鋼帶質量對HFW焊管超聲波探傷合格率的影響

郭 斌， 鄭 琳， 王青峰， 徐進橋， 劉昌明

（1.武漢鋼鐵（集團）公司研究院,武漢 430080；2.燕山大學,河北 秦皇島 066004）

0 前 言

HFW焊管由于尺寸精度高、價格低、生產效率高等優點，得到了迅速的發展[1]，HFW焊管正朝著專業化、高品質化、高附加值方向發展[2]。

應用于石油、天然氣和礦漿輸送等管線以及油氣井的開采等方面的HFW焊管，需要對焊縫或管體進行100%超聲波探傷[3-4]，改善熱軋鋼帶的質量是提高HFW焊管超聲波探傷合格率最為關鍵的因素之一。

1 HFW焊管探傷缺陷分析

1.1 夾雜物引起的鉤狀裂紋

在超聲波探傷缺陷焊管中切取了近百組試樣，經磁粉探傷，清晰可見缺陷為沿管長方向的線狀缺陷，長20～50 mm，如圖1所示。金相觀察為沿管長方向的細裂紋，深度為0.4～0.7 mm，在焊接區域，沿金屬流線向上，并且有的裂紋已延伸到了焊縫表面，在裂紋兩側及延伸處均有聚集分布的非金屬夾雜物群，裂紋走向與夾雜物分布方向一致，夾雜物級別為B3～B5級，如圖2和圖3所示。經探針分析，上述非金屬夾雜為Al2O3和稀土硫氧化物，如圖4和圖5所示。

圖1 夾雜引起鉤狀裂紋的宏觀形貌

圖2 夾雜引起的鉤狀裂紋截面形貌

圖3 鉤狀裂紋及延伸處的夾雜物

圖4 氧化物的成分與分布

圖5 稀土硫氧化物的成分與分布

鋼板內部存在著級別較高的非金屬夾雜物，高頻焊接時，焊縫中的氧化物多以復合夾雜物形式存在，其熔點取決于各種氧化物的相對含量。當氧化物的熔點高于焊接部分的熔點(1 550℃)時，氧化物難以排出而殘留于焊縫[5]，從而在制管應力作用下產生裂紋。

1.2 母材夾雜

管坯超聲波探傷不合格位置如圖6所示。缺陷位于焊管內壁已刮“內毛刺”（焊縫）區域，試樣截面上靠近外壁表層有一條夾渣，如圖7所示。經探針分析為含Ca，Si，Al，Mg，Na和O等元素的硅酸鹽夾渣，如圖8所示。

圖6 焊管內壁缺陷宏觀形貌

圖7 焊管內壁截面上的夾渣

圖8 焊管內壁截面上夾渣的能譜分析結果

2 提高HFW焊管探傷合格率的措施

2.1 真空處理對HFW焊管探傷合格率的影響

對某一HFW焊管用鋼，在成分及冶煉工藝不變的基礎上，增加RH真空處理工序，管坯的超聲波探傷合格率由10%提高至60%。顯微觀察，基體中大塊氧化物夾雜已明顯減少，但仍發現有少量呈鏈狀分布的大塊氧化物夾雜（B3級），以及其他非金屬夾雜和夾渣，與未經真空處理相比出現的幾率明顯減少。真空處理后，一方面鋼中夾雜物有充分聚集、長大、上浮的機會，使非金屬夾雜物的數量明顯減少，尺寸變小，提高了鋼液的潔凈度；另一方面，鋼中的N，H和O等元素大幅減少，鋼的內在質量大幅提高，探傷合格率明顯提高[6]。

2.2 連澆爐數對HFW焊管探傷合格率的影響

對某一澆次HFW焊管用鋼，隨著澆鑄爐次的增加，探傷合格率下降，如圖9所示。這與連鑄坯中大型夾雜的分布正好吻合。大型夾雜在澆鑄初期、多爐連鑄的頭部及澆鑄末期有所增加[7]，同時，多爐連鑄時后一爐的中間比前一爐的中間部分多，出現大型夾雜的幾率會大很多。

圖9 澆鑄爐次與HFW焊管探傷合格率的關系

2.3 Si-Ca處理對HFW焊管探傷合格率的影響

采用喂Si-Ca線代替喂RE絲處理后，氧化物和硫化物夾雜得到了明顯控制，呈球狀分散分布，消除了沿鑄坯1/4處非金屬夾雜的聚集分布，鋼的純凈度明顯提高（如圖10和表1所示），進而消除了由此在制管時引起的鉤狀裂紋。如果采用結晶器喂RE絲的方式，使得澆鑄時夾雜物不能充分上浮，在鑄坯上形成沿鑄坯1/4處聚集分布的稀土硫氧化物夾雜。采用Si-Ca處理，一方面Ca與鋼中的S結合形成CaS以降低鋼中的S含量；另一方面由于Ca的蒸汽壓比較小，在鋼中會形成大量氣泡上浮，這樣促進了鋼中雜質的大量上浮，從而提高了鋼的純凈度[8]。

圖10 不同方式處理后沿鑄坯1/4處夾雜物對比

表1 喂RE絲和喂Si-Ca線處理夾雜物級別對比

2.4 Ca處理工藝對鋼中夾雜物總量的影響

在不同生產環節進行Ca處理時，鋼中的夾雜物總量差異較大[9]，見表2。從表2中可以看出，RH真空喂絲生產的鑄坯夾雜物總量較少，鋼包爐喂絲工藝鑄坯夾雜物總量較多。

表2 不同工藝下鑄坯中的夾雜物總量對比

2.5 S含量對HFW焊管探傷合格率的影響

為進一步減少鋼中的氧化物和硫化物夾雜，提高鋼的純凈度，HFW焊管用鋼采取低S和超低S技術[10]，使鋼中的w(S)≤0.004%，從根本上減少了硫化物的產生，使硫化物級別降低至D0.5級以下，不會形成聚集分布，從而提高了超聲波探傷的合格率。

根據以上分析，生產過程中采取了十大措施，將HFW焊管超聲波探傷合格率由10%提高至99%，具體措施是：①Si-Ca處理代替RE處理，改善氧化物的形狀及分布；②超低S處理，使w(S)≤0.004%；③增加RH處理；④工藝流程為氬站吹氬→鋼包爐調溫、深脫S→RH真空處理、喂絲→連鑄；⑤控制中包連澆爐數，保證結晶器中鋼流流場穩定；⑥保持中包液面高度，防止因渦流卷渣到結晶器；⑦嚴格控制澆鑄溫度，杜絕高溫鋼澆鑄；⑧實行大包下渣監測，減少大包渣流入中包；⑨加強大包鋼流保護，防止二次氧化；⑩采用動態輕壓下技術減輕連鑄坯的中心偏析。

3 結 論

（1）鋼板內部存在著級別較高、聚集分布的Al2O3和稀土硫氧化物等非金屬夾雜物，在制管應力作用下產生鉤狀裂紋，這是導致HFW焊管探傷不合格的根本原因。

（2）含 Ca，Si， Al， Mg，Na和 O 等元素的大型夾渣同樣會導致HFW焊管探傷不合格。

（3）增加RH真空處理工序，管坯的超聲波探傷合格率明顯提高；隨著澆鑄爐次的增加，探傷合格率下降。

（4）采用喂Si-Ca線代替喂RE絲處理后，氧化物和硫化物夾雜得到了明顯控制，呈球狀、分散分布，并且消除了沿鑄坯1/4處非金屬夾雜的聚集分布；采取低S和超低S技術，使鋼中的w(S)≤0.004%，從根本上減少了硫化物的產生，使硫化物級別降低至D0.5級以下，且不會形成聚集分布。

通過采取以上針對性措施，提高鋼水純凈度和連鑄坯質量，可有效提高鋼板探傷合格率。

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