熱軋管線鋼高溫開裂及改進

魏進利，王培龍

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

0 引言

某廠采用熱連軋機組生產(chǎn)的熱軋管線鋼，經(jīng)客戶在二次加工彎頭過程中，出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。本文針對開裂現(xiàn)象，分析了典型規(guī)格出現(xiàn)的典型缺陷的形成原因，提出了降低開裂的解決方案。

1 開裂鋼管的特點

（1）鋼種采用碳-錳鋼進行了一定的微合金化處理，主要元素成分為：C：0．14%～0．18%，Mn%：1．00%～1．20%，V%：0．01%～0．05%。

（2）用戶采用天然氣加熱，一邊彎制一邊擴徑的方式生產(chǎn)彎管；由于用戶在彎制過程中的加熱溫度和變形速度不固定，且對于不同規(guī)格的母管，相應(yīng)的擴徑率也不相同，最大的擴徑率達(dá)到了43．2%，出現(xiàn)開裂的典型規(guī)格如表1所示。

（3）在不同的加工溫度范圍700～950℃，都出現(xiàn)了不同程度的裂紋缺陷，對于 10”(273．0 mm)～16”(406．40 mm)的規(guī)格區(qū)間內(nèi)，不合格品比率約為2%左右，出現(xiàn)開裂的典型缺陷如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

表1 二次加工過程中出現(xiàn)高溫開裂的典型規(guī)格參數(shù) /mm

圖1 厚壁管開裂典型缺陷

圖2 厚壁管開裂典型缺陷

圖3 薄壁管開裂典型缺陷

圖4 薄壁管開裂典型缺陷

2 高溫加工過程中的開裂原因分析

2.1 厚壁管開裂缺陷部位分析

對于厚壁管缺陷試樣，規(guī)格為426.0×36.00管線鋼，斷口沿縱向全壁厚裂透，斷口經(jīng)過高溫氧化后呈黑色，斷口周圍存在大量縱向分布的裂紋，在斷口缺陷部位及基體部位分別取化學(xué)成分進行夾雜物分析、宏觀及微觀金相分析。

（1）對斷口缺陷部位及基體部位的成分分析顯示，各元素成分符合交貨標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

（2）對斷口缺陷及基體部位進行金相分析，按照ASTM E45標(biāo)準(zhǔn)報出非金屬夾雜物，按照ATTM E112標(biāo)準(zhǔn)報出奧氏體晶粒度，分析結(jié)果如表2所示。

表2 厚壁管金相分析結(jié)果/級

（3）對斷口位置拋光后觀察發(fā)現(xiàn)，整個斷口周圍以及試樣內(nèi)外壁存在大量沿晶裂紋，部分裂紋融化形成網(wǎng)狀孔洞，裂紋內(nèi)有氧化鐵，腐蝕后發(fā)現(xiàn)存在明顯的氧化脫碳現(xiàn)象。斷口周圍沿晶裂紋及孔洞形貌如圖5所示，內(nèi)壁斷口周圍裂紋及孔洞形貌如圖6所示，試樣斷口邊緣組織形貌如圖7所示、試樣內(nèi)壁裂紋及孔洞周圍組織形貌如圖8所示。

圖5 斷口周圍沿晶裂紋及孔洞形貌 200X

圖6 內(nèi)壁斷口周圍裂紋及孔洞形貌 50X

圖7 斷口邊緣裂紋周圍氧化脫碳組織形貌 200X

圖8 內(nèi)壁裂紋及孔洞周圍組織形貌 100X

2.2 薄壁管開裂缺陷部位分析

對于薄壁管缺陷試樣，斷口沿縱向全壁厚裂透或呈明顯裂紋狀態(tài)。為與厚壁管線鋼對比分析，取規(guī)格為φ356.0 mm×14.00 mm規(guī)格的未完全開裂的試樣，在裂紋缺陷部位及基體部位分別取化學(xué)成分，夾雜物分析、宏觀及微觀金相分析。

（1）對斷口缺陷部位及基體部位的成分分析顯示，各元素成分符合交貨標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

（2）對斷口缺陷部位及基體部位的金相分析，按照ASTM E45標(biāo)準(zhǔn)報出非金屬夾雜物，按照ATTM E112標(biāo)準(zhǔn)報出奧氏體晶粒度，分析結(jié)果如表3所示。

（3）對斷口位置拋光后觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋呈橫向及斜向并由外壁向內(nèi)壁延展，裂紋周圍以及試樣外壁存在大量沿晶裂紋，裂紋內(nèi)有氧化鐵，腐蝕后發(fā)現(xiàn)存在明顯的氧化脫碳現(xiàn)象。裂紋部位組織形貌如圖9所示。

圖9 裂紋部位組織形貌圖

表3 薄壁管金相分析結(jié)果/級

2.3 開裂管線鋼高溫延塑性能力分析

對開裂管線鋼的厚壁規(guī)格、薄壁規(guī)格的缺陷進行分析后認(rèn)為，開裂原因是不同程度裂紋擴展的結(jié)果，高溫開裂與客戶熱加工過程中工藝條件未發(fā)現(xiàn)有直接關(guān)系。

大量資料顯示，含鈮、釩、鈦鋼都有第III脆性溫度區(qū)[1]，金屬在第III區(qū)脆性溫度區(qū)域變形過程中，高溫延塑性能力急劇下降，含有鈮、釩的金屬在第III區(qū)脆性溫度區(qū)的脆化向低溫側(cè)延伸[2]。

為進一步驗證高溫開裂鋼管的高溫延塑性，取低碳錳-釩鋼在高溫拉伸試驗機做高溫拉伸試驗。試驗方法參照ASTM E21[3]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，選取軋態(tài)管線鋼試樣奧氏體化溫度810℃左右，為與客戶二次高溫加工溫度吻合，試驗在750℃、800℃、850℃溫度下進行，試驗結(jié)果統(tǒng)計如表4所示。由表4可以看出：隨著溫度的升高，屈服強度呈下降趨勢，伸長率、斷面收縮率均隨著溫度的升高而降低，試驗鋼種在達(dá)到到奧氏體溫度的850℃時，斷面收縮率下降明顯。

表4 微合金低碳錳-釩鋼高溫性能試驗統(tǒng)計

3 高溫加工過程中的開裂改進分析

通過對發(fā)生開裂的厚壁管線鋼、薄壁管線鋼的缺陷及高溫拉伸性能進行分析可知，熱軋管線鋼在二次高溫加工過程中發(fā)生開裂的根本原因為材料的熱加工延塑性能較差，其機理是微合金低碳錳-釩鋼存在第III區(qū)加工脆性溫度區(qū)[4]，當(dāng)熱加工溫度范圍達(dá)到此脆性溫度區(qū)域時，易發(fā)生裂紋缺陷，嚴(yán)重時會由于應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。

因材料熱加工過程受設(shè)備局限，生產(chǎn)工藝中的熱加工溫度調(diào)整有限，因此只能改變提高材料本身的延塑性能力，避免發(fā)生高溫?zé)峒庸さ拈_裂現(xiàn)象。為保證材料的力學(xué)性能和低溫韌性，微合金元素由釩元素改為鉻元素，規(guī)避形成第III區(qū)脆性區(qū)，材料由低碳錳-釩鋼改為低碳錳-鉻鋼。

為驗證新的管線鋼材料的高溫延塑性，采用對比分析的方法對新材料的高溫性能進行分析研究，方法如下：

（1）采用GLEEBLE 3500熱模擬試驗機試驗新鋼種的高溫性能，模擬熱軋管線鋼生產(chǎn)過程中的加熱溫度、加熱速率、變形速率，試驗結(jié)果如表5所示。

（2）采用GLEEBLE 3500熱模擬試驗機試驗新鋼種的高溫性能，模擬熱軋管線鋼二次高溫加工彎頭過程中的加熱溫度、加熱速率、變形速率，試驗結(jié)果如表6所示。

表5 熱模擬熱軋管線鋼生產(chǎn)過程熱塑性能力

表6 熱模擬熱軋管線鋼二次高溫加工過程熱塑性能力

（3）作為對比試驗，采用高溫試驗機試驗新鋼種的高溫力學(xué)性能，統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。

由表5、表6可以看出，通過采用GLEEBLE 3500熱模擬試驗機模擬管線鋼生產(chǎn)過程、二次高溫加工過程的熱塑性能力，采用碳低碳錳-鉻鋼的新材料較原低碳錳-釩鋼的高溫延塑性更好，新材料在800℃及以上溫度的高溫韌性較好，斷面收縮率最低值超過50%。

由表7與表4高溫力學(xué)性能試驗對比分析可知，新材料高溫狀態(tài)下的屈服強度、伸長率此、斷面收縮率更高。

表7 高溫試驗機試驗新鋼種的高溫力學(xué)性能

4 結(jié)語

通過對熱軋管線鋼在二次高溫加工過程中的開裂缺陷進行分析，驗證了低碳錳-釩鋼存在第III區(qū)加工脆性溫度區(qū)，二次高溫加工過程熱加工溫度如在此區(qū)域內(nèi)，易發(fā)生裂紋缺陷，嚴(yán)重時會形成局部開裂。在不改變原加工工藝的前提下，提出通過改變材料的化學(xué)成分，材料由低碳錳-釩鋼改為低碳錳-鉻鋼后，經(jīng)GLEEBLE 3500熱模擬及模擬管線鋼生產(chǎn)過程、二次高溫加工過程的熱塑性能力，發(fā)現(xiàn)新材料的高溫延塑性更好，高溫屈服強度、伸長率、斷面收縮率更高，有利于客戶的高溫二次加工。