12Mn輸油管線無縫鋼管表面微裂紋成因分析

王朝陽，劉 偉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

12 Mn無縫鋼管因其優(yōu)良的焊接性能和力學(xué)性能，較好的強(qiáng)度、韌性、焊接性及加工性，主要作為石油輸油管來使用。12 Mn無縫鋼管在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，在調(diào)質(zhì)處理過程中，尤其是淬火后無縫鋼管容易出現(xiàn)微裂紋，在其使用過程中嚴(yán)重縮短其使用壽命，同時(shí)會造成輸油管道的損壞。由于12 Mn無縫鋼管中的微裂紋不容易被肉眼檢查出來，為滿足客戶的要求，在12 Mn無縫鋼管的探傷工序中設(shè)定了嚴(yán)格的探傷條件，造成品鋼管的判廢率明顯增加。因此，對無縫鋼管探傷缺陷進(jìn)行分析并找出導(dǎo)致該缺陷產(chǎn)生的具體環(huán)節(jié)，制定相應(yīng)的解決措施，對提高12 Mn無縫鋼管的合格率具有重要意義[1-6]。

本文中生產(chǎn)12 Mn無縫鋼管制造工藝為：連鑄圓坯→環(huán)形爐加熱→穿管→軋制→減定徑→精整→漏磁探傷→調(diào)質(zhì)處理→超聲波探傷→驗(yàn)收→入庫。本文主要研究斷面為Φ 210 mm的12 Mn連鑄圓坯軋成規(guī)格為Φ168.3 mm×10.97 mm×12 m的輸油管線用管，在調(diào)質(zhì)后的超聲波探傷過程中發(fā)現(xiàn)該批無縫管外表面存在多處微細(xì)裂紋導(dǎo)致判廢的問題。結(jié)合本批次12 Mn連鑄圓管坯的實(shí)際生產(chǎn)情況，對12 Mn連鑄圓管坯和無縫鋼管超聲波探傷后不合格的缺陷管進(jìn)行取樣，通過鑄坯低倍分析、鋼管缺陷處的金相組織分析、掃描電鏡和能譜分析等方法，對12 Mn連鑄圓管坯和無縫鋼管外表面的微裂紋缺陷進(jìn)行了細(xì)致的分析和研究，找到了鋼管表面微裂紋缺陷的產(chǎn)生原因，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決辦法，有效地控制了該類缺陷的產(chǎn)生。

1 鋼管微裂紋宏觀形貌

本文首先對調(diào)質(zhì)處理后超聲波探傷不合格的鋼管進(jìn)行取樣分析，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)在鋼管的外表面存在類似魚鱗狀的微裂紋，長度約5 mm，深度約幾十微米，肉眼較難發(fā)現(xiàn)。微裂紋的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 無縫鋼管外表面微裂紋形貌

2 檢測與分析

2.1 鋼管化學(xué)成分分析

取12 Mn超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的有微裂紋的無縫鋼管試樣，進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，結(jié)果如表1所示。通過表1可以看出，該鋼管的化學(xué)成分滿足12 Mn輸油管線鋼的技術(shù)要求。

同時(shí)，對帶有微裂紋的鋼管取樣進(jìn)行N、H、O氣體含量分析，結(jié)果表明氣體含量均在技術(shù)要求的規(guī)定范圍內(nèi)：N 為 40×10-6、O 為 16×10-6、H 為1.8×10-6。

2.2 鋼管表面微裂紋缺陷分析

對超聲波探傷不合格的12Mn鋼管裂紋部位進(jìn)行取樣，將試樣制備成金相樣，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，裂紋缺陷以一定的角度向基本內(nèi)部伸展，其長度接近700；在裂紋的末端可以清晰地看到大量的氧化圓點(diǎn)，如圖2（a）所示。在裂紋的兩側(cè)具有明顯的脫碳情況，如圖 2（b）所示。通過對圖 2（a）中裂紋末端的氧化圓點(diǎn)能譜分析，其主要成分為O、Si、Mn、C、Fe等元素，如圖 2（c）所示。有關(guān)文獻(xiàn)[6]說明這種氧化圓點(diǎn)并不是鋼中固有的夾雜物，而鋼管缺陷在一定的溫度條件下先受到空氣中氧原子的氧化，形成一定厚度的脫碳層后，氧原子進(jìn)而穿過脫碳層將Si、Mn元素進(jìn)行氧化，從而形成氧化圓點(diǎn)。

通過圖2可以看出，鋼管的微裂紋處兩側(cè)存在明顯的脫碳和裂紋末端存在氧化圓點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，裂紋末端形成氧化圓點(diǎn)形成要滿足以下條件：首先裂紋要暴露于空氣中，其次需要加熱到1 000℃以上，并且保溫30 min以上。在高溫條件下鑄坯表面裂紋兩邊的C原子由基體內(nèi)部向外擴(kuò)散，與外界空氣中的O原子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO或CO2氣體而脫離鑄坯，因此造成裂紋兩側(cè)形成較薄脫碳層。空氣中O原子繼續(xù)穿過脫碳層向基體內(nèi)部擴(kuò)散，鋼基體中與O原子親和力較強(qiáng)的元素如Si、Mn將被氧化，富集Si、Mn的氧化圓點(diǎn)。

表1 12 Mn鋼化學(xué)成分/wt%

圖2 微裂紋金相及組織形貌

12 Mn鋼管調(diào)質(zhì)工藝為將鋼管放入加熱爐中加熱到910℃并保溫50 min，然后進(jìn)行淬火處理。根據(jù)調(diào)質(zhì)工藝的生產(chǎn)條件和氧化圓點(diǎn)的形成條件，可以斷定鋼管表面的微裂紋不是在調(diào)質(zhì)處理過程中形成的。通過仔細(xì)分析12 Mn鋼管生產(chǎn)工藝，連鑄圓坯在穿管前需要在加熱爐中加熱，其加熱制度為加熱到1 000℃并保溫60 min，因此在連鑄坯進(jìn)行穿管過程中由于連鑄坯存在缺陷，會導(dǎo)致鋼管微裂紋處形成脫碳和氧化圓點(diǎn)。這樣可以確定是由于連鑄坯存在缺陷，進(jìn)而在管鋼生產(chǎn)過程中導(dǎo)致鋼管表面形成微裂紋。

3 連鑄坯缺陷分析

3.1 鑄坯低倍分析

根據(jù)上述分析，導(dǎo)致鋼管表面形成微裂紋的主要原因?yàn)檫B鑄坯上存在缺陷。為了找出鑄坯中的缺陷種類，在與探傷不合格鋼管同批次未軋制的連鑄坯中截取大量的低倍試樣，浸泡在70~80℃的熱鹽酸中30 min后，除去鑄坯表面氧化層和其他附著物，將浸泡后的低倍取出并用吹風(fēng)機(jī)吹干表面，檢驗(yàn)連鑄坯表面情況。鑄坯表面沿拉坯方向有一道明顯的凹陷，在凹陷的底部存在非常細(xì)小的裂紋，如圖3（a）所示；用100倍的放大鏡觀察凹陷底部細(xì)小的裂紋，有的呈無規(guī)則的開放式的星狀裂紋，如圖3（b）所示，有的呈現(xiàn)直線狀裂紋，如圖 3（c）、圖 3（d）所示。裂紋的走向無明顯的規(guī)則。

3.2 鑄坯裂紋金相分析

取鑄坯凹陷底部的裂紋制備成金相試樣進(jìn)行組織分析，如圖4所示。鑄坯凹陷底部的裂紋存在于鑄坯的表面及皮下，裂紋寬度約為100 μm，裂紋深度較深，達(dá)到了 3 227 μm，如圖 4（a）、4（c）所示；從將裂紋放大的金相照片可以看出，裂紋前端呈不連續(xù)狀，裂紋是沿著奧氏體晶界產(chǎn)生，部分跟外表聯(lián)通的線狀裂紋的一邊有0.1~0.2 mm的脫碳，且裂紋附近的晶粒有長大的現(xiàn)象裂紋；裂紋兩側(cè)及根部存在灰色的氧化物，如圖 4（b）、4（d）所示。通過對裂紋根部的灰色氧化物進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，其灰色氧化物的主要成分為Fe、O和C元素，即鐵的金屬氧化物。

鑄坯表面存在凹陷并且凹陷底部存在裂紋，裂紋沿奧氏體一次晶界分布，同時(shí)裂紋側(cè)有脫碳及晶粒長大現(xiàn)象，從這些特征可以證明鑄坯上的表面微裂紋是在結(jié)晶器內(nèi)形成的，即高溫下（約1400℃）坯殼在完成奧氏體轉(zhuǎn)變之前產(chǎn)生的。根據(jù)裂紋形貌特征及最深處灰色夾雜物的電鏡和能譜分析結(jié)果可以看出，鑄坯表面星狀（或曲線型）裂紋產(chǎn)生的主要原因是：12 Mn鋼屬于典型的包晶鋼，鋼液在結(jié)晶器彎月面處發(fā)生凝固時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)，即坯殼由δ相→γ相轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)化率為100%，坯殼產(chǎn)生最大量的線收縮；坯殼的線收縮造成坯殼與結(jié)晶器銅板間產(chǎn)生較大的間隙，導(dǎo)致坯殼生長的不均勻，在坯殼近表面形成粗大的柱狀晶，影響坯殼凝固的均勻性，且在鑄坯粗大的柱狀晶處易形成凹陷；在鋼水凝固過程中發(fā)生單相奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，由于轉(zhuǎn)變溫度較高，晶粒粗大導(dǎo)致鑄坯的韌性較低，坯殼在內(nèi)應(yīng)力、鋼水靜壓力及彎曲受力時(shí)，容易在奧氏體晶界處產(chǎn)生裂紋，隨著鑄坯向下運(yùn)行，尤其在二次冷卻過程中導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[9-11]。

4 改進(jìn)措施及效果

連鑄坯產(chǎn)生表面星狀裂紋的主要有以下兩個(gè)影響因素：連鑄機(jī)的設(shè)備精度和工藝參數(shù)的合理性，因此選擇從這兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 鑄機(jī)設(shè)備精度的檢查及維護(hù)

圖4 鑄坯裂紋組織分析

連鑄機(jī)設(shè)備精度主要從以下幾方面進(jìn)行檢查和維護(hù)：（1）在生產(chǎn)前檢查結(jié)晶器銅管表面磨損狀況是否正常、結(jié)晶器冷卻水流量是否符合工藝要求，結(jié)晶器倒錐度情況；（2）對結(jié)晶器振動進(jìn)行拉鋼模擬測量，檢查結(jié)晶器振動的振幅和偏擺量是否在要求的范圍內(nèi)；（3）檢查連鑄機(jī)二冷噴嘴是否出現(xiàn)堵塞情況；（4）檢查結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)是否存在異常情況。

4.2 連鑄工藝參數(shù)改進(jìn)措施

連鑄工藝參數(shù)改進(jìn)方面采取的措施包括：（1）結(jié)晶器冷卻采用弱冷，一次冷卻水量從1 750 L/min下調(diào)到1 600 L/min，二次冷卻水比水量減小至0.9 L/min；（2）優(yōu)化結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)，電流強(qiáng)度由280 A調(diào)整為360 A，頻率由3 Hz調(diào)整為3.5 Hz；（3）鋼水中間包澆注溫度采取低過熱度澆注，按1 533～1 545℃控制（液相線溫度為1 518℃），拉速由原來的1.4 m/min提高到1.7 m/min；（4）嚴(yán)格控制結(jié)晶器內(nèi)彎月面的波動，液位波動范圍要控制在±2%以內(nèi)；（5）采用低堿度高粘度包晶鋼專用保護(hù)渣，并利用自動加渣機(jī)對保護(hù)渣進(jìn)行預(yù)熱。

通過采用以上的控制措施對工藝進(jìn)行優(yōu)化，連續(xù)對3批次12 Mn（共計(jì)10 000 t）的生產(chǎn)進(jìn)行跟蹤，取大量鑄坯低倍試樣進(jìn)行熱酸浸試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)表面星狀裂紋的存在；從軋制后成品管的超聲波探傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，超聲波探傷的依次合格率在99.2%，未出現(xiàn)由于鑄坯表面裂紋而產(chǎn)生的廢品管。

5 結(jié)論

通過對石油輸送管用12 Mn無縫鋼管在調(diào)質(zhì)處理后出現(xiàn)的外表面微裂紋現(xiàn)象，按照生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)此類缺陷產(chǎn)生的主要原因是該連鑄圓坯表面存在微型星狀裂紋。針對連鑄坯表面星狀裂紋產(chǎn)生原因，通過對相關(guān)連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，連續(xù)生產(chǎn)多個(gè)批次的12 Mn連鑄坯，在鑄坯上未再出現(xiàn)表面星狀裂紋，12 Mn無縫鋼管的超聲波探傷合格率得到的大幅提高，改善效果十分明顯。?