雙金屬復(fù)合管離心澆鑄缺陷原因探析

高建忠

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點實驗室，西安710077）

雙金屬復(fù)合管離心澆鑄缺陷原因探析

高建忠

（中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點實驗室，西安710077）

為了提高離心澆鑄雙金屬復(fù)合管產(chǎn)品質(zhì)量，采用Φ114.3 mm×(16.0+3.0)mm碳鋼/鎳基雙金屬復(fù)合管管坯為研究對象，針對雙金屬復(fù)合管離心澆鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生的管坯壁厚不均勻、基層裂紋等缺陷，從理化性能、離心澆鑄轉(zhuǎn)速、離心澆鑄溫度等方面進行了分析。分析結(jié)果表明，離心澆鑄轉(zhuǎn)速較低是造成管坯離心澆鑄質(zhì)量問題的主要原因。根據(jù)研究結(jié)果，將離心澆鑄轉(zhuǎn)速由原來的700 r/min提高至900 r/min后再次進行生產(chǎn)，產(chǎn)品理化性能、外觀及幾何尺寸、無損檢測結(jié)果均符合要求。

雙金屬復(fù)合管；壁厚；裂紋；離心澆鑄；澆鑄轉(zhuǎn)速

Abstract:In order to improve the product quality of centrifugal casting double metal composite pipe,taking Φ114.3 mm×（16.0+3.0） mm carbon steel/nickel base double metal composite pipe as the research object,in view of some defects during the production of double metal composite pipe centrifugal casting,such as uneven thickness,cracks at base layer and so on,it analyzed from the physical and chemical properties,centrifugal casting speed,centrifugal casting temperature etc.The results showed that the low centrifugal casting speed was the main reason for the centrifugal casting quality.According to the research results,the centrifugal casting speed was increased from the original 700 r/min to 900 r/min,then again for production,so the product physical and chemical properties,appearance,physical dimension and nondestructive testing results conform to the requirements.

Key words:double metal composite pipe;wall thickness;cracks;centrifugal casting;casting speed

雙金屬復(fù)合管是一種將兩種金屬采用不同方式復(fù)合在一起的新型管材。復(fù)合方式包括爆炸復(fù)合、拉拔復(fù)合、液壓復(fù)合、機械復(fù)合、離心澆鑄復(fù)合等。離心澆鑄復(fù)合是利用鑄型旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使得澆鑄進鑄型的液態(tài)金屬在離心力作用下成型，從而實現(xiàn)金屬的冶金熔合的鑄造方法，復(fù)合而成的雙金屬復(fù)合管性能比單一金屬管性能優(yōu)越很多。離心澆鑄作為雙金屬冶金熔合的重要方式，經(jīng)常出現(xiàn)不同類型的質(zhì)量缺陷。本研究以離心澆鑄工藝生產(chǎn)的Φ114.3 mm×（16.0+3.0）mm雙金屬復(fù)合管管坯為研究對象，對該雙金屬復(fù)合管管坯離心澆鑄工序出現(xiàn)的各種缺陷原因進行了分析，并提出了缺陷控制措施。

1 離心澆鑄復(fù)合管制造工藝

離心澆鑄是制造雙金屬復(fù)合管管坯的一種方式，它能實現(xiàn)兩種不同金屬之間的冶金復(fù)合，其制造的雙金屬復(fù)合管性能優(yōu)異。離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管的理化性能以及表面質(zhì)量等均符合ISO 3183—2007、 API SPEC 5LD—1998 以 及 API SPEC 5LC—1998要求[1-3]。離心澆鑄管坯制造工藝流程如圖1所示。

圖1 離心澆鑄復(fù)合管管坯制造工藝流程

2 離心澆鑄復(fù)合管的制造缺陷

2.1 管坯壁厚不均勻

研究用 Φ114.3 mm×（16.0+3.0）mm 雙金屬復(fù)合管基層為普通碳鋼，襯層為鎳基合金，管坯外徑280 mm，內(nèi)徑146 mm，中徑190 mm，襯層壁厚22 mm，基層壁厚45 mm。管坯離心澆鑄完成后，經(jīng)熱擠壓制成成品規(guī)格。該雙金屬復(fù)合管生產(chǎn)時，管坯內(nèi)徑和外徑均由模具確定，內(nèi)徑、外徑偏差可以忽略不計，因此測量中徑即可反映管坯基層和襯層壁厚情況。取1根雙金屬復(fù)合管截成10段，測量10個截面的中徑及截面橢圓度，測量結(jié)果見表1。從表1可以看出，該管坯中徑值偏下限，截面橢圓度為0.9～10.8 mm，表明壁厚不均勻，而且無規(guī)律性。

表1 管坯中徑及截面橢圓度測量結(jié)果

2.2 管坯基層裂紋

管坯基層經(jīng)離心澆鑄工序后，徑向裂紋經(jīng)常發(fā)生，具體表現(xiàn)為從基層任一位置沿徑向延伸至雙金屬結(jié)合區(qū)結(jié)束，如圖2所示。

圖2 管坯基層裂紋

3 缺陷原因分析及工藝改進

3.1 理化分析

從研究用離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管管坯上分別截取2個試樣，進行了化學成分和金相分析，金相分析包括夾雜物分析和組織分析?；瘜W成分分析結(jié)果見表2，金相分析結(jié)果見表3和圖3。

從表2可以看出，離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管管坯化學成分控制情況良好，符合相關(guān)技術(shù)要求。從表3的管坯夾雜物分析結(jié)果可以看出，基層、襯層和結(jié)合層中A、B、 C、 D各類夾雜物的細系級別和粗系級別均不大于2.0級。由圖3可以看出，離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管結(jié)合層結(jié)合狀況良好，達到了有效的冶金熔合，組織無可見的縮孔、殘余、皮下氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、分層及白點等缺陷。

表2 離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管管坯化學成分

表3 離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管管坯夾雜物評級

圖3 離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管結(jié)合層金相組織

3.2 工藝分析

離心澆鑄工藝流程為：管模清理→預(yù)熱→噴涂料→啟動離心機→先澆鑄基層→后澆鑄襯層→成型→機加工。離心澆鑄工藝參數(shù)主要包括澆鑄轉(zhuǎn)速、澆鑄溫度、入模溫度和溜槽截面等。本研究主要從離心澆鑄轉(zhuǎn)速和澆鑄溫度進行分析。

3.2.1 離心澆鑄轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是離心澆鑄最重要的參數(shù)。離心澆鑄轉(zhuǎn)速的大小直接影響離心澆鑄管坯質(zhì)量，按照相關(guān)文獻[4-6]，如果離心澆鑄轉(zhuǎn)速不符合要求，管坯表面會出現(xiàn)結(jié)疤、氣孔、針孔、折疊、重皮、夾雜和深度超過0.5 mm的裂紋等缺陷。轉(zhuǎn)速過低容易出現(xiàn)裂紋缺陷，轉(zhuǎn)速過高可能出現(xiàn)偏析及震動過大對離心機產(chǎn)生影響。因此，對離心澆鑄轉(zhuǎn)速進行控制顯得尤為重要，相關(guān)離心澆鑄轉(zhuǎn)速公式[7]為

式中：n—離心轉(zhuǎn)速，r/min；

R—鑄件內(nèi)表面半徑，cm；

G—重力系數(shù)。

重力系數(shù)G的范圍為40～70，因此對于內(nèi)徑為146 mm的離心澆鑄管坯，經(jīng)計算可以得到轉(zhuǎn)速范圍為700～958 r/min，而按照實際經(jīng)驗，轉(zhuǎn)速應(yīng)取計算較高值，而本研究所用管坯的離心澆鑄轉(zhuǎn)速為700 r/min，顯然轉(zhuǎn)速過低，離心力不足和成型過程中的較大溫降均易產(chǎn)生裂紋缺陷，因此，應(yīng)適當提高轉(zhuǎn)速。

3.2.2 澆鑄溫度

澆鑄溫度也是離心澆鑄工藝重要參數(shù)之一。一般來說，離心澆鑄的澆注溫度比重力澆鑄低5～10℃，而對于金屬型離心澆鑄，較高的澆鑄溫度會使冷卻速度減慢而產(chǎn)生偏析缺陷，較低的澆鑄溫度又容易造成冷隔，難以保證成型質(zhì)量[8-10]。因此，需嚴格控制離心澆鑄溫度，一般來說對于碳鋼/鎳基雙金屬復(fù)合管管坯離心澆鑄溫度為1 360～1 420℃。本研究所用管坯生產(chǎn)時澆鑄溫度為1 400℃，滿足此要求。

4 改進后質(zhì)量驗證

按照上述分析結(jié)果，僅將雙金屬復(fù)合管離心澆鑄工藝中的離心澆鑄轉(zhuǎn)速從原先的700 r/min重新設(shè)定為900 r/min，其余參數(shù)不變，重新進行離心澆鑄生產(chǎn)。采用改進工藝生產(chǎn)的20只管坯經(jīng)理化檢驗、外觀幾何尺寸檢查均符合要求，對該20只管坯進行后續(xù)的熱擠壓、冷軋等工序，生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合管理化性能、外觀及幾何尺寸、無損檢測結(jié)果均符合要求。

5 結(jié) 論

（1） 研究用 Φ114.3 mm×（16.0+3.0）mm 離心澆鑄雙金屬復(fù)合管管坯中徑值偏下限，截面橢圓度為0.9～10.8 mm，壁厚不均勻，而且無規(guī)律性。

（2）碳鋼/鎳基雙金屬復(fù)合管基層澆鑄工序后易出現(xiàn)徑向裂紋。

（3）從離心澆鑄管坯理化試驗、澆鑄工藝等方面對離心澆鑄存在的壁厚不均勻、裂紋等缺陷原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)離心澆鑄轉(zhuǎn)速較低是造成此次離心澆鑄質(zhì)量問題的主要原因，將澆鑄轉(zhuǎn)速提高至900 r/min后再次生產(chǎn)的管坯質(zhì)量符合要求。

[1]ISO 3183—2007，石油和天然氣工業(yè)：管道運輸系統(tǒng)用鋼管[S].

[2]API SPEC 5LC—1998，耐蝕合金管線管規(guī)范[S].

[3]API SPEC 5LD—1998，采用耐蝕合金內(nèi)覆或襯里的復(fù)合鋼管規(guī)范[S].

[4]武宏，原思聰，許云華.長流槽離心澆鑄雙金屬復(fù)合管[J].鑄造，2008，57（8）：847-848.

[5]張偉,許云華,劉偉濤.雙頭離心澆鑄雙金屬復(fù)合管工藝研究[J].熱加工工藝,2007,36（21）:41-42.

[6]郭明海,蔡玉麗,孫紅波,等.離心鑄造碳鋼-高鉻鑄鐵雙金屬復(fù)合管工藝初探[J].鋼管,2008,37（1）:38-41.

[7]張伯明.離心澆鑄[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：52-55.

[8]徐暢,胡建華,吳軒,等.雙金屬復(fù)合管離心鑄造過程溫度場的研究[J].特種鑄造及有色合金,2016,36（5）:517-520.

[9]李崗.雙金屬復(fù)合管離心鑄造凝固過程溫度場數(shù)值模擬[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[10]徐耀增,杜振拴,宋緒丁.離心鑄造凝固過程的流場和溫度場數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2012,41（21）:40-43.

Reason of Centrifugal Casting Defects of Double Metal Composite Pipe

GAO Jianzhong
（Key Laboratory of Petroleum Pipe Engineering,CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.008

2017-03-15

編輯：黃蔚莉

高建忠（1970—），男，河北省唐山市人，博士，高級工程師，目前主要從事管材研究與科研管理工作。