N80Q油管皮下孔洞和表面裂紋產(chǎn)生原因分析

周正平

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000）

在油井管中，一次性應(yīng)用的產(chǎn)品為套管，油管、鉆桿和鉆鋌可以反復(fù)使用，在這三大可以反復(fù)使用的油井管產(chǎn)品中，油管所占的比例最大。油管作為油氣生產(chǎn)的主要通道，除了承受原油中各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕之外，還要在油井中承受各種外力破壞，這也就對(duì)油管的質(zhì)量提出了更高的要求［1-11］。但是，在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過程中，調(diào)質(zhì)態(tài)油管熱處理后產(chǎn)生的缺陷由于經(jīng)歷熱軋環(huán)形爐高溫加熱和熱處理高溫淬火，某些缺陷從微觀和宏觀上難以界定是來(lái)自煉鋼、熱軋工序還是熱處理工序，制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，增加了員工的修磨量和勞動(dòng)強(qiáng)度，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患［12-13］。

國(guó)內(nèi)某無(wú)縫鋼管廠生產(chǎn)的Φ88.90 mm×6.45 mm規(guī)格調(diào)質(zhì)N80Q平端不加厚油管（簡(jiǎn)稱N80Q油管）在探傷過程中發(fā)現(xiàn)批量縱向缺陷，該缺陷均表現(xiàn)為縱向外傷，報(bào)傷位置不固定，整根鋼管上有一處或兩處外傷。現(xiàn)對(duì)該油管的缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

1 鋼管缺陷宏觀特征

N80Q油管縱向缺陷的宏觀形貌如圖1所示，有兩種類型的缺陷，一種是超聲波探測(cè)出有縱向外傷且能觀察到外表面縱向缺陷，另一種是超聲波探測(cè)出來(lái)有傷但觀察不到縱向缺陷。缺陷特征如下：①能直接觀察到的外傷呈不規(guī)則的線狀，與鋼管縱向平行，長(zhǎng)度約60 mm；②直接觀察不到的外傷，用手動(dòng)超聲波探傷時(shí)報(bào)傷較明顯，探傷定位長(zhǎng)度20～30 mm的縱向外傷，用磁粉探傷時(shí)外表面無(wú)顯示，如圖1所示白色油漆筆標(biāo)志位置。

2 鋼管缺陷微觀分析

2.1 金相分析

分別從圖1所示兩種不同形貌的N80Q油管縱向缺陷處取樣，并進(jìn)行金相分析，外表面能觀察到外傷的金相試樣標(biāo)記為1號(hào)試樣，外表面觀察不到缺陷的金相試樣標(biāo)記為2號(hào)試樣，金相照片如圖2~3所示。

（1）1號(hào)試樣上有4條明顯的缺陷：兩條缺陷與外表面貫通；另外兩條缺陷距外表面1~2 mm，與外表面不貫通。

（2）1號(hào)試樣上兩條與外表面貫通的裂紋呈L形，該裂紋頭部與鋼管外表面近似垂直，尾部與鋼管環(huán)向呈一定角度，其尖端較細(xì)，方向不確定，一條深約0.36 mm，另一條深約0.18 mm。兩條缺陷內(nèi)均充滿了灰褐色圓形高溫氧化物，且其兩側(cè)脫碳嚴(yán)重，兩條缺陷兩側(cè)的鐵素體帶內(nèi)有大量高溫氧化質(zhì)點(diǎn)，其中一條缺陷附近存在因缺陷在高溫被軋覆而留下的，內(nèi)含大顆粒高溫氧化質(zhì)點(diǎn)的鐵素體帶。

（3）1號(hào)試樣上兩條與外表面不貫通的缺陷呈長(zhǎng)條狀，一條長(zhǎng)約0.88 mm，另一條長(zhǎng)約1.18 mm。

（4）2號(hào)試樣上有兩個(gè)孔洞狀缺陷：一個(gè)孔洞缺陷在外表面，缺陷周圍無(wú)脫碳；另一個(gè)距離外表面0.6~0.8 mm，其與外表面不貫通，尺寸約為1.47 mm（長(zhǎng)度）×0.49 mm（寬度）。

（5）距離N80Q油管外表面2 mm以內(nèi)，有明顯的網(wǎng)狀鐵素體組織。

圖1 N80Q油管縱向缺陷的宏觀形貌

圖2 N80Q油管1號(hào)試樣金相照片

圖3 N80Q油管2號(hào)試樣金相照片

2.2 掃描電鏡分析

對(duì)1號(hào)試樣裂紋附近鐵素體帶中的高溫氧化質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，高溫氧化質(zhì)點(diǎn)金相照片及能譜分析結(jié)果如圖4所示和見表1。從圖4和表1可以看出：1號(hào)試樣的裂紋附近鐵素體帶中出現(xiàn)氧化物，氧化物主要成分為Mn、Fe、O、Si等元素。

對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行電鏡掃描和能譜分析，N80Q油管2號(hào)試樣孔洞狀缺陷電鏡掃描照片及能譜分析結(jié)果如圖5~6所示和見表2。從圖5~6可以看出：2號(hào)試樣中不與外表面貫通的孔洞狀缺陷含有非金屬夾雜物，夾雜物主要成分為Mn、O、Al、Si、Ca、Mg等合金元素。

3 結(jié)果與討論

綜合上述分析結(jié)果判定，N80Q油管外表面用肉眼可觀察到的縱向外傷是由坯料外表面缺陷（表面網(wǎng)狀裂紋或皮下裂紋）造成的，探傷報(bào)警但肉眼觀察不到的縱向缺陷是由坯料內(nèi)的非金屬夾雜物所致，產(chǎn)生的主要原因如下。

圖4 高溫氧化質(zhì)點(diǎn)金相照片及能譜分析結(jié)果

表1 高溫氧化質(zhì)點(diǎn)能譜分析結(jié)果（譜圖1） %

圖5 N80Q油管2號(hào)試樣孔洞狀缺陷電鏡掃描照片

圖6 N80Q油管孔洞狀缺陷不同位置能譜分析結(jié)果

表2 N80Q油管2號(hào)試樣孔洞狀缺陷能譜分析結(jié)果%

（1）N80Q油管上可直接觀察到的外表面裂紋，其裂紋附近脫碳明顯，且周圍存在大量圓形氧化質(zhì)點(diǎn)。分析認(rèn)為，鋼管加熱溫度過高（800℃以上）或在高溫下停留時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，碳與氧在高溫下形成氣體，從而造成脫碳現(xiàn)象。這些圓形氧化質(zhì)點(diǎn)是裂紋在高溫時(shí)形成的大量的硅（錳）氧化物，一般硅、錳的氧化物形成溫度為950～1 200℃，時(shí)間至少30 min。實(shí)際生產(chǎn)過程中，鑄坯在環(huán)形加熱爐1 200～1 300℃的高溫下加熱2 h左右，如果鑄坯表面存在裂紋、渣溝等缺陷，那么鑄坯缺陷處會(huì)在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化脫碳，而在軋管過程中，裂紋不能被壓合，在各種應(yīng)力作用下，裂紋可能會(huì)擴(kuò)展［14］。

（2）N80Q油管探傷報(bào)警，但直接觀察不到的缺陷內(nèi)存在大型非金屬夾雜物，非金屬夾雜物主要成分為Mn、O、Al、Si、Ca、Mg等合金元素；因此，推斷該非金屬夾雜物是由于轉(zhuǎn)爐出鋼帶渣進(jìn)入鋼包，結(jié)晶器液面波動(dòng)卷渣，或鋼包耐火材料卷入鋼水中形成的。

分析認(rèn)為，轉(zhuǎn)爐出鋼帶渣進(jìn)入鋼包可能造成鋼水二次氧化，轉(zhuǎn)爐渣富含F(xiàn)eO和MnO，這些氧化物同鋼水中的溶解［Al］發(fā)生氧化，生成Al2O3夾雜。結(jié)晶器保護(hù)渣在鋼液面不穩(wěn)定控制、侵入式水口插入過淺等情況下都有卷入鋼中的可能，被凝固的鋼水所捕捉，形成鋼中夾雜物。此外，在鋼水的精煉過程中，鋼包耐火材料不斷受到鋼水的沖刷侵蝕，從而進(jìn)入鋼水，使鋼水的夾雜物增多。由于所用的鋼包內(nèi)襯、中間包內(nèi)襯、長(zhǎng)水口、侵入式水口的材質(zhì)有所不同，在鑄坯中產(chǎn)生的夾雜物也有所不同。長(zhǎng)水口、侵入式水口、中間包頂蓋多采用Al2O3材料，將產(chǎn)生Al2O3及以Al2O3為基的鋁酸鹽夾雜；若其采用鎂碳和鎂尖晶石，則將產(chǎn)生MgO及MgOAl2O3夾雜；中間包內(nèi)襯采用的是MgO，則產(chǎn)生MgO夾雜物及以MgO為基的酸鹽類等大型夾雜。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）N80Q油管上可直接觀察到的外表面缺陷由坯料的外表面缺陷（表面網(wǎng)狀裂紋或皮下裂紋）所產(chǎn)生，坯料表面存在的裂紋缺陷在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化脫碳，而該裂紋在軋管過程中不能被壓合。

（2）N80Q油管探傷時(shí)發(fā)生報(bào)警，但直接觀察不到的外表面缺陷是由坯料內(nèi)的非金屬夾雜物所致，非金屬夾雜物可能是由于轉(zhuǎn)爐出鋼帶渣進(jìn)入鋼包，結(jié)晶器液面波動(dòng)卷渣，或鋼包耐火材料卷入鋼水中形成的。