HFW焊管熱影響區(qū)裂紋原因分析

曾海華 翁文 陳岳 陸莉莉

摘要：采用金相顯微鏡和掃描電鏡檢驗(yàn)，試驗(yàn)鋼焊管裂紋斷口和夾雜物形貌，并對(duì)夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析，確定了鋼中存在大量密集分布的硫氧化物層帶狀?yuàn)A雜是形成裂紋的主要原因，層帶狀?yuàn)A雜物在高溫和焊接擠壓力的作用下內(nèi)部分離而產(chǎn)生裂紋。

關(guān)鍵詞：管線鋼；高頻焊管；裂紋

引言

HFW直縫套管以其尺寸精度高、壁厚均勻、生產(chǎn)率高、抗壓潰性能和綜合力學(xué)性能好以及射孔不裂等優(yōu)點(diǎn)而具有很大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，近幾年隨著技術(shù)的發(fā)展及“西氣東輸”工程的完善，HFW鋼管的需求量也增大了許多，主要運(yùn)用在城市管網(wǎng)的工程中，因此對(duì)HFW鋼管的質(zhì)量的保證性提出了進(jìn)一步的要求；由于HFW鋼管是無填充金屬電阻焊，因此影響焊縫質(zhì)量主要因素取決于母材的質(zhì)量。如何提高鋼材的純凈度以及獲得不變形的變質(zhì)硫化物,成為各鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)核心問題。X52 管線鋼是我國(guó)目前輸油輸氣用焊接鋼管的常用鋼種,一般采取鈣處理降低鋼中硫、磷等雜質(zhì)的含量，減少鋼中的夾雜物總量;或是在鋼中加入稀土達(dá)到球化硫化物的目的,防止長(zhǎng)條狀的MnS 夾雜產(chǎn)生，兩種生產(chǎn)工藝均取得了良好的效果。

本公司在生產(chǎn)φ273.1 mm ×6.4 mm的X52 高頻焊管時(shí),試驗(yàn)鋼卷,結(jié)果在部分焊管內(nèi)壁的焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生了縱向分布的微裂紋,極少量焊管外壁的焊接熱影響區(qū)也產(chǎn)生了縱向裂紋。為了分析焊管裂紋產(chǎn)生的原因,對(duì)試驗(yàn)鋼卷以及焊管裂紋和夾雜物形貌進(jìn)行了全面的檢驗(yàn)分析。

1 檢驗(yàn)結(jié)果分析

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能檢驗(yàn)

檢驗(yàn)了3 個(gè)爐號(hào)的X52 試驗(yàn)鋼卷化學(xué)成分和力學(xué)性能,其檢驗(yàn)結(jié)果見表1 、2 。

由表1 可見,X52 試驗(yàn)鋼卷中硫、磷雜質(zhì)含量較低,冶煉化學(xué)成分較穩(wěn)定,成品鋼中的RE/ S 值約為6 ,鋼中總氧僅(18～32) ×10 - 6 。由表2可見,試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能符合X52 技術(shù)指標(biāo),0 ℃橫向沖擊功較高。試驗(yàn)鋼在連鑄結(jié)晶器中采用喂絲的方法,噸鋼加入稀土300 g ,以達(dá)到球化處理硫化物的目的。

表1X52 試驗(yàn)鋼卷化學(xué)成分

Table 1 Chemical composition of X52 experimental coils%

表2 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Mechanical properties of experimental coils

注: ①拉伸試樣為標(biāo)距5018 mm ,標(biāo)距內(nèi)寬3811 mm 的板拉樣,試驗(yàn)溫度為25 ℃。

②橫向沖擊試樣尺寸為5 mm ×10 mm ×55 mm ,試驗(yàn)溫度0度

1.2試驗(yàn)鋼卷探傷檢驗(yàn)

對(duì)8 卷X52 試驗(yàn)鋼卷邊緣沿軋制方向進(jìn)行雙面磁粉探傷,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有報(bào)警現(xiàn)象。表明,鋼卷在高頻焊接前無裂紋等缺陷存在,焊管熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋產(chǎn)生在制管焊接工藝過程中,排除了裂紋來自X52試驗(yàn)鋼卷的可能性。

1.3金相檢驗(yàn)

對(duì)X52 試驗(yàn)鋼焊管產(chǎn)生的裂紋部分橫向取樣后制成金相試樣,觀察顯微組織和裂紋形貌,X52 焊管和鋼卷縱向取樣,磨制夾雜物試樣進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)。

顯微組織及裂紋形貌檢驗(yàn)結(jié)果見圖1～6。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可見,X52 試驗(yàn)鋼組織全部為F+ P ,晶粒度為11.0～11.5 。根據(jù)GB/ T10561 - 1989標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定,A 類夾雜為0.5～1.0 ,B 類夾雜為0.5～3.5 ,D 類夾雜為0.5～1.5 。X52 鋼卷及焊管中主要是存在大量密集分布的B 類夾雜物,B 類夾雜物級(jí)別最高達(dá)到5.0 級(jí)。后經(jīng)掃描電鏡能譜微區(qū)成分分析,B 類夾雜物為RE、O、Mg、A1 、Mn、S、Fe 、Ca 等元素的復(fù)合夾雜。焊接裂紋位于X52 焊管內(nèi)壁的焊接熱影響區(qū),距離焊縫約0.5～2.0 mm ,裂紋走向與焊接接頭的金屬流線一致,呈略為彎曲狀態(tài),裂紋內(nèi)均存在夾雜物,說明裂紋的產(chǎn)生與焊接擠壓力及夾雜物有關(guān)。

1、4電鏡檢驗(yàn)

將肉眼可見的裂紋部分取樣后沿裂紋壓斷,制作成電鏡斷口分析試樣。裂紋斷口是從裂紋側(cè)用力使裂紋向外擴(kuò)展而斷裂,斷口上可見陳舊和已氧化發(fā)黑的裂紋源區(qū),以及制樣時(shí)的撕裂纖維狀擴(kuò)展區(qū)兩個(gè)明顯的區(qū)域。裂紋源區(qū)深度一般約110～210 mm ,長(zhǎng)度有的達(dá)到100 mm ,有的僅310～510 mm ,長(zhǎng)短不一。裂紋斷口及夾雜物形貌如圖7～12 所示。

由電鏡檢驗(yàn)結(jié)果可知,在裂紋源、裂紋根部和裂紋撕裂區(qū)均存在呈層帶狀分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜,雖單個(gè)夾雜物尺寸小于10 μm ,但分布集中、密度較大。由圖7 可見,裂紋深約110 mm ,因該試樣裂紋源氧化較輕,可以清晰地看到夾雜物顆粒鑲嵌在整個(gè)裂紋源金屬基體上,通過微區(qū)能譜分析

表明裂紋源區(qū)稀土硫氧化物含量較高。由圖8 、圖11可見,試樣裂紋根部和撕裂區(qū)存在層帶狀分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜,夾雜物層帶與正常韌窩區(qū)域分布呈交錯(cuò)狀態(tài),夾雜物層厚度達(dá)到0.2～1.0mm ,稀土局部微區(qū)成分達(dá)到了3 %左右。由圖10 可見,焊管存在的中間裂紋試樣,通過微區(qū)成分分析表明在裂紋中存在稀土硫氧化物夾雜,RE/ S 達(dá)到8.8～12.1 倍。以上電鏡檢驗(yàn)結(jié)果表明,裂紋與稀土夾雜物密切相關(guān),凡在裂紋中均可發(fā)現(xiàn)稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜物,夾雜物中的RE/ S 值較高。

2 分析與討論

2.1 焊接裂紋缺陷的形成原因

從金相和電鏡檢驗(yàn)的結(jié)果可知,在焊接裂紋源和裂紋根部,均存在大量密集分布、呈層帶狀的稀土硫氧化物或稀土硫化物夾雜物。稀土硫化物或稀土硫氧化物熔點(diǎn)較高為,1 690～2 450 ℃[1 ] ,屬脆性?shī)A雜。裂紋的形成原因是由于熱態(tài)金屬受強(qiáng)烈擠壓,使其中原有的縱向分布的層狀?yuàn)A雜物向外彎曲過大而造成的開裂現(xiàn)象[2 ,3 ] 。從微觀角度分析裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因, 由于層狀?yuàn)A雜物在金屬內(nèi)部屬于不連續(xù)狀態(tài),在焊接擠壓力的作用下, 稀土硫化物或稀土硫氧化物夾雜層內(nèi)部分離而產(chǎn)生裂紋, 這可以從裂紋兩側(cè)的試樣對(duì)應(yīng)部位夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。

2.2 提高焊管探傷合格率的措施

根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì),X52 試驗(yàn)鋼焊管裂紋位于管內(nèi)壁的焊接熱影響區(qū),與高頻焊管生產(chǎn)工藝特點(diǎn)相吻合,管內(nèi)壁流線角度大于外壁。流線角度大,變形就大,也越容易發(fā)生裂紋。由焊接裂紋的形成原因可知,X52 高頻焊管產(chǎn)生裂紋的兩個(gè)基本條件,一是鋼材內(nèi)部存在夾雜物,二是焊接擠壓力相對(duì)較大。根據(jù)資料介紹[2 ,3 ] ,避免產(chǎn)生此類缺陷的措施,首先是保證母材的質(zhì)量,限制雜質(zhì)的含量,其次是調(diào)整焊接參數(shù),使擠壓力不要過大。焊接工藝試驗(yàn)時(shí),通過金相檢驗(yàn)和控制流線角度的方法,在保證氧化物擠出、保證變形量適當(dāng)?shù)那疤嵯?稍微降低焊接擠壓力,焊管探傷合格率明顯提高,但還是有少量管子在探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷。

3 結(jié)論

(1) 焊接裂紋的產(chǎn)生是X52 試驗(yàn)鋼卷存在層帶狀的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜以及焊接擠壓力共同作用的結(jié)果,提高鋼質(zhì)純凈度,降低鋼中夾雜物的含量和尺寸,避免夾雜物偏聚是消除焊接熱影響區(qū)裂紋的根本措施。

(2) 焊接工藝方面采取與材料相適應(yīng)的工藝參數(shù),適當(dāng)降低焊接擠壓力,可降低裂紋產(chǎn)生幾率,提高探傷的合格率。

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