在擴(kuò)徑過程中DH36鋼管開裂原因分析

易 勛,王 成,王孝東,余宏偉,張 歡

(寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司,鄂州 436002)

以鋼結(jié)構(gòu)平臺方式開創(chuàng)海上采油歷史以來，世界海洋事業(yè)取得了巨大進(jìn)展。中國僅海洋石油儲(chǔ)量就達(dá)1011t，發(fā)展海洋事業(yè)勢在必行[1-2]。海洋平臺處于海洋環(huán)境中，環(huán)境惡劣，負(fù)重又大，支撐的鉆井設(shè)備總質(zhì)量往往超過數(shù)百噸；海洋環(huán)境又具有高低溫交替、深海高壓以及濕度大、高氯鹽腐蝕、微生物腐蝕等特點(diǎn); 此外，海風(fēng)、海浪、洋流不斷作用，臺風(fēng)、冰凍、地震等自然災(zāi)害頻繁[3]。上述因素對海洋平臺用鋼的綜合性能提出了很高的要求。再者，海洋平臺遠(yuǎn)離海岸，維修、保養(yǎng)十分不便，總之，如果在使用過程中海洋平臺出現(xiàn)質(zhì)量問題，后果將不堪設(shè)想。

某公司生產(chǎn)的壁厚25 mm的DH36鋼管在鋼管廠焊接后進(jìn)行擴(kuò)徑作業(yè)時(shí)，管體出現(xiàn)開裂，開裂鋼管宏觀形貌如圖1所示。開裂位于鋼管的端部，裂紋長度約29 cm，開裂面有分層特征，如圖2和圖3所示。筆者對開裂鋼管進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

圖1 開裂鋼管宏觀形貌Fig.1 Marco morphology of cracked steel pipe

圖2 鋼管外表面裂紋宏觀形貌Fig.2 Marco morphology of crack on outer surface of steel pipe

圖3 鋼管端部裂紋宏觀形貌Fig.3 Marco morphology of crack at the end of steel pipe

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對開裂管體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見各元素均在DH36鋼的化學(xué)成分規(guī)定要求范圍內(nèi)，成分未見異常。

表1 開裂鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compostions of cracked steel pipe(mass fraction) %

1.2 掃描電鏡分析

試樣經(jīng)除銹處理后，開裂面宏觀形貌見圖4。根據(jù)開裂面的特征，可以將開裂面分為外弧側(cè)、中部和內(nèi)弧側(cè)3個(gè)區(qū)域，鋼管的外弧和內(nèi)弧部位有明顯的縮頸，呈韌性斷裂特征，鋼管的中部有明顯的分層現(xiàn)象，呈千層餅特征。

圖5 外弧開裂面低倍形貌Fig.5 Low multiple morphology of outer arc cracking surface

圖6 內(nèi)弧開裂面低倍形貌Fig.6 Low multiple morphology of inner arc cracking surface

開裂面試樣經(jīng)酒精超聲波清洗后，在掃描電鏡下觀察，并配合能譜儀進(jìn)行分析，開裂面低倍形貌見圖5和圖6。外弧側(cè)開裂面有金屬光澤，呈韌窩特征，未發(fā)現(xiàn)聚集分布的夾雜物，見圖7。

圖7 外弧面微觀形貌Fig.7 Micro morphology of outer arc surface

開裂面中部區(qū)域顏色發(fā)黑，表面覆蓋著氧化鐵皮，氧化鐵皮破碎并有部分脫落，見圖8；內(nèi)弧側(cè)開裂面有金屬光澤，呈韌窩特征，未發(fā)現(xiàn)聚集分布的夾雜物，見圖9。

圖8 開裂面中部微觀形貌Fig.8 Micro morphology of middle part of cracking surface

圖9 內(nèi)弧開裂面微觀形貌Fig.9 Micro morphology of inner arc cracking surface

圖10 裂紋附近顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology near cracks

圖11 韌性斷裂部位顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of ductile fracture site

1.3 裂紋處組織及能譜分析

制備開裂面截面金相試樣，磨制拋光后。經(jīng)3%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精試劑浸蝕，對其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖10和圖11所示?？梢娬２课伙@微組織為鐵素體+珠光體，裂紋附近有明顯的脫碳現(xiàn)象，顯微組織為鐵素體，晶粒較正常部位明顯細(xì)小。外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)的韌性開裂區(qū)域未觀察到分層裂紋、氧化鐵和高溫氧化圓點(diǎn)，其顯微組織為鐵素體+珠光體，有輕微的拉伸形變特征。中部開裂面附近可觀察到較多的裂紋，呈壓扁的網(wǎng)絡(luò)狀，裂紋內(nèi)存在氧化鐵，裂紋附近有密集的高溫氧化圓點(diǎn)，見圖12。

圖12 裂紋微觀形貌Fig.12 Micro morphology of the crack

經(jīng)能譜(EDS)分析，裂紋內(nèi)主要含鐵、氧、錳元素，見圖13；氧化圓點(diǎn)主要含鐵、氧、硅、錳元素，是在高溫階段弱氧化氣氛下形成的硅、錳元素的選擇性氧化，見圖14。

圖13 裂紋EDS分析位置及分析結(jié)果Fig.13 EDS analysis a) position and b) results of the crack

圖14 氧化圓點(diǎn)EDS分析位置及分析結(jié)果Fig.14 EDS analysis a) position and b) results of the oxidation dot

1.4 氧化圓點(diǎn)分析

試樣切割面上可觀察到一個(gè)孔洞(距鋼管端部30 cm處)，磨制拋光后，孔洞宏觀形貌見圖15?？锥锤浇休^多樹根狀裂紋，裂紋附近有明顯的高溫氧化圓點(diǎn)。

圖15 孔洞的宏觀形貌Fig.15 Macro morphology of the hole

距鋼管端部32 cm處，板厚中心部位觀察到長約8 mm的平行于板面的裂紋，裂紋內(nèi)存在氧化鐵，裂紋附近有密集的高溫氧化圓點(diǎn)。距鋼管端部34 cm處，板厚中心部位觀察到長約4 mm的平行于板面的裂紋，裂紋內(nèi)存在氧化鐵，裂紋附近的高溫氧化圓點(diǎn)較細(xì)小；距鋼管端部36 cm處，未觀察到類似的裂紋缺陷。

鑄坯在加熱過程中，一般會(huì)發(fā)生脫碳和氧化,反應(yīng)如下所示

Fe3C(滲碳體)+O2→Fe(鐵素體)+CO

(1)

Fe(鐵素體)+O2→Fe2O3(或FeO)

(2)

反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，如果前者反應(yīng)比后者快，會(huì)出現(xiàn)脫碳層，如果后者反應(yīng)比前者快，會(huì)出現(xiàn)氧化鐵皮。裂紋附近都發(fā)生了不同程度的脫碳，說明鑄坯進(jìn)入加熱爐之前裂紋就已經(jīng)形成，在進(jìn)入加熱爐之后又發(fā)生氧化和脫碳，從而形成氧化圓點(diǎn)和脫碳[4-5]。

一般脫碳溫度大于800 ℃，并需在較高溫度下停留一段時(shí)間才能進(jìn)行[6]。碳原子由內(nèi)向外發(fā)生擴(kuò)散，與空氣中氧形成CO或CO2氣體，導(dǎo)致裂紋周圍脫碳。裂紋末端附近的氧化圓點(diǎn)的產(chǎn)生是內(nèi)氧化的結(jié)果。通過擴(kuò)散進(jìn)入鋼中的氧與強(qiáng)氧化性元素硅、錳結(jié)合形成富集硅、錳的氧化物顆粒[7]。一般形成氧化圓點(diǎn)需要溫度達(dá)到950～1 200 ℃，時(shí)間至少0.5 h以上。盡管有文獻(xiàn)指出熱軋工序也有可能形成氧化圓點(diǎn)，但現(xiàn)在中厚板實(shí)行減量化低溫控軋工藝，生產(chǎn)節(jié)奏快，鋼板在高溫停留時(shí)間非常短，只能形成極少數(shù)非常細(xì)小的氧化圓點(diǎn)，就發(fā)現(xiàn)的密集分布的氧化圓點(diǎn)的數(shù)量及大小來看，氧化圓點(diǎn)應(yīng)該在軋制前鑄坯在加熱爐中加熱和保溫過程中形成的。

1.5 金相檢驗(yàn)

試樣有中心疏松，但未觀察到裂紋缺陷，端部(制管前火切割邊部)熱影響區(qū)寬度約2 mm。中心疏松主要是鋼液在凝固末期，在鑄坯厚度中心的晶界產(chǎn)生的微小空隙。一般來說，對于輕微的偏析、疏松在大變形量的軋制過程中容易焊合。對于有嚴(yán)重偏析的中心疏松在大變形量的軋制過程中雖不能完全焊合，但僅形成不連貫的分層，程度相對較輕。

制備端部截面試樣，磨制拋光后進(jìn)行觀察，端部火切邊未觀察到明顯的裂紋缺陷。經(jīng)3%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后，火切邊最表層顯微組織為珠光體+馬氏體+鐵素體，次表層(過熱區(qū))顯微組織為貝氏體+馬氏體，正火區(qū)顯微組織為貝氏體+鐵素體，見圖16～圖18。端部熱影響區(qū)顯微組織正常未見裂紋，表明該裂紋距端部36 cm處完全消失未貫穿整塊鋼板。

圖16 端部顯微組織形貌Fig.16 Microstructure morphology of end

圖17 過熱區(qū)顯微組織形貌Fig.17 Microstructure morphology of superheated zone

圖18 正火區(qū)顯微組織形貌Fig.18 Microstructure morphology of normalizing zone

2 分析與討論

開裂面外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷，中部區(qū)域有明顯的分層特征，呈千層餅狀，該部位截面可觀察到較多的裂紋，呈壓扁的網(wǎng)絡(luò)狀或樹根狀，裂紋內(nèi)存在氧化鐵，附近有高溫氧化圓點(diǎn)，試樣有中心疏松。EDS結(jié)果表明，裂紋內(nèi)主要含鐵、氧、錳元素，可知為鐵錳硅酸鹽，氧化圓點(diǎn)主要含有鐵、氧、硅元素，是由于進(jìn)入鋼中的氧和強(qiáng)氧化性元素硅、錳結(jié)合而形成了富集硅、錳的氧化物顆粒[8]。這種氧化物圓點(diǎn)必須是在高溫狀態(tài)、有氧氛圍、較長時(shí)間條件下形成的，如果時(shí)間較短，即使在高溫下(如粗軋和精軋過程)，也不具備生成條件。同時(shí)由于這些氧化物小顆粒的釘扎作用[9]，使得裂紋附近的鐵素體晶粒比較細(xì)小。氧化圓點(diǎn)和脫碳是在鋼坯加熱過程中產(chǎn)生的，他們的存在是判定鋼板表面裂紋來源于鋼坯的依據(jù)。如果在軋制過程中產(chǎn)生裂紋，裂紋中只能產(chǎn)生輕微氧化，不會(huì)出現(xiàn)脫碳及氧化圓點(diǎn)[10]。由裂紋宏觀形貌可以看出，裂口外層和內(nèi)層斷裂形式明顯不同，表明裂紋從鋼板表面沿著厚度方向擴(kuò)展。缺陷在距鋼管端部30 cm處急劇縮小，在距端部36 cm處完全消失，即裂紋影響范圍為鋼板端部往里36 cm。對應(yīng)鑄坯位置為端部起6～7 cm，即鑄坯裂紋源出現(xiàn)的位置為火焰切割邊緣處。結(jié)合鑄坯實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間為冬季且切割方式為離線人工冷切，可判斷裂紋源為火焰切割時(shí)，冷態(tài)鑄坯被快速加熱切割，不均勻的加熱和冷卻形成了溫度梯度。

鋼坯在加熱爐中加熱時(shí)，缺陷被燒后暴露，周邊受到高溫氧化氣氛的侵蝕，出現(xiàn)脫碳層及富含硅、錳的選擇性氧化圓點(diǎn)，軋制時(shí)未被壓合，形成壓扁的網(wǎng)絡(luò)狀裂紋。在隨后的冷卻(或正火)過程中，新生鐵素體以高溫氧化圓點(diǎn)形核，因而晶粒較正常部位細(xì)小。

在鋼管擴(kuò)徑時(shí)，由于鋼板內(nèi)部裂紋處的組織結(jié)合力弱，因此對外力承載能力下降，在初始應(yīng)力作用下，形成了大尺寸的裂紋和孔洞。裂紋和孔洞貫通后，形成千層餅狀開裂面，使鋼板的有效承載面急劇減小，導(dǎo)致鋼管外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)過載，發(fā)生縮頸斷裂[11]。

為減少或避免此類開裂的產(chǎn)生，一方面，生產(chǎn)廠應(yīng)采用在線熱切代替離線冷切，降低切割面附近溫度梯度，控制切割面能量輸入等，通過切割前預(yù)熱、降低切割速率及減緩冷卻速率的方式，來降低板端切割裂紋的發(fā)生；另一方面，通過修訂相關(guān)管理制度、操作規(guī)程，加強(qiáng)坯料的驗(yàn)收、出廠鋼板的檢查來杜絕此類問題的發(fā)生。

3 結(jié)論及建議

該DH36鋼管在擴(kuò)徑時(shí)的開裂是由鋼板原始缺陷引起的，軋制時(shí)缺陷被碾壓變形，形成網(wǎng)絡(luò)狀裂紋。在鋼管擴(kuò)徑時(shí)，裂紋處的組織結(jié)合力弱化，在初始應(yīng)力作用下，形成了大尺寸的裂紋和孔洞。裂紋和孔洞貫通后，最終導(dǎo)致鋼管開裂。

建議優(yōu)化板坯切割方式，采用在線熱切方法代替離線冷切方法，降低切割面附近的溫度梯度，以控制切割面能量輸入，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場管理。