航空用不銹鋼管內壁缺陷分析

魏玉明

（天津冶金集團天材科技發展有限公司，天津 300308）

0 引言

根據不銹鋼無縫鋼管的生產工藝特點，管材的主要缺陷有劃痕、裂紋、折疊、翹皮和夾雜等。對于高檔不銹鋼管材，按照有關標準要求需要對管材內、外表面逐根進行超聲波探傷。天津某公司生產的不銹鋼無縫鋼管主要是用于航空領域，鑒于航空領域使用的特殊性，必須按照GJB2296A-2005標準要求對管材進行內、外壁超聲波探傷檢測，合格后方可交付客戶使用。無縫鋼管的內壁缺陷因不能直觀目測檢視，而成為檢測難點，導致生產過程中無法做到有效規避存在內壁缺陷的風險，致使自檢成品的合格率嚴重下降。對該公司近五年航空用不銹鋼管材的超聲探傷數據統計，結果顯示合格率偏低，存在內壁缺陷的管材占比高。存在內壁缺陷管材因不能滿足GJB2296A-2005要求，處理方式只能為報廢，年經濟損失約達數百萬元。

綜上原因，該公司開展了航空用不銹鋼管內壁質量缺陷的研究，通過對其內壁缺陷產生原因的分析，確定了管坯原始遺留缺陷、管材軋制加工過程缺陷、管材去油不凈造成的燒結物等為管材內壁缺陷產生的主要原因。本文基于管材內壁缺陷產生的原因，提出了工藝改進措施，并對改進措施的實施效果進行了總結。

1 航空用不銹鋼管材缺陷統計

1.1 超聲波探傷不合格品統計

圖1為該公司2017～2021年期間所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統計結果。由于管材內壁缺陷不能直觀檢視，僅能通過剖切等破壞性方法進行驗證，故而將內壁缺陷單獨列出。其中管材合格品比例基本維持在60.0～70.0%，因內壁缺陷導致的不合格品比例為20.0～30.0%，其它類不合格品比例（包括外壁劃傷、凹坑、尺寸超差、彎曲等缺陷）基本為10.0%以下。由此可見，內壁缺陷已成為制約合格率提高的主要因素。

圖1 2017～2021年期間所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統計結果

1.2 管材內壁缺陷類型統計

由于超聲波檢測最重要的是對反射體進行定位、定量、定性，此三定是超聲波探傷的基本法則[1]。故對該公司2021～2022年的超聲波探傷內壁不合格管材，累計共200組試樣，通過超聲探傷設備精準定位內壁缺陷的位置，然后進行管材剖切，并采用掃描電鏡進行檢測。對超聲探傷檢測出的內壁缺陷進行統計、分類，發現內壁缺陷類型主要分為以下三類：

（1）管坯原始缺陷遺留。此類缺陷代表特征為內壁掉肉或起刺。管坯原始缺陷遺留電鏡掃描形貌如圖2所示。

圖2 管坯原始缺陷遺留物形貌

（2）管材軋制加工過程缺陷。此類缺陷代表特征為內壁線性劃傷，有明顯的金屬碾壓流動痕跡。管材軋制加工過程缺陷電鏡掃描形貌如圖3所示。

圖3 管材軋制加工過程缺陷形貌

（3）管材去油殘留固溶處理燒結物殘留。此類缺陷代表特征為固溶處理后的內壁燒結物，呈不規則波紋狀。管材去油殘留固溶處理燒結物殘留電鏡掃描形貌如圖4所示。

圖4 管材去油殘留固溶處理燒結物殘留形貌

內壁剖切試樣數據統計結果如表1所示。其中軋制加工缺陷占比最高，為51%；其次為去油殘留固溶處理后燒結，占比為35%；原始缺陷殘留占比最少，為14%。

表1 內壁剖切試樣數據統計結果

2 管材內壁缺陷產生原因分析及控制

2.1 原料管坯缺陷殘留

2.1.1 管坯缺陷殘留原因分析

鑄坯在澆鑄過程中會產生成分及組織偏析，軋制后的熱軋管坯可能會呈現嚴重的帶狀組織。另外鋼中會存在非金屬夾雜，它是鋼中的鐵及其他合金元素與O、S、N等非金屬元素形成的化合物，當管坯的非金屬夾雜物含量太高，特別是呈簇狀分布而形成大型夾雜物后，由于該部分已失去金屬特性，與鋼基體無聯系，在加工過程中容易產生脫落、開裂。

從冶煉技術本身出發，控制好冶煉過程中各個參數，降低待軋制管坯中的冶金缺陷率，消除或減少各類夾雜物、元素偏析，是從源頭上解決問題的方法。

2.1.2 管坯缺陷殘留控制

不銹鋼無縫管材成品的加工以“冷拔+冷軋”相結合，配以合理的熱處理工藝進行，生產過程中雖會消除部分存在于管材表面的開放性缺陷，如底部平滑的凹坑等，但效果有限。為了實現最終成品零缺陷的目標，需要對所用原料管坯質量加以控制，對其進行同等標準的超聲探傷檢測，確保按接近成品的標準控制管坯質量，保證投入原料探傷合格率可達到100%，以規避掉管坯原始缺陷，避免遺傳到后道工序，同時防止其與后道加工工序的缺陷產生混淆，導致無法正確判斷缺陷是遺傳自原料還是加工過程產生。

在控制原料管坯質量的基礎上，對規格為采用“一軋一退”工藝出成品的管材按照原工藝進行試軋，成品管材超聲探傷合格率可以達到90%，證明管坯原料確保超聲探傷合格，確實會有助于管材成品超聲探傷合格率的提高。

選取2016年2月～2018年7月本院收治的急性心肌梗死患者80例作為研究對象，根據確診時間先后將其分為兩組，各40例。其中，女34例、男46例，年齡40～75歲，平均年齡（62.15±6.52）歲。兩組患者經血管內超聲檢查、冠狀動脈造影均符合急性心肌梗死臨床診斷標準；排除惡性腫瘤、藥物過敏反應、臟器功能不全者[2] 。所有患者在癥狀表現、病因、病程等一般資料上比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。

2.2 管材軋制加工缺陷

由于管材加工過程中內壁缺陷的產生多為接觸性的缺陷，并且管材在軋制開始前均為固溶狀態，硬度在HV170以下，加工過程中在壓應力的作用下，工藝件或異物等不確定性因素很容易對管材表面產生損傷。通過對該公司生產過程的長期跟蹤、分析，匯總出以下五個方面因素，并提出了相應的解決方法：

2.2.1 軋制芯棒末端的棱角對內壁產生壓傷

原有的芯棒因兩端的機加工痕跡未完全去除，芯棒前端面與芯棒中心線垂直，周圈存在尖銳棱角。當芯棒向后撤，致使芯棒的前端處于孔型預精整部分時，芯棒的尖銳端面就會在管子的內表面壓出一些環形的壓痕[2]。

解決方法：將芯棒前端倒角，使芯棒前端為光滑球面，將點、線接觸形式優化為面接觸，從而消除芯棒前端對管材內壁的損傷。

2.2.2 連桿的表面缺陷造成內壁劃傷

因連桿大多為自制，且不具備有效的表面處理手段，導致連桿外表面缺陷偏多。軋制過程中，連桿在管材內孔中會產生彎曲變形，送進過程中會與管材內壁產生摩擦，連桿表面脫落的金屬碎屑會進一步加重對管材內壁的損傷。

解決方法：將現有所有連桿更換為Ra≤0.5μm的光棒，同時將連桿的連接方式由焊接改為螺紋連接，目的為了減少連接的焊點數量。同時，每次使用前進行外壁拋光，消除連桿的表面缺陷及附著的金屬碎屑等，避免對管材內壁的劃傷。

2.2.3 軋制油的潤滑充分性對內壁質量的影響

軋制過程因金屬變形流動會嚴重發熱，需要采用潤滑油進行充分冷卻。原有的軋制油潤滑形式為連桿涂抹潤滑油或來料內孔灌油，但這兩種方式均存在內壁油膜不充分的問題，軋制過程中管材內壁可能會與芯棒發生粘連，形成內壁缺陷。

解決方法：在軋機上料端加裝浸泡油槽，同時輔以循環裝置，保證管材的充分潤滑。通過控制浸泡時間、上料長度、上料支數等細節，軋制油潤滑充分性可得到完美解決。此外需要注意軋制油的清潔性，因為在長期的循環使用過程中，潤滑油中不可避免會存在許多金屬屑，潤滑油管路上也會附著金屬屑，在軋制過程中會壓入到管材表面形成壓坑。因此保證潤滑油充分浸潤的同時，需保證潤滑油的清潔、干凈，定期清理油內摻雜物。

2.2.4 上道次端口毛刺、內壁雜質等造成內壁嚴重損傷

軋機來料一般是截切磨頭狀態，原有處理方式為砂輪片切割后磨頭處理，砂輪切割粉塵嚴重，切斷后砂輪屑顆粒會進入鋼管內表面。同時，在切頭尾時，個別鋼管切斷部位的細小毛刺也可能由于操作問題，未清除干凈而殘留在管材端部，嚴重影響內壁質量。

解決方法：采用合金刀片切割加倒角方式。其一，消除切割過程中產生的粉塵、碎屑，其二，倒角為車削加工，端面呈光滑的梯形端面，可以滿足防止碎屑帶入的要求，從而保證每支管的軋制過程中不會帶入或再產生金屬碎屑，避免產生內壁壓坑或劃傷。

2.2.5 工藝參數的設置影響內壁質量

軋制時要嚴格控制送進量、軋制車速、變形量等參數。管材軋制過程中，管材的變形主要沿軋制方向發生縱向變形，但這種延伸變形在管坯工作錐的橫截面方向分布是不均勻的。對于加工硬化快的材料，應適當降低軋制車速并控制合理的送進量，確保管坯軋制過程中單位面積的受力最小。送進量一般可按照精整長度來確認：

式中：m為送進量，mm；L1為孔型精整段長度，mm，λ∑為軋制總延伸系率，%；K為系數，一般取2～2.5。計算出的送進量m值，需根據現場具體情況進行調整[3]。

2.3 管材去油殘留在后續固溶處理時燒結

由于該公司成品管材最后一道次冷加工均為冷軋，在進行固溶處理前需進行去油處理，并用去離子水沖洗管材內外壁，完全去除管材內外表面的軋制油后方可轉入固溶處理工序。但目前管材內孔直徑為φ8mm以下，直徑過小，在去離子水沖洗過程中，管材表面剝離的油脂、去油劑均不能保證完全去除干凈，待管材干燥后殘存的油脂顆粒會存在于管材表面。管材在隨后的固溶處理過程中，經過1000℃左右高溫加熱后，殘存的油脂顆粒會發生碳化，附著于管材內壁形成附著物。對某規格的0Cr18Ni9管材內壁附著物能譜分析結果如圖5所示。由圖5可以看出，該部分C、O元素含量遠高于基體含量，在成品超聲波探傷檢測過程中，可以被檢測識別為缺陷，導致管材合格率下降。

圖5 某規格的0Cr18Ni9管材內壁附著物能譜分析結果

此問題通過進行去油設備升級改造，采用合理的工裝卡具以及電控系統配合，延長單支管材的沖洗時間至10min，并在沖洗后及時采用熱風烘干方式可以解決。

3 改進效果

采用以上各項改進措施后，該公司2022年1～5月所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統計結果如圖6所示。由圖6可以看出，合格品比例已提升至85%以上，由內壁缺陷導致的不合格品比例已降至10%以下，質量提升效果顯著。

圖6 2022年1～5月所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統計結果

4 結語

借助超聲波探傷、掃描電鏡和能譜分析等手段，對天津某公司生產的航空用不銹鋼管材內壁缺陷產生的原因進行了研究，通過分析該公司200組超聲波探傷內壁不合格試樣的檢測結果，最終確定了管坯原始遺留缺陷、管材軋制加工過程缺陷、管材去油不凈造成的燒結物等為管材內壁缺陷產生的主要原因，據此提出了工藝改進措施。

在控制原料管坯質量的基礎上，制定了改進軋制芯棒端部形狀、改善連桿表面光潔度、優化軋制油潤滑方式、改變端口毛刺去除工藝、升級成品管去油設備以及設置合理的軋制工藝參數等一系列工藝措施。上述工藝措施實施后，改善了管材內壁質量，降低了管材由于內壁缺陷造成的不合格品率，管材合格品比例由60.0～70.0%提升至85%以上，由內壁缺陷導致的不合格品比例由20.0～30.0%已降至10%以下。