28M nV鋼熱敏裂紋原因分析

李召嶺(天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301)

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28M nV鋼熱敏裂紋原因分析

李召嶺
(天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301)

[摘要]為分析28MnV坯料產生裂紋及管坯穿管時發生爆裂的原因，對28MnV圓管坯生產工藝和穿管工藝進行跟蹤試驗，并采用相似鋼種鋼坯進行火焰切割對比實驗。研究結果表明，對于28MnV這類含V元素較高的鋼坯，當使用炔氧焰進行火焰切割圓管坯定尺坯料時，相較不含釩鋼更容易出現鋼坯裂紋并快速擴展。給出了減少鋼坯熱敏裂紋的措施。

[關鍵詞]28M nV；火焰切割；熱敏裂紋

修回日期：2015-04-10

1　引言

隨著我國石油工業的快速發展，石油行業用鋼需求量在不斷增加，石油套管是維持油井運行的生命線，根據地質條件的不同，在井下受力狀態復雜，要同時承受拉、壓、彎、扭各種載荷的綜合作用，這對套管本身的質量提出了較高的要求。因此隨著石油鉆探區域不斷發展，工作環境日趨復雜，對鋼材的性能要求也日趨苛刻。28MnV鋼為非調質N80級石油套管用鋼，是生產高強度高韌性的專用石油無縫井管，一般被用在惡劣的環境中。該鋼種要求具有較高的強度和一定的塑韌性，對鋼中夾雜物和氣體含量都有較高的要求。

天鋼集團生產的斷面為椎210 mm的28MnV圓管坯在冬季檢驗過程中發現有部分開裂現象，甚至有表面未見裂紋的圓管坯在穿管過程中出現毛管爆裂的現象。經統計，問題管坯有關數據時發現，出現開裂的坯料都是定尺超長，使用火焰切割后的坯料。本文通過試驗對28MnV鋼坯料裂紋的產生原因進行了分析，并與其他相似化學成分鋼種進行了對比試驗，有針對性地制定了相應的改進措施，以杜絕上述質量問題的發生。

2　 28　M nV圓管坯的生產現狀

2.1成分控制

28MnV鋼用于軋制非調質N80級石油套管，要求具有較高的強度和良好韌性，成分中加入Al 和V進行微合金化，以細化晶粒，提高鋼的綜合性能。28MnV鋼化學成分見表1。

表1　28M nV化學成分/%

其中，殘余元素要求Pb、Sn、As、Sb、Bi五害元素含量總和≤250×10-6，單一元素≤100×10-6；氣體元素中要求H≤2×10-6，O≤40×10-6，N≤80×10-6。

2.2工藝路線

28MnV圓管坯對夾雜物的要求非常嚴格，控制鋼中夾雜物的含量要嚴格精煉操作，保證軟吹氬時間和鎮靜時間。所設計的28MnV鋼生產工藝路線為：120 t頂底復吹轉爐→120 tLF精煉爐寅VD真空脫氣爐寅CONCAST六流方/圓坯連鑄機。

3　鑄坯表面裂紋情況

在料場對圓管坯進行檢驗時，發現有圓管坯表面出現細長的縱向裂紋，如圖1（a）所示，甚至部分圓管坯裂紋擴展到了整支鑄坯長度，裂紋的深度可達圓管坯中心，如圖1（b）所示。

圖1　28M nV圓管坯裂紋宏觀形貌

對現場5000多支圓管進行逐支檢驗，共檢驗出有這類裂紋缺陷的鑄坯有19支，發現所有出現裂紋的圓管坯斷面均經過下線后二次火焰切割，所有的裂紋分布方向均垂直于火焰切割方向，沿管坯表面縱向擴展。經過對圓管坯切割斷面的檢查、低倍酸浸的分析，初步斷定裂紋出現在圓管坯下線后二次火焰切割后，屬于應力裂紋范疇，嚴重時裂紋可擴展至鑄坯通身。

4　金相分析

為了分析裂紋產生的原因，在圓管坯端部火焰切割面截取金相試樣。試樣拋光后在光學顯微鏡下進行觀察，圓管坯端部縱向截面可見大量細小裂紋，且有部分裂紋貫通到試樣表面，典型的裂紋形貌如圖2（a）所示，腐蝕后部分裂紋形貌如圖2（b）所示。

圖2　火焰切割面縱向試樣裂紋形貌（500x）

從圖2中可見，在該試樣表面有約1.5~3.3 mm厚的火焰切割后產生的熱影響區，表面產生快速冷卻后的馬氏體組織并向鋼坯內部逐漸過渡到正常組織，熱影響區的異常金相組織見圖3（a）所示。在鋼坯熱影響區以下的正常組織部分，由于一定內應力的作用也產生裂紋，裂紋沿晶界或穿晶擴展，典型裂紋形貌見圖3（b）所示。

圖3　火焰切割產生的熱影響區及其金相組織

5　熱敏裂紋產生機理

28MnV圓管坯下線以后，對定尺長度超標的圓管坯再次進行手動火焰切割。手動火焰切割在鑄坯切割區形成熱影響區的示意圖如圖4所示。其中：a層為熔融層；在熔融層附近形成一個熱影響區，b層的溫度高于A1點；c層的溫度低于A1點；d層的溫度未變化。在火焰切割的熱影響區具有很大的溫度梯度[3]。

手動切割槍a層c層

圖4　手動火焰切割熱影響區示意圖

在火焰切割過程中，b、c層產生熱膨脹，受d層的阻礙為熱壓應力，而且升溫過程中b、c層受的熱應力為壓應力，而組織為奧氏體和珠光體，具有一定的變形能力，不會產生裂紋；在切割結束后的冷卻過程中，b、c層受d層的激冷作用，溫度下降并收縮，產生拉應力；當b層冷卻速度大于臨界淬火速度時產生過冷奧氏體，b層的溫度低于臨近轉變點時，過冷奧氏體向馬氏體轉變。當b層的熱拉應力和相變應力之和大于其組織強度極限時就會產生切割裂紋[4]。

28MnV下線后在料架內堆放，冷卻后檢驗定尺，當手動火焰切割長定尺時，由于手動切割較慢導致火焰在坯頭上停留時間比較長，同時加之冬天溫度較低，最終導致坯頭的b、c、d三區形成更大的溫度梯度，熱拉應力增加，在b區產生應力裂紋。如果產生熱敏裂紋的鑄坯自身殘余應力較大，裂紋就會進一步擴展，發展成鑄坯的通身裂紋。

6　對比試驗

為進一步確定影響裂紋產生的微量元素因素，了解熱敏裂紋產生的機理，現選取化學成分相近但僅微量元素V成分稍有區別的兩種鋼坯進行了對比試驗。與28MnV對比的鋼坯選取為37Mn5和25Mn2V，化學成分見表2。

表2　對比鋼種化學成分　/%

將不同鋼種的鋼坯也在戶外進行火焰切割實驗，并將鋼坯放置于相同的試樣場所，每隔2 h記錄，檢查結果見表3。

表3　鋼種切割后裂紋檢測結果

由實驗結果可見，37Mn5鋼坯未含有V元素，火焰切割后在料場長時間擱置均無裂紋產生，而含V鋼種鋼坯隨著微量元素V的加入量增加，其火焰切割后的鋼坯裂紋出現并快速擴展的幾率隨之增大，也印證了前期的熱敏感裂紋機理，即鋼坯內的微量元素V的含量較高時，在冬季進行室外的火焰切割極易產生熱裂紋。

7　總結

綜上所述，28MnV圓管坯的表面縱裂紋的產生原因是在冷態下對28MnV圓管坯進行火焰切割，在火焰切割形成的熱影響區內過冷奧氏體的向馬氏體轉變，當相變應力和組織應力超過表層細晶區所能承受的最大應力時，在熱影響區產生裂紋。另外，28MnV圓管坯自身的殘余應力比較大，加之冬天氣溫低，裂紋會進一步擴展，發展成鑄坯的通身裂紋。

綜上所述，采取以下措施可以降低裂紋的發生幾率：加強紅外定尺切割控制，避免圓管坯出現長短尺問題，進而減少二次火焰切割；避免圓管坯在低溫下進行火焰切割，或者保證切割時鑄坯溫度在100益以上切割，切割后最長5 h必須入爐，避免長時間露天放置；適當降低連鑄中間包過熱度、使用末端電磁攪拌，減少連鑄坯柱狀晶區比例，提高鑄坯中心等軸晶率，降低圓管坯的凝固內應力。

參考文獻

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（上接第51頁）Analysison CauseofHeatSensitive Crack of28M nV SteelLIZhao-ling

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractIn order to analyze the cause for crack formed on billet and billet bursting at piercing,the production process and piercing process for 28MnV round billetwere tracked and tested and two similar grades were utilized for comparison and test in torch cutting. Study results showed compared with non vanadium contentbillet,high vanadium contentbilletssuch as28MnV were more susceptive to crack which could extend fastin torch cutting with oxyacetylene flame.Measures forreducing billetheatsensitive crack areprovided in thepaper.

Key words28MnV;torch cutting;heatsensitivecrack

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.013

作者簡介：李召嶺（1981—），男，河北深州人，工程師，主要從事鋼鐵冶金工藝方面的研究工作。