外徑，mm。

通過公式（1）可以計算出Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格N80-1 鋼級油管管體額定內壓屈服強度為83.3 MPa，如果按實際測試結果（實際材料屈服強度、最小壁厚、公稱外徑），其內壓屈服強度正常情況應分別可以達到98.2，94.8 MPa；但該次失效的兩個樣品的失效壓力分別為19，31 MPa，遠低于理論計算值，說明有產(chǎn)生裂紋發(fā)生的原始缺陷存在。

通過測量，1 號樣品裂縫長度約為930 mm，裂縫最寬處約為3.23 mm；2 號樣品裂縫長度約為850 mm，裂縫最寬處約為6.44 mm。將油管沿裂縫方向剖開，觀察裂縫宏觀形貌，1 號和2 號樣品裂縫宏觀形貌如圖1～2 所示，開裂前的鋼管表面存在明顯的劃痕。兩支失效樣品裂縫宏觀形貌由上到下分為3 部分：上部劃痕缺欠、中部裂紋源區(qū)+擴展區(qū)和下部瞬斷區(qū)。其中，斷裂面劃痕缺欠和中部裂紋源區(qū)+擴展區(qū)可見1 條清晰的分界線。觀察裂縫位置與未斷裂區(qū)域鋼管的劃痕缺欠宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)兩支樣品裂縫對應位置內壁上均有不同程度劃痕，分別對兩支油管的壁厚和劃痕缺欠深度進行測量，兩鋼管的壁厚測量結果分別為5.43 mm 和5.45 mm，1 號樣品劃痕缺欠深度約為0.5 mm，2 號樣品約為0.3 mm，分別為鋼管公稱壁厚的9.1%、5.4%。API Spec 5CT—2018 中規(guī)定允許該鋼級油管存在小于公稱壁厚10%的線性缺陷，該開裂鋼管的劃痕深度在標準要求范圍，且兩支油管的壁厚檢測結果也符合標準要求，理論上該批鋼管表面的劃痕缺欠不足以使鋼管產(chǎn)生液壓開裂。

圖1 1 號油管裂縫宏觀形貌

圖2 2 號油管裂縫宏觀形貌

2.2 性能結果分析與討論

在1、2 號樣品上截取理化性能試樣，具體取樣位置如圖3 所示。

圖3 N80-1 油管理化性能檢測試樣取樣位置示意

在裂紋附近以及沿裂縫圓周180°方向取縱向、板狀、試樣尺寸為19.1 mm 的拉伸試樣以及縱向、試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm 的0 ℃沖擊試樣，試驗結果見表1。結果顯示，1 號樣品的w（P）和w（S）分別為0.018%與0.004 2%，2 號樣品的w（P）和w（S）分別為0.015%與0.003 1%，P 和S 元素含量及拉伸性能滿足API Spec 5CT—2018 要求，沖擊性能達到了API Spec 5CT—2018 標準要求的3～5 倍，說明鋼管的縱向沖擊韌性也較好。

表1 N80-1 油管裂紋附近縱向力學試驗結果

兩個樣品的四象限洛氏硬度檢測結果如圖4 所示，維氏硬度檢測結果如圖5 所示。無論是沿裂紋的圓周方向還是沿鋼管的縱向方向，樣管的硬度值均波動較小，裂紋附近鋼管的各項力學性能與管體非缺欠處一致。1 號和2 號樣品正常管體處的非金屬夾雜物A、B、D 類細系都為0.5 級，2 號樣品Ds 類為0.5 級，其余都為0，基體晶粒度為10 級，無混晶及組織不均勻現(xiàn)象。

圖4 N80-1 油管洛氏硬度試驗結果

圖5 N80-1 油管維氏硬度試驗結果

兩支樣品裂縫尖端劃痕處（圖3 中6 號試樣）的顯微組織如圖6 所示。可以看出，1 號樣品劃痕位置組織不連續(xù)，劃痕兩側金相組織沿劃痕呈流線狀分布，表明材料原始的組織被外力所割裂，帶狀組織在外力的作用下被撕裂變形，裂紋尖端存在較大的應力集中；2 號樣品劃痕處的組織也明顯存在沿裂紋兩側流動的現(xiàn)象，說明裂紋產(chǎn)生時有外力作用使鋼管表面萌生裂紋，同時裂紋底部存在較大應力集中。如果是調質鋼，在材料熱處理過程中將會消除產(chǎn)生裂紋時的應力集中［1-2］，使得裂紋深度在標準要求的10%的線性缺陷范圍時材料不產(chǎn)生開裂。但劃痕和劃痕底部應力集中的同時存在，使得材料在承受外力時裂紋底部產(chǎn)生開裂的傾向明顯加大。鋼管裂縫位置與劃痕位置的一致性也說明劃痕是導致樣管液壓開裂的誘因之一。

圖6 N80-1 油管內壁劃痕缺欠形貌

鋼管正常部位試樣的顯微組織如圖7 所示，樣管基體顯微組織中均呈現(xiàn)不同程度的帶狀組織特征，根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》對內壁帶狀組織進行評級，1 號和2 號樣品帶狀組織均為4 級。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，它們的性能也不相同，在外力作用下性能低的帶易暴露出來，而且強弱帶之間會產(chǎn)生應力集中，甚至出現(xiàn)裂紋［3］。由于帶狀組織的晶粒取向的一致性，有利于變形的發(fā)展，隨著應力的增加，形變量的積累，滑移面上的位錯容易越過晶界，從而加速裂紋的擴展，導致材料的斷裂；嚴重的帶狀組織往往伴隨著異常組織或夾雜物的出現(xiàn)，容易造成應力集中，應力集中位置易在材料變形過程形成微裂紋。另外，當裂紋沿著帶狀晶的晶間擴展，微裂紋不斷擴大、聚合，從而形成宏觀裂紋［4］。因而帶狀組織的存在造成了材料總體力學性能降低，并具有明顯的各向異性，使鋼的橫向塑性和韌性降低［5-6］。帶狀級別越高，則對應的鐵素體、珠光體變形程度越大，偏聚越大，越易發(fā)生裂紋。這里研究的樣管帶狀組織為4 級，帶狀組織嚴重，極易產(chǎn)生裂紋并促進裂紋的發(fā)展。另外，由于樣管中存在的初始劃痕，使鋼管表面產(chǎn)生了應力集中，且嚴重的帶狀組織加速了裂紋的萌生及擴展，最終使鋼管在遠低于內壓屈服強度情況下發(fā)生開裂。

圖7 N80-1 油管正常部位縱截面顯微組織

2.3 斷口形貌微觀分析與討論

對失效樣品斷口附近位置進行掃描電鏡觀察，結果如圖8 所示，斷口均為典型的脆性斷口，斷口裂紋源區(qū)無明顯夾雜物或缺欠，裂紋擴展區(qū)為準解理形貌，瞬斷區(qū)有韌窩。1 號和2 號樣品斷口裂紋源上，均可以看到裂紋源前端的劃傷損傷形貌，如圖8（a）～（b）中白線位置所示。裂紋從劃傷部位起始，在靜水壓試驗承受壓力時開始擴展，最終導致管體失效，也證明了劃痕產(chǎn)生的內應力集中是鋼管開裂的誘因。裂紋擴展區(qū)為解理形貌，斷口為脆性斷口，說明材料在斷裂前基本沒有發(fā)生塑性變形。該批鋼管的縱向沖擊功是標準要求值的3～5倍，只能說明材料的縱向沖擊性能良好。結合組織分析可知，帶狀組織使材料的橫向沖擊韌性明顯降低，這是油管液壓試驗縱向開裂的主要原因之一。

圖8 N80-1 油管失效樣品斷口微觀形貌

2.4 帶狀組織的形成機理和控制措施

普遍認為，帶狀組織的形成主要還是元素偏析造成的［7］?？刂茙罱M織形成的關鍵是在凝固過程中盡量減少成分的不均勻導致的枝晶偏析及在后續(xù)的軋制冷卻過程中抑制成分、組織的進一步偏析。只要控制好各區(qū)域的成分均勻，就使帶狀組織失去了形成的決定性條件，另外在后續(xù)的控軋控冷過程控制先共析鐵素體的析出量及先共析鐵素體析出的均勻性，也可以抑制帶狀組織的形成。

針對生產(chǎn)廠的實際情況，帶狀組織可從以下幾個方面控制：①降低P、S 含量，進行精煉處理，或是真空處理降低雜質物含量，有效抑制鋼水凝固時的樹枝晶發(fā)展；②采用低過熱度鋼水澆注，鋼液快速凝固，使低熔點雜質來不及聚集，從而減輕成分偏析；③充分采用末端電磁攪拌，破碎樹枝晶，使其作為等軸晶長大［8］，有效控制管坯中心偏析；④軋鋼加熱管坯時，在條件允許情況下，采用較高的加熱溫度和較長的保溫時間，使鑄坯已經(jīng)形成的帶狀組織均勻化；⑤軋后加速冷卻，加速相變過程，不給C 原子充分擴散時間，使帶狀組織來不及形成。研究表明［9-10］，當軋后冷卻速率大于臨界冷卻速率，抑制碳和其他元素的擴散，可降低帶狀組織級別。增大冷卻速度，帶狀組織可減輕或消除。

對于已經(jīng)產(chǎn)生的帶狀組織，應采用正火工藝進行消除，并嚴格控制正火后的冷卻速度大于鐵素體析出的臨界冷卻速度［11］。

3 結論及建議

內壁劃痕缺欠及帶狀組織是導致樣管水壓開裂的主要原因。建議以控制鋼中P、S 含量、降低低熔點夾雜物含量為目標，采用低過熱度鋼水澆注、末端電磁攪拌等冶煉工藝控制措施，有效抑制樹枝晶發(fā)展和降低鋼坯成分偏析，可進一步減輕材料的帶狀組織級別。抑制或消除油管表面缺欠，可阻斷因應力集中誘發(fā)裂紋萌生導致的產(chǎn)品使用風險。建議使用良好的熱工具及在良好的潤滑狀態(tài)下軋制產(chǎn)品，同時應提高產(chǎn)品的無損檢測等級，降低因產(chǎn)品表面缺欠產(chǎn)生工藝試驗失效的質量風險。