20#鋼冷拔管表面缺陷分析及生產(chǎn)工藝改進(jìn)研究

強(qiáng) 淵，李慶紅，李 強(qiáng)，劉建敏

北京隆盛泰科石油管科技有限公司 （北京 100012）

某管廠在生產(chǎn)Φ30 mm×2.5 mm 20#冷拔管過程中，發(fā)現(xiàn)有批量的鋼管外表面出現(xiàn)不同程度的裂紋。加工工藝過程為：Φ60 mm圓鋼加熱到1 000°C進(jìn)行穿孔、冷拔、退火、酸洗、磷化處理等工藝過程直到尺寸符合要求[1]，然而在成品檢驗中有35支管表面發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋。

1 宏觀檢驗

取2支20#鋼冷拔管試樣宏觀形貌見圖1，2支鋼管實測尺寸均接近于19 mm×2.3 mm規(guī)格。1#冷拔管表面缺陷宏觀形貌見圖2，缺陷有多處呈串狀分布在鋼管表面一側(cè)，缺陷形貌為“人”字狀裂紋；2#冷拔管表面有一處缺陷，缺陷呈凹坑狀，見圖3。

圖1 20#鋼冷拔管表面缺陷試樣宏觀形貌

2 金相檢驗

采用MeF3A金相顯微鏡、MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，試驗方法參考GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

沿圖2中藍(lán)線把1#試樣表面缺陷處縱向切開磨制后檢驗，發(fā)現(xiàn)缺陷深約0.83 mm，裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象，裂紋有沿晶或穿晶開裂的特征，組織為鐵素體+珠光體，見圖4、圖5。

圖2 1#試樣表面缺陷處宏觀形貌

圖3 2#試樣表面缺陷處宏觀形貌

沿圖3中藍(lán)線把2#試樣表面缺陷處縱向切開磨制后檢驗，發(fā)現(xiàn)缺陷已貫穿管壁，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化物，裂紋兩側(cè)無明顯脫碳，組織為球化退火組織，見圖6、圖7。

3 電鏡分析

在TESCAN VEGAⅡ掃描電鏡上，利用OX-FORD INCA 360能譜分析儀，對金相分析樣品斷口附近不同區(qū)域非金屬物質(zhì)進(jìn)行能譜分析。1#冷拔管缺陷及正常處表面，經(jīng)掃描電鏡X射線能譜儀分析，其成分內(nèi)含有“O”“P”“Fe”“Zn”元素，見圖 8，能譜分析結(jié)果見表1。

圖4 1#試樣表面缺陷處微觀形貌

圖5 1#試樣表面缺陷處組織形貌（裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象）

圖6 2#試樣表面缺陷處微觀形貌（裂紋內(nèi)有灰色氧化物存在）

圖7 2#試樣表面缺陷處組織形貌（裂紋處脫碳不明顯，組織為球化退火組織）

圖8 1#試樣缺陷掃描電鏡照片

表1 1#試樣缺陷及正常處表面能譜分析結(jié)果 /%

2#冷拔管缺陷及正常處表面經(jīng)掃描電鏡X射線能譜儀分析，其成分內(nèi)含有“O”“P”“Fe”“Zn”元素，見圖9，能譜分析結(jié)果見表2。

圖9 2#試樣缺陷掃描電鏡照片

表2 2#試樣表面缺陷裂紋內(nèi)灰色氧化物能譜分析結(jié)果 /%

4 分析判斷

1）宏觀檢驗分析表明，1#冷拔管表面缺陷有多處呈串狀分布在鋼管表面一側(cè)，缺陷形貌為“人”字狀裂紋；2#冷拔管表面有一處缺陷，缺陷呈凹坑狀。

2）金相檢驗分析表明，1#鋼管試樣缺陷深約0.83 mm，裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象，裂紋有沿晶或穿晶開裂的特征，組織為鐵素體+珠光體，說明裂紋可能為應(yīng)力開裂裂紋。2#試樣表面缺陷已貫穿管壁，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化物，裂紋兩側(cè)無明顯脫碳，組織為球化退火組織，說明該鋼管已被球化退火處理，且缺陷產(chǎn)生于球化退火前。

3）掃描電鏡能譜分析表明，1#、2#鋼管試樣缺陷及正常處表面成分內(nèi)均含有“O”“P”“Fe”“Zn”元素。而2#鋼管表面試樣缺陷裂紋內(nèi)存在的灰色氧化物，其成分也含有“O”“P”“Fe”“Zn”元素，說明這批鋼管客戶在冷拔加工之前可能已對鋼管進(jìn)行了酸洗、磷化處理（可能采用了Zn系磷化液）。該Zn系磷化液pH值在3.5～5.2之間[4]，采用浸漬的處理方式，冷拔后殘留在有凹坑的表面，后續(xù)處理過程中酸性增強(qiáng)，腐蝕鋼材表面，導(dǎo)致應(yīng)力開裂。

4）綜上所述，如果鋼管表面缺陷是由于原材料管坯表面缺陷引起，則加熱穿管缺陷處的脫碳將非常嚴(yán)重。而檢驗發(fā)現(xiàn)2支鋼管表面缺陷處無明顯脫碳現(xiàn)象，1#鋼管表面缺陷處也未發(fā)現(xiàn)氧化物存在；2#鋼管表面缺陷處的氧化物也可能為鋼管在冷拔后的球化退火過程中產(chǎn)生的。1#鋼管表面缺陷處的裂紋為“人”字狀裂紋，裂紋具有沿晶或穿晶開裂的現(xiàn)象，這些均是冷應(yīng)力開裂裂紋的特征，所以20#鋼冷拔管表面缺陷可能是在冷拔加工過程中產(chǎn)生，而非原材料管坯表面缺陷引起。由此可以判定不當(dāng)?shù)募庸すに嚰笆褂肸n系磷化液是產(chǎn)生腐蝕應(yīng)力開裂的主要原因。

5 生產(chǎn)工藝改進(jìn)

采用相同的材料（20#鋼）和規(guī)格，在穿孔工藝之前增加原材料逐根外觀檢查，有凹坑或有折疊的部分要打磨干凈并圓滑過渡。在冷拔之前將原來使用的常溫Zn系磷化液（JH-8031）改成常溫鋅鎳系磷化液（JH-8032）[5]。經(jīng)過磷化處理后，通過連續(xù)式加熱爐（溫度控制在50°C±5°C）將磷化表面烘干、保證鋼管處于干燥狀態(tài)，其他生產(chǎn)工藝不變。取Φ60 mm×1 950 mm 50支冷拔管，按照修改后的工藝進(jìn)行正常生產(chǎn)，制成30 mm×2.5 mm后對冷拔管進(jìn)行渦流和手工超聲波探傷，均未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷。

6 結(jié)論

通過對冷拔管質(zhì)量缺陷的分析，查找產(chǎn)生裂紋的原因，以指導(dǎo)正常的生產(chǎn)過程。因此在冷拔管生產(chǎn)過程中，選擇合適的生產(chǎn)工藝及工藝材料是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。