石油套管用鋼37Mn5爆管原因分析及工藝改進(jìn)

張 恭

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津，300301）

0 引言

隨著鉆井深度越來(lái)越深，鉆井規(guī)模日趨擴(kuò)大，石油工業(yè)對(duì)石油套管需求量在不斷增加，37Mn5系列石油套管用鋼連鑄圓管坯自開(kāi)發(fā)成功以來(lái)，已經(jīng)成為天津鋼鐵集團(tuán)有限公司的連鑄圓坯主打品種，預(yù)計(jì)年產(chǎn)可達(dá)15萬(wàn)t，為公司帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由于該系列鋼種產(chǎn)量較大，同時(shí)石油套管用連鑄圓管坯對(duì)表面及內(nèi)部質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此，保證37Mn5系列石油套管用連鑄圓管坯的質(zhì)量成為了重中之重。在鋼管軋制過(guò)程中由于鑄坯原因產(chǎn)生的各項(xiàng)缺陷里，以爆管缺陷尤為嚴(yán)重，發(fā)生爆管后管體扭曲卡在軋機(jī)中很難清理，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)量。本文針對(duì)爆管缺陷進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，找出了導(dǎo)致37Mn5系列鋼種軋制過(guò)程爆管的主要原因。

1 37Mn5爆管缺陷宏觀特征

客戶采用我公司圓坯Ф150，Y37Mn5，在軋制規(guī)格為 139.7×6.2 mm 的管材過(guò)程中出現(xiàn)爆管，宏觀照片如圖1所示。

圖1 典型爆管缺陷宏觀形貌

由圖1可見(jiàn)，產(chǎn)生爆管時(shí)，鋼管面存在較長(zhǎng)較深的螺旋形缺陷，軋制過(guò)程中鋼管沿缺陷撕裂，產(chǎn)生較大開(kāi)口，形成爆管。

客戶使用37Mn5連鑄圓管坯軋制石油套管工藝如圖2所示。

圖2 37Mn5連鑄圓管坯軋制石油套管工藝

所有爆管均產(chǎn)生于軋管工序，穿毛管時(shí)未發(fā)生爆管。根據(jù)爆管宏觀形貌及客戶軋制工藝初步判斷可能是由于鑄坯本身缺陷導(dǎo)致穿管過(guò)程中毛管表面存在較深螺旋狀缺陷，軋管過(guò)程中由于軋制時(shí)鋼管旋轉(zhuǎn)方向與穿毛管時(shí)方向相反，導(dǎo)致螺旋形缺陷被撕裂產(chǎn)生爆管。

2 試驗(yàn)及爆管原因分析

2.1 試驗(yàn)材料

從下游廠家取回爆管試樣如圖3所示。

圖3 爆管試樣宏觀形貌

從試樣左側(cè)撕裂位置根部切取1個(gè)試樣。

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

對(duì)試樣根部裂紋處進(jìn)行金相分析和掃描電鏡分析。

試樣為鋼管堆鋼裂口處末端橫向試樣，橫向磨拋后觀察可見(jiàn)鋼管破裂后在管壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生大量褶皺、夾層及裂紋，在夾層及褶皺處有塊狀物及細(xì)碎物質(zhì)，管壁內(nèi)側(cè)典型破損處金相照片如圖4所示。試樣腐蝕后照片如圖5所示。

圖4 試樣管內(nèi)壁撕裂處端部橫向照片

首先利用金相顯微鏡對(duì)37Mn5爆管試樣進(jìn)行低倍、高倍檢測(cè)，腐蝕后發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部由裂紋處向內(nèi)存在3種典型組織，分別為萊氏體、魏氏組織、珠光體+鐵素體，如圖6所示。

圖5 試樣腐蝕后照片

圖6 3種典型組織

裂紋處最外層金相組織為萊氏體，見(jiàn)圖6（a）。萊氏體是鋼鐵材料基本組織結(jié)構(gòu)中的一種，常溫下為珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物。由液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成的奧氏體和滲碳體所組成，其碳含量為4.3%。

雖然萊氏體中的碳含量是4.3%，但含量在2.06%～6.67%的液態(tài)鐵碳合金在降溫過(guò)程中都會(huì)有萊氏體產(chǎn)生，只是由于含碳量不同，產(chǎn)生的固態(tài)合金中不僅有萊氏體，還有其他成分。含碳量在2.11%～4.3%的液態(tài)鐵碳合金在降溫到共晶溫度之前，奧氏體即逐漸析出。到1 147℃，剩余的液態(tài)合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體，整個(gè)合金組成是先析出的奧氏體和萊氏體。溫度繼續(xù)降低后，線析出的奧氏體會(huì)沿晶界析出二次滲碳體。

正常情況下37Mn5鑄坯的碳含量范圍控制在0.35%～0.39%，遠(yuǎn)低于萊氏體的產(chǎn)生條件，由此幾乎可以斷定缺陷處存在較嚴(yán)重的增碳。

萊氏體下方組織為滲碳體魏氏組織，見(jiàn)圖6（b）。工業(yè)上將具有先共析片（針）狀鐵素體或針（片）狀滲碳體加珠光體的組織，都稱為魏氏組織。前者稱為鐵素體魏氏組織，后者稱為滲碳體魏氏組織[1]。

過(guò)共析鋼中奧氏體緩慢冷卻時(shí)，將從奧氏體中析出滲碳體。過(guò)共析滲碳體的形態(tài)，可以是粒狀的、網(wǎng)狀的或針（片）狀。圖6（b）中，滲碳體在奧氏體晶粒內(nèi)部呈針狀析出，針狀滲碳體之間的奧氏體最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，形成滲碳體魏氏組織，說(shuō)明圖5（b）中位置碳含量在0.77%以上，同樣高于37Mn5鑄坯的碳含量要求。

在亞共析鋼中，如果奧氏體晶粒較大，冷卻速度較快，先共析鐵素體可能沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，如圖6（c），與以往37Mn5金相組織類似，判定為正常組織。

由以上分析可以得出以下初步結(jié)論，即試樣管內(nèi)壁撕裂處端部存在由外向內(nèi)的較嚴(yán)重增碳，鋼管表面增碳來(lái)源于鑄坯局部增碳。為了研究增碳來(lái)源，對(duì)管內(nèi)壁褶皺處夾雜塊狀物進(jìn)行能譜分析，能譜結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 能譜結(jié)果圖

由圖能譜結(jié)果圖6（a）可見(jiàn)內(nèi)壁褶皺處夾雜物主要為Zr的氧化物，由此判斷大顆粒夾雜物為水口侵蝕后的掉落物進(jìn)入鋼液。一些地方裂紋中的細(xì)碎物中除了 Zr還有含微量 Ca、Mg、Na、Al、Ba、Si等元素的物質(zhì)，如能譜結(jié)果圖6（b）。

分析認(rèn)為管體表面增碳源于連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣。結(jié)晶器保護(hù)渣在連鑄工藝中起著重要的作用，具有絕熱、保溫、吸收夾雜、潤(rùn)滑和傳熱等功能，直接影響鑄坯的表面質(zhì)量及連鑄生產(chǎn)安全[2]。

軋鋼過(guò)程不會(huì)造成表面增碳，在正常情況下，結(jié)晶器保護(hù)渣中所含的碳也不會(huì)造成連鑄坯表面增碳。但碳作為熔速控制劑直接影響保護(hù)渣的熔化，在不穩(wěn)定的操作條件下，如拉速頻繁變化或者夾雜物進(jìn)入結(jié)晶器引起結(jié)晶器液面頻繁波動(dòng)等情況，所生產(chǎn)的鑄坯除容易產(chǎn)生表面裂紋等缺陷外，也可能因坯殼卷入保護(hù)渣造成鑄坯表面局部增碳[3]。

對(duì)生產(chǎn)Ф150規(guī)格37Mn5鋼種所使用的結(jié)晶器保護(hù)渣進(jìn)行了取樣分析，結(jié)果如表1所示。

表1 37Mn5保護(hù)渣成分/%

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明Ф150規(guī)格37Mn5鋼種所使用的保護(hù)渣其碳含量為15.6%，在異常情況下保護(hù)渣可能造成連鑄坯表面局部增碳，造成鑄坯表面缺陷，影響管材質(zhì)量。

3 工藝自查及分析

3.1 工藝自查

為發(fā)現(xiàn)坯殼卷渣的原因，根據(jù)客戶提供的發(fā)生爆管的爐號(hào)信息，對(duì)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了復(fù)查。爆管較多爐號(hào)37Mn5鑄坯連鑄概況見(jiàn)表2。

表2 爆管較多爐號(hào)37Mn5鑄坯連鑄概況

工藝復(fù)查后發(fā)現(xiàn)，該批次生產(chǎn)的37Mn5連鑄圓管坯中間包溫度波動(dòng)較大，連鑄拉速變化較為頻繁。問(wèn)題澆次液位波動(dòng)情況見(jiàn)圖8。較高的中間包溫度會(huì)加速連鑄耐材的侵蝕，耐材受侵蝕后導(dǎo)致大顆粒的外來(lái)夾雜物進(jìn)入結(jié)晶器，造成結(jié)晶器內(nèi)鋼水不穩(wěn)流動(dòng)，容易形成卷渣。同時(shí)由于不同爐次中間包的溫度差距較大，不得不根據(jù)中間包溫度頻繁調(diào)整拉速，由此帶來(lái)的結(jié)晶器液位波動(dòng)為結(jié)晶器保護(hù)渣卷入坯殼形成了必要條件。由圖可以看出該批次結(jié)晶器內(nèi)液位確實(shí)存在較大的波動(dòng)。

圖8 問(wèn)題澆次液位波動(dòng)情況

3.2 卷渣原因分析及優(yōu)化措施

卷渣是指在鑄坯表面或皮下位置處嵌有保護(hù)渣成分，會(huì)造成鑄坯局部增碳，引起表面缺陷，提高軋制時(shí)的廢品率廢品率，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致漏鋼。卷渣的主要原因是結(jié)晶器液面波動(dòng)，結(jié)晶器內(nèi)液位波動(dòng)過(guò)大時(shí)，結(jié)晶器保護(hù)渣無(wú)法在液面上方保持均勻穩(wěn)定的三層結(jié)構(gòu)，容易卷入鋼水內(nèi)部造成卷渣增碳，同時(shí)液渣不能均勻的流入結(jié)晶器和新生坯殼之間，造成傳熱不均，使鑄坯產(chǎn)生縱裂或者其它缺陷。鋼、渣界面處的波動(dòng)也可能會(huì)吸入空氣造成卷渣。

結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)行為對(duì)于卷渣行為會(huì)產(chǎn)生影響，其中水口插入深度和拉速是影響結(jié)晶器內(nèi)部鋼液流動(dòng)的主要因素。水口插入深度需保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，插入深度過(guò)小時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)鋼水上回流到達(dá)液面時(shí)動(dòng)能較大，容易引起界面波動(dòng)和卷渣；插入深度過(guò)大時(shí)，鋼液沖擊深度較大，不利于夾雜物的上浮。嚴(yán)格將水口插入深度控制在90～130 mm，可避免上述兩種情況。

目前生產(chǎn)壓力較大的情況下，提高拉速是必然趨勢(shì)，但隨著拉速的提髙，結(jié)晶器內(nèi)鋼水上下回流強(qiáng)度增大，造成結(jié)晶器內(nèi)與液渣層接觸的鋼水界面所受剪切力增大，保護(hù)渣向鋼液中運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)增大，結(jié)晶器內(nèi)的卷渣就會(huì)越發(fā)頻繁。同時(shí)，由于鋼水溫度、生產(chǎn)節(jié)奏等因素制約，拉速變化較為頻繁，調(diào)整拉速時(shí)塞棒開(kāi)啟度的改變引起水口注流變化，也可能導(dǎo)致結(jié)晶器液位產(chǎn)生波動(dòng)。適當(dāng)降低拉速和保持恒拉速操作可以有效降低拉速對(duì)結(jié)晶器液位波動(dòng)帶來(lái)的影響，達(dá)到避免卷渣的目的。

較高的鋼水溫度和水口的質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致水口受鋼水侵蝕較嚴(yán)重，水口變形影響注流穩(wěn)定性，同時(shí)有大顆粒夾雜物進(jìn)入結(jié)晶器，會(huì)造成結(jié)晶器內(nèi)液位不穩(wěn)，導(dǎo)致卷渣等缺陷。使用優(yōu)質(zhì)耐材，保持低過(guò)熱度澆鑄可以減輕結(jié)晶器液位波動(dòng)，降低鑄坯中的夾雜物含量。

4 結(jié)論

造成37Mn5石油套管用連鑄圓管坯軋制爆管的主要原因是鑄坯表面存在缺陷，造成該種缺陷的原因是鑄坯卷渣。造成37Mn5鑄坯卷渣的主要原因是結(jié)晶器液位波動(dòng)過(guò)大。嚴(yán)格控制水口插入深度，降低拉速、采取恒拉速操作可以減輕結(jié)晶器液位波動(dòng)，進(jìn)而減少卷渣情況的發(fā)生。選用優(yōu)質(zhì)耐材，保持較低的中間包過(guò)熱度，可以降低鋼水對(duì)耐材的侵蝕程度，有利于減輕結(jié)晶器液位波動(dòng)和減少鋼液外來(lái)夾雜物。