熱軋無縫鋼管淬火裂紋的識別與預防

高 展，郭金寶

（1. 寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業部，上海 201900；

2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院（技術中心），上海 201900）

熱軋無縫鋼管的主要工藝流程包括管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑、管端加厚和調質處理等，工藝流程復雜，其在軋制和熱處理過程中均可能在鋼管表面產生裂紋缺陷。熱處理過程中產生的淬火裂紋由于深度較深，具有較大的危害性。在API Spec 5CT—2011《套管和油管規范》標準中，對淬火裂紋的處置與軋制裂紋處置完全不同：對于軋制裂紋，允許采用修磨的方法將裂紋去除，而對于淬火裂紋，則不能采用修磨的方法進行挽救，只能將裂紋切除。故有效區分淬火裂紋與軋制裂紋，分析裂紋產生原因并進行預防控制，對鋼管生產具有重要意義。

1 鋼管淬火裂紋與軋制裂紋的區別

淬火裂紋是指鋼管在熱處理的淬火過程中，由于快速的冷卻而在材料中產生較大的熱應力和組織應力，當應力大于材料本身的強度極限時，在鋼管表面產生的裂紋缺陷［1-3］。鋼管淬火裂紋在宏觀上并無一定規律，可以是縱向、橫向或斜向，一般更易在鋼管表面的細小缺陷處（如軋制裂紋）、截面突變處（如加厚過渡帶）等位置上產生。鋼管軋制裂紋是指管坯表面缺陷在后續軋制過程中擴展所形成的裂紋或軋制過程中由變形工具所引起的裂紋［4-8］。從裂紋的宏觀形貌上難以準確區分淬火裂紋和軋制裂紋，必須通過金相分析進行識別。鋼管的淬火裂紋在顯微鏡下主要具有以下特征：

（1） 淬火裂紋近似垂直于表面，具有一定深度，一般∧1 mm。軋制裂紋則大多與表面存在一定角度，深度范圍較寬，0.1～3.0 mm。

（2） 淬火裂紋兩側沒有明顯脫碳現象，有輕微氧化。鋼管在淬火冷卻過程中，當馬氏體轉變量達到一定程度時，出現較大組織應力從而導致裂紋產生，此時溫度在250 ℃以下，裂紋兩側不會產生明顯的脫碳，在隨后的回火過程產生輕微氧化（回火溫度在500～700 ℃，不會產生明顯脫碳現象）。軋制裂紋兩側存在明顯氧化脫碳現象。

（3） 淬火裂紋一般細長而彎曲，沿晶界前進，裂紋端部較為尖銳，在主裂紋邊上常有分枝的小裂紋。

（4） 軋制裂紋在熱處理過程中可能誘發淬火裂紋，故淬火裂紋可能在軋制裂紋上產生和擴展，此時的顯微特征則表現為混合特征。

2 鋼管軋制裂紋案例分析

圖1 所示為1 號鋼管軋制裂紋的微觀形貌。該鋼管工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和在線?；?，未進行調質處理。從圖1 可以看出，裂紋深度為0.15 mm，其中坑的深度為0.06 mm，在坑的底部有一長度為0.09 mm 的充滿了氧化物的細裂紋。在塊狀氧化物周圍，有密集的鏈狀氧化物，經檢測為Mn、Si 氧化物，這種形態的氧化物是在二次氧化中產生的。該缺陷深度很淺，可以判斷并非管坯缺陷在軋制過程中擴展產生。根據缺陷形貌可知，該缺陷為軋制過程中產生的折疊缺陷，并在二次加熱過程中形成鏈狀二次氧化物，不是淬火裂紋。

圖1 1 號鋼管軋制裂紋的微觀形貌

圖2 所示為2 號鋼管軋制裂紋的微觀形貌。該鋼管工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和調質處理。裂紋宏觀上長度為300～2 000 mm。從圖2 可以看出，裂紋與鋼管表面呈一定角度，在裂紋的兩側有鏈狀氧化物，裂紋發生了很大扭曲變形，主裂紋和鏈狀氧化物兩側發生了嚴重的脫碳現象。該裂紋的產生原因為管坯外表面存在原始缺陷，在管坯高溫加熱和斜向軋制過程中，裂紋被拉長和扭轉，并產生嚴重的脫碳現象［9］，不是淬火裂紋。

圖2 2 號鋼管斜向軋制裂紋的微觀形貌

3 鋼管淬火裂紋案例分析

圖3 所示為3 號鋼管表面裂紋上半部分的微觀形貌，圖4 所示為3 號鋼管表面裂紋下半部分的微觀形貌。該鋼管的w（C）為0.33%，w（Mn）為1.80%，工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑和調質處理（水淬）。

3 號鋼管裂紋的上半部分和下半部分特征明顯不同。從圖3 可以看出，上半部分裂紋與表面呈一定角度，裂紋周圍存在明顯脫碳，裂紋開口較大，裂紋較粗，與2 號鋼管表面裂紋特征類似。上半部分裂紋的產生原因為管坯表面存在的原始缺陷在后續軋制過程中發生拉長和扭轉，為軋制裂紋。從圖4 可以看出，下半部分裂紋為細長型，沿著晶界向前延伸，裂紋周圍無氧化脫碳現象，裂紋端部較尖銳，表現為淬火裂紋特征。下半部分裂紋產生原因為淬火過程中在軋制裂紋處發生應力集中而開裂。

圖3 3 號鋼管裂紋上半部的微觀形貌

圖4 3 號鋼管裂紋下半部的微觀形貌

圖5 所示為4 號試樣進行熱處理試驗后出現裂紋的宏觀形貌。4 號試樣的w（C）為0.40%，w（Mn）為1.70%，w（Mo）為0.20%；工藝流程為管坯加熱、穿孔、連軋、荒管二次加熱、張力減徑、截取試樣，試樣第1 次水淬（1 000 ℃）、試樣第2 次水淬（1 000 ℃）和回火。試樣第1 次淬火后宏觀上未發現裂紋，未經過回火第2 次淬火后，試樣表面出現網狀裂紋。

圖5 4 號試樣淬火裂紋的宏觀形貌

圖6 所示為4 號試樣裂紋的微觀形貌。從圖6中可以看出，裂紋分為兩段，裂紋的上半部分周圍存在氧化和脫碳現象，下半部分裂紋的周圍則沒有明顯的脫碳現象。與3 號鋼管裂紋形貌不同的是，4 號鋼管上半部分裂紋基本垂直于表面。結合試樣的兩次淬火工藝，可以判斷裂紋的上半部分是在第1 次淬火過程中產生，在隨后的第2 次的奧氏體化過程中發生了氧化和脫碳；裂紋的下半部分是在第2 次的淬火過程中，在原有淬火裂紋的基礎上進行了擴展。第1 次形成的淬火裂紋末端較為尖銳，容易成為應力集中點，故在第2 次淬火過程中再次發生開裂，4 號試樣裂紋兩段均為淬火裂紋。

圖6 4 號試樣淬火裂紋的微觀形貌

4 鋼管淬火裂紋的控制和預防

淬火裂紋的產生主要是由于淬火過程中的應力過大所致，而淬火過程中的應力主要是由鋼管內壁和外壁的冷卻速度不一致所致。淬火過程中的應力主要有兩種，分別是熱應力和組織應力［10-15］。熱應力在鋼管表面產生壓應力，組織應力會在鋼管表面產生拉應力。由于鋼管的水淬工藝一般為外淋內噴式，即鋼管的外表面和內表面同時冷卻。在熱應力和組織應力的綜合作用下，將在表面層形成壓應力，在次表層形成拉應力，在鋼管壁厚中心處形成壓應力［1］。次表層拉應力距離表面越近，越容易產生淬火裂紋。根據以上分析，要避免鋼管在淬火過程中產生淬火裂紋，主要控制措施有：

（1） 控制材料中C、Mn 等合金元素含量。鋼中C 含量增加時，熱應力影響變弱，組織應力影響變強，使得拉應力極大值向表面靠近，增加開裂傾向。對淬裂傾向影響最大的是C，其次是Mn，之后是Cr、V 和Mo 等合金元素。此外，由于Mn含量過高還會導致偏析加重和MnS 夾雜增多，故Mn 含量對淬火裂紋的影響要大于其在傳統C 當量公式中的比重。

（2） 合理地選擇淬火介質。采用鋼種1（w（C）與w（Mn）分別為0.33%、1.80%）、鋼種2（w（C）與w（Mn）分別為0.40%、1.70%）和鋼種3（w（C）與w（Mn）分別為0.37%、1.60%）生產的無縫鋼管，使用水淬工藝熱處理后，在鋼管上均發現少量淬火裂紋。因此，對于w（C）＋w（Mn）/3≥0.9%的鋼種，采用水淬工藝存在開裂風險，宜采用油淬工藝。

（3） 控制材料的冷卻速度。對于水淬的鋼管，尤其是C 含量和Mn 含量較高的材料，應控制淬火時的水量，使其冷卻速度略大于臨界冷卻速度。

（4） 控制材料的淬火溫度。降低材料的淬火溫度可以減少淬火時應力，故不應使淬火溫度高出材料的奧氏體化溫度過多，可控制在超出奧氏體化溫度20～30 ℃。

5 結 論

（1） 鋼管上淬火裂紋一般近似垂直于表面，細長而彎曲，裂紋端部較為尖銳，裂紋兩側沒有明顯的脫碳現象，存在輕微的氧化，可起源于淬火前軋制裂紋末端。

（2） 水淬鋼種應嚴格控制C 和Mn 的質量分數，當w（C）＋w（Mn）/3≥0.9%時，采用水淬工藝存在開裂風險，宜采用油淬工藝。

（3） 對于高C、高Mn 鋼種，降低淬火溫度和冷卻速度，有利于防止鋼管淬火裂紋的產生。

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