高碳HFW焊管鉤狀裂紋研究

王志鵬，張宏艷，繆成亮，朱騰威，崔 陽

（首鋼技術研究院，北京 100043）

高碳HFW焊管鉤狀裂紋研究

王志鵬，張宏艷，繆成亮，朱騰威，崔 陽

（首鋼技術研究院，北京 100043）

針對高碳HFW焊管缺陷，取樣分析后發現，探傷不合格缺陷形成的原因可分成4類：①50%的缺陷由內生夾雜物導致；②30%的缺陷由連鑄夾渣導致；③13.75%的缺陷由板坯內裂紋導致；④6.25%的缺陷由板坯角部橫裂紋導致。通過優化冶煉工藝提高鋼液潔凈度和優化澆鑄工藝減少板坯缺陷，實現了板坯大型夾雜物的減少、卷渣率的降低和板坯裂紋的減少，從而提高了制管后焊縫超聲波探傷的合格率。

HFW焊管；高碳鋼；超聲波探傷；鉤狀裂紋；潔凈鋼技術；連鑄技術

近年來，對高強度API管道、油氣用管及保護性套管的需求一直在穩步增長。API標準規定，石油套管分為無縫鋼管和焊接鋼管兩種類型。相對于無縫鋼管而言，使用焊接鋼管作為石油套管的最顯著特點[1]是壁厚尺寸精度高、具有高抗擠毀性。同時制造流程短、生產效率高、規格范圍寬，而且節能、生產成本低、產品性價比高。因此，美國、德國、日本、韓國等普遍采用高頻焊接鋼管替代無縫鋼管用作石油套管，國內油田也在逐步推廣使用。

在焊接工藝穩定的情況下，鋼帶質量問題是影響HFW焊管[2]成材率主要原因之一。母材缺陷出現在焊縫附近會形成鉤狀裂紋缺陷[3]，鉤狀裂紋主要發生在API管道的電阻焊接管、油氣用管、保護性套管以及結構管的應用上，這種缺陷大多是通過超聲波探傷法對焊接生產線在線檢驗時發現的。這些裂紋位于焊縫兩側管壁內，形成了典型的鉤狀裂縫。形成這樣的結構是由焊接操作中高壓頂鍛引起的，該高壓促使在高溫下熔化金屬流向自由表面，母材缺陷也隨金屬流變形成彎鉤狀。

1 成分設計和板卷性能

為滿足強度和后期熱處理鋼管升級要求，首鋼某廠生產的套管卷板采取C和Mn作為主要強化元素，Nb+V+Ti作為次要強化元素，為滿足焊接和表面質量需要采取低Si成分體系，為提高淬透性和組織均勻性加入一定量的Cr，具體成分見表1，卷板力學性能見表2。

表1 卷板成分設計 %

表2 卷板力學性能

2 HFW制管工藝和熱處理工藝

2.1 制管工藝

HFW焊管以其尺寸精度高、壁厚均勻、生產效率高、抗壓性能和綜合力學性能好以及射孔不裂等優點目前在石油、天然氣、礦漿輸送等方面已大量應用。其制管工藝流程為鋼帶拆卷→矯平→剪切對焊→活套儲料→焊管成型→高頻感應焊接→去內外毛刺→冷卻→定徑矯直→切斷→對接管截切→水壓試驗→焊縫檢測→成品檢驗→噴標→入庫[4]。

2.2 熱處理升級

深井、超深井和由于地層條件復雜對套管性能要求苛刻，高碳HFW焊管熱處理后升級[5]可以滿足該類要求。其所要求的管材需具有較高的抗拉強度及連接強度、優異的抗擠毀性能及密封性能。管坯母材組織為典型的鐵素體+珠光體組織，而焊縫區域由于焊接熱效應，焊縫中心區域存在明顯的脫碳，組織主要為鐵素體組織，而在熱影響區由于溫度較高出現粗大的魏氏體組織，同時由于焊接過程冷卻水對焊接區的影響，出現了馬氏體和貝氏體等組織。

調質熱處理是實現用焊管生產高鋼級石油套管和油管的關鍵。焊管經過調質熱處理后，材料組織發生變化，其強度和韌性等力學性能提高，達到了標準要求的高鋼級性能。調質熱處理工藝流程為：鋼管經過淬火加熱爐—水淬裝置—回火加熱爐完成鋼管的調質熱處理。隨著淬火溫度的提高，調質后的鋼管屈服強度、抗拉強度、延伸率及沖擊功值均逐漸升高。鋼管淬火后通過輥道進入到回火爐內，通過高溫回火，鋼中的殘余奧氏體可進一步轉化為力學性能較好的回火索氏體，使鋼管的綜合力學性能提高。經調質處理后的鋼管進入套管和油管加工線，進行管端探傷、管端車絲、接箍擰接、水壓試驗、離線焊縫探傷、測長、秤重、噴印、涂油等工序，成為合格的石油套管和油管產品。

熱處理過程為淬水+回火工藝，快速加熱使得組織奧氏體化后淬水，獲得細小的原奧氏體晶粒+板條組織，再快速加熱中溫回火，再空冷，獲得較高的強度和較好的抗擠毀性能，工藝的差異可以升級到不同級別的產品。

3 超聲波探傷結果

用戶制管過程中發現鋼管超聲波探傷[6]不合格的缺陷均為偶發缺陷，整根鋼管均只有1～2處出現超聲波探傷不合格，超聲波探傷過程中未發現10 mm以上的連續缺陷出現，鋼卷中部和邊部分卷制管的缺陷均有發生，缺陷大多位于焊接熱影響區內。缺陷比例按缺陷鋼管質量占供貨量比例計算結果見表3，不分條鋼管的超聲波探傷不合格比例為2.85%，分兩條的鋼管超聲波探傷不合格比例為3.23%，分三條的鋼管超聲波探傷不合格比例為6.77%，結合供貨比例折算后，綜合缺陷比例為4.96%。

4 缺陷特征分析

將鋼管超聲波探傷不合格處沿橫斷面切下來，拋光后經硝酸乙醇腐蝕液腐蝕后在光學顯微鏡下觀察焊接熔合區的顯微組織結構。如果找到夾雜物，在掃描電子顯微鏡下觀察，利用能譜儀對夾雜物進行定性和定量分析。統計分析了數十個缺陷樣品，形成缺陷的原因分成4類：內生夾雜物50%、連鑄夾渣30%、板坯內裂紋13.75%和板坯外裂紋6.25%，各類缺陷占缺陷總數的比例見表4。裂紋內含有鋁酸鈣類型夾雜物為內生夾雜造成缺陷，裂紋內含有F和Na夾雜或MgO顆粒為連鑄夾渣造成缺陷，裂紋內無夾雜、兩側基體無氧化質點為連鑄板坯內裂紋缺陷，裂紋內無夾雜物、周圍基體有氧化質點為板坯暴漏在外的裂紋造成缺陷。

表4 SEM分析超聲波探傷不合缺陷原因及比例

4.1 內生夾雜物型

缺陷一：裂紋距離焊接熔合線580μm，裂紋閉合，截面長度250μm，裂紋距離表面55μm，能譜分析裂紋內存在大量MgO－Al2O3－CaO復合的非金屬夾雜物，屬于煉鋼內生夾雜物殘留。內生夾雜物型鉤狀裂紋缺陷一如圖2所示。

缺陷二：裂紋距離焊接熔合線690μm，裂紋閉合，距離表面152μm，裂紋截面長度210μm，能譜分析裂紋內存在大量MgO－Al2O3－CaO復合夾雜物，屬于煉鋼內生復合非金屬夾雜物殘留。內生夾雜物型鉤狀裂紋缺陷二如圖3所示。

鎂鋁尖晶石和鋁酸鈣是典型的鋼中內生夾雜物，鋁脫氧過程生成高熔點的氧化鋁和少量鎂鋁尖晶石夾雜物，在精煉過程渣洗作用和鈣處理作用下氧化鋁轉變為低熔點的鈣鋁酸鹽。低熔點的鈣鋁酸鹽在精煉溫度下呈液體，相互膨脹過程可以形成較大的球形夾雜物，熱軋過程破碎變形，若出現在焊接邊部就會形成鉤狀裂紋。

圖2 內生夾雜物型鉤狀裂紋（缺陷一）

圖3 內生夾雜物型鉤狀裂紋（缺陷二）

4.2 夾渣型

缺陷一：焊縫超聲波探傷不合格，制樣后在距離管體表面0.3mm處發現長度近3mm的夾雜物，該超大夾雜物貫穿焊接熔合線，大型夾雜物原屬于左側基體，鋼板被熔化、擠壓后夾雜物被擠入另外一側基體內。能譜分析超大夾雜物為含F和Na的保護渣。夾渣型鉤狀裂紋缺陷一如圖4所示。

缺陷二：裂紋開口，裂紋開口處對應的管內壁可見線狀裂紋，裂紋距焊接熔合線0.77 mm，截面長度1.66 mm。能譜分析裂紋內殘留少量MgO顆粒，裂紋尖端存在較多MgO夾雜和少量Al2O3夾雜。裂紋兩側基體未發現氧化質點。夾渣型鉤狀裂紋缺陷二如圖5所示。

圖4 夾渣型鉤狀裂紋（缺陷一）

圖5 夾渣型鉤狀裂紋（缺陷二）

含Mg，Al和Ca的氧化夾雜物同時包含F，Na和Si的成分，屬于典型的連鑄結晶器保護渣成分，結晶器液面的液體保護渣被卷入鋼中未能上浮最終保留在鑄坯內，熱軋后如果出現在焊接邊部就會形成鉤狀裂紋缺陷。

4.3 板坯內裂紋型

缺陷為氬氣泡或板坯內裂紋型。裂紋貫通至外表面開口，處于熱影響區內，長度425μm，能譜分析后未發現裂紋內存在非金屬夾雜物，裂紋兩側基體組織未發現脫碳層和氧化質點，而且兩側基體組織沒有明顯的差異。板坯內裂紋型鉤狀裂紋缺陷如圖6所示。

圖6 板壞內裂紋型鉤狀裂紋缺陷

板坯在凝固過程中如果形成內裂紋，且裂紋又靠近凝固末端，在開裂處會填充溶解物。高澆鑄速度會導致殼層更薄，這會在高靜壓下若產生較大鼓肚，更易產生再填充裂紋。這種裂紋會在鋼管熱處理后爆發，SEM能譜分析裂紋不會發現典型夾雜物、氧化質點或脫碳層。

4.4 板坯角部橫裂紋型

缺陷距表面深度281μm，翹皮長度689μm，能譜分析裂紋尖端存在較大Cr和Mn的氧化物，未發現非金屬夾雜物，裂紋末端兩側基體內有大量氧化質點存在，裂紋應來自鑄坯裂紋，在加熱爐被氧化，熱軋后形成鉤狀裂紋造成探傷不合。

板坯的角部橫裂紋在加熱爐內被加熱過程中裂紋兩側基體的C被氧化減少、Si和Mn等元素被氧化形成氧化圓點，該類裂紋在熱軋過程不能被軋合，而且較隱蔽在熱軋板表檢時未被發現，保留到焊縫附近在焊接熱量的作用下形成鉤狀裂紋缺陷。板坯角裂紋型鉤狀裂紋缺陷如圖7所示。

圖7 板坯角裂紋型鉤狀裂紋缺陷

4.5 結果討論

HFW焊管熱影響區鉤狀裂紋處的金相和電鏡分析結果顯示，鉤狀裂紋缺陷主要由母材缺陷引起。母材缺陷包括內生夾雜物超標、夾渣和裂紋。熱態金屬受強烈擠壓使其中原有的縱向分布的顆粒狀夾雜（渣）物向外彎曲過大而造成的開裂現象[7]。從微觀角度分析裂紋產生的內在原因，是由于非金屬夾雜物的韌性和變形能力相對金屬較差，在金屬內部呈現不連續狀態，在焊接擠壓力的作用下，夾雜層內部分離而產生裂紋。同時，由于夾雜物的膨脹系數與鋼基體不同，在加熱或冷卻過程中夾雜物周圍產生嵌鑲應力，夾雜物周圍（4倍直徑范圍）為受夾雜物嵌鑲應力影響區域，夾雜物數量多、尺寸大、嵌鑲應力場會疊加。不同種類夾雜物膨脹系數也不一致，在冷卻過程中與鋼基體產生鑲嵌應力不同，更促使開裂的形成。

由超聲波檢測到的鉤狀裂紋的產生通常與鋼材的純凈度有關[8]。具有代表性的是：對于弧形結晶器，為了減少水口堵塞，向中間包水口頂部或者浸入式水口中部狹縫里以混合流形式吹入氬氣。利用雙側孔水口進行澆鑄，氬氣泡隨著鋼液流股沖擊到結晶器深處。大多數的氬氣泡可以上浮到液面并去除，然而少部分氣泡被結晶器內鑄坯的凝固前沿捕獲。由掃描電鏡發現的夾雜物主要是鋁酸鈣，屬于煉鋼過程夾雜物，與氬氣泡有關的夾雜物出現在管材的厚度1/4左右的部分，集中在對應板坯內弧側。

文獻[9]研究結果表明，大部分夾雜物造成的鉤狀裂紋與鋼包更換過程有關。在鋼包更換過程中，中間包液位會下降，新鋼包開澆后，操作工會打開全部滑板以最大鋼液流速盡可能快地充滿中間包。中間包的低容量和整包鋼液的高靜壓力鋼液流會造成渣/鋼液劇烈混合，中間包熔渣與鋼液混合進入結晶器沒有充分上浮去除。標準的鋼包更換操作要求在更換鋼包后采取穩定的低中間包填充速率，盡量保持中間包內鋼/渣液面穩定。

大部分的結晶器卷渣是由結晶器內部的偏流造成的，往往發生卷渣的板坯澆鑄過程結晶器液面波動并不大。浸入式的設計、浸入深度、氬氣流動速率以及結晶器液面控制完全是以穩態澆鑄為基礎的，當發生嚴重的水口堵塞、水口侵蝕和塞棒侵蝕時，結晶器內的偏差流動會增加結晶器卷渣的機率。

鑄機輥縫間距如果超過標準偏差，凝固前沿上過大的張力會造成板坯內開裂，開裂處會形成豐富的溶解物。高澆鑄速度會導致殼層更薄，這會在高靜壓下產生較大鼓肚，從而產生再填充裂紋。這種裂紋會在鋼管熱處理后爆發，SEM能譜分析裂紋未發現典型夾雜物、氧化質點或脫碳層。

板坯角橫裂[10]起源于結晶器內部，當角部溫度降到750～900℃時，Nb和V會形成析出物，鐵素體膜在奧氏體晶界上形成，板坯處于低塑性區，在彎曲或矯直的外力作用下裂紋進一步擴展。改善橫向角裂的措施包括二冷卻技術的改進、鑄機校準、二冷水質量、流動控制、水口狀況以及水口對中等措施。

5 改進措施和效果

5.1 改進措施

（1）轉爐出鋼口配備擋渣滑板和AMPA下渣檢測系統，出鋼前關閉滑板避免高氧化性轉爐前渣進入鋼包，出鋼末期AMPA檢測下渣報警后立即關閉滑板避免高氧化性轉爐末期渣進入鋼包。出鋼過程隨鋼流加入石灰和螢石增強鋼包頂渣的流動性。

（2）LF爐精煉結束后增加RH精煉，RH精煉純循環時間大于6min。優化Ca處理工藝，根據精煉結束的S含量確定Ca處理量，確保成品Ca/S值為1～2，通過降低過剩Ca實現夾雜物中CaO含量的降低。在渣的流動性得到改善的基礎上，降低Ca處理后的軟吹流量，確保軟吹時間大于10min，促進較大夾雜物的充分上浮去除。

（3）標準的鋼包更換操作要求在更換鋼包后采取穩定的低中間包填充速率，盡量保持中間包內鋼/渣液面穩定。開澆前中間包內充滿氬氣進行保護。在中間包內加湍流抑制器和擋墻，減小鋼液注入時形成的湍流，增加鋼液在中間包內的停留時間，促使夾雜物有充分時間上浮。采用高堿度的中間包覆蓋劑，開澆爐次加入一半覆蓋劑，以后每更換鋼包后補充一定量覆蓋劑，避免滲透空氣進入中間包造成鋼液二次氧化。鋼包出鋼口安裝AMPA下渣檢測系統，鋼液流中帶渣超過10%時出鋼口滑板自動關閉，減少攜帶到中間包里的鋼包渣量。除此以外，采取鑄機自動氬氣流量控制系統，根據澆鑄速率調整水口入口的氬氣流量。采用結晶器保護渣自動喂入技術。

（4）利用輥縫儀對鑄機扇形段每一部分的輥縫進行檢查校準，確保輥縫間距在公差范圍內。二次冷卻對中間裂紋的形成也起著很重要的作用。漸增的二次冷卻強度會使鑄坯形成更厚的坯殼，由此會減少內部裂紋。使板坯在矯直段角部溫度達到900℃以上，避開低溫脆性區域，定期系統地檢修鑄機、定期監測二冷水質量能很好的確保鑄機正常生產的條件，減少角部橫裂紋的發生率。

5.2 改進效果

煉鋼和連鑄工藝改進后不分條鋼管的超聲波探傷不合格比例降低至0.74%，分兩條的鋼管超聲波探傷不合格比例為1.31%，分三條的鋼管超聲波探傷不合格比例為2.16%，結合供貨比例折算后，綜合缺陷比例降到1.68%。

6 結 論

（1）高碳J55制管過程中熱軋卷分條數以1至3條為主，隨著分條數量的增多，鋼管探傷不合格比例增大，探傷不合格鋼管總體比例達到4.96%。

（2）經取樣分析，導致缺陷形成的原因可分成4類：50%缺陷由內生夾雜物導致、30%缺陷由連鑄夾渣導致、13.75%缺陷由板坯內裂紋導致，6.25%缺陷由板坯角部橫裂紋導致。

（3）通過轉爐出鋼擋渣、鋼包渣改質、增加RH精煉、優化LF精煉鈣處理和軟吹工藝等措施提高鋼液潔凈度，通過標準化鋼包換包操作、加強連鑄設備維護、穩定氬氣控制等措施減少板坯缺陷。

（4）煉鋼和連鑄工藝改進后，制管后鋼管探傷不合格比例降至1.68%。

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Study on Hooked Cracks of High Carbon HFW Pipe

WANG Zhipeng,ZHANG Hongyan,MIAO Chengliang,ZHU Tengwei,CUIYang
（Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043,China)

In view ofhigh carbon HFW pipewelding defects,sampling analysis found that the reasons for defect formation can be divided into fourcategories：① 50%defectscaused by endogenousinclusions；② 30%defectscaused by the continuouscasting slag;③13.75%defectscaused by internalcracksofslab；④6.25%defectscaused by the transverse corner cracksofslab.By optimizing the smelting process to improve the cleanlinessof liquid steeland optimizing the casting process to reduce defects in the slab,large inclusions reducing,casting slag decreasing,slab transverse cornercracks reducing,pipeultrasonic inspection pass rate is raised.

HFW pipe;high carbon steel； ultrasonic testing;hooked cracks;clean steel technology;continuous casting technology

TG441.4

B

1001－3938（2015）11-0056-06

王志鵬（1983—），工程師，主要從事管線鋼煉鋼和熱軋工藝研究。

2015－08－26

李紅麗