小直徑不銹鋼無縫管表面裂紋成因分析

吳志敏，曾凡博，邵新中，邵 琪，王 鋒

（江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇 宜興 214203）

表面裂紋缺陷對不銹鋼無縫管制造過程中的質(zhì)量及交付后的使用安全影響較大，屬于不可接受缺陷[1-15］；因此，有必要分析不銹鋼無縫管表面裂紋的宏觀特征，找出裂紋形成原因并提出改善措施。

1 鋼管表面裂紋宏觀特征

以0Cr18Ni9材質(zhì)Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管為例，其工藝路線為：圓鋼穿孔→酸洗→修磨→中間品冷軋→去油→天然氣爐熱處理（固溶）→酸洗→修磨→成品冷軋→去油→成品光亮熱處理（固溶）→矯直→定尺切管及成品檢驗等。該不銹鋼無縫管在成品氣密性試驗時存在一處泄漏，目視檢查發(fā)現(xiàn)外表面存在縱向缺陷，疑似貫穿壁厚方向的裂紋。經(jīng)解剖觀察，對應位置確有裂紋，橫截面可見貫穿，如圖1所示。

圖1 不銹鋼無縫管解剖后的宏觀內(nèi)壁和橫截面示意

2 理化分析

在氣密性試驗時存在泄漏的不合格Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管上取樣，并進行理化分析。

2.1 化學成分檢驗

按照GB/T 11170—2016《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》分析試樣的化學成分，結(jié)果見表1。經(jīng)對比，其成分符合GB/T 14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》對0Cr18Ni9材質(zhì)的要求，基體主要成分無明顯異常。

表1 Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

2.2 室溫力學性能分析

（1）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗，結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)該Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管的強度及塑性較好，優(yōu)于GB/T 14976標準要求。

表2 Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管的室溫力學性能

（2）擴口與壓扁試驗。按照GB/T 242—2007《金屬管 擴口試驗方法》及GB/T 246—2017《金屬材料管壓扁試驗方法》進行擴口與壓扁試驗。選擇頂芯角60°的圓錐頂芯，外徑擴口率為10%，擴口后管壁未出現(xiàn)裂縫或裂口；同時，壓扁試驗后鋼管內(nèi)外壁未出現(xiàn)裂縫或裂口。

2.3 晶間腐蝕性能試驗

按GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》E法進行銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗，試樣彎曲180°后，表面無晶間腐蝕裂紋。

2.4 金相分析

缺陷部位經(jīng)線切割、鑲嵌后，在磨拋及10%草酸溶液電解腐蝕后進行超聲波清洗，并在金相顯微鏡下觀察。裂紋與管壁呈45°夾角斜向貫穿壁厚；裂紋中部存在分叉，管壁內(nèi)側(cè)方向的裂紋寬度較外側(cè)寬，且內(nèi)側(cè)處的裂紋底部存在明顯折疊；裂紋中部附近晶粒已出現(xiàn)滲碳和細晶現(xiàn)象，且分叉處較明顯。從裂紋形狀判斷，該裂紋經(jīng)過了二次擴展。

在管體缺陷附近（圖1位置①處）取縱向試樣，觀察其金相組織，并根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》A法進行非金屬夾雜物評級。組織中除了B類和D類細系夾雜物分別為1.0級、0.5級外，其余都是0，可見基體區(qū)域非金屬夾雜物含量正常。

2.5 掃描電鏡分析

掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)缺陷處存在大量點狀和塊狀疑似夾雜物。選取部分點位對該疑似夾雜物進行能譜分析，掃描電鏡下的缺陷形貌如圖2所示，能譜分析結(jié)果見表3。對比基體成分，以上兩個點位分別出現(xiàn)了Si、Al含量異常偏高情況，可以判斷該兩處存在硅氧化物和鋁氧化物夾雜物。

圖2 不銹鋼無縫管掃描電鏡下的缺陷形貌

表3 不銹鋼無縫管缺陷處的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

3 裂紋成因分析

觀察裂紋形貌，裂紋與內(nèi)壁呈45°夾角斜向擴展，因管材本身力學性能良好，具有較高的延展性，因此可排除是由于冷軋產(chǎn)生的軋折。裂紋寬度由粗向細發(fā)展，且中部出現(xiàn)分叉，說明該貫穿裂紋并非一次成型，在冷軋過程中，鋼管受三向壓應力作用，壁厚方向主要在兩向壓應力及兩向摩擦阻力的作用下進行變形并延伸，原始裂紋在應力作用下發(fā)生擴展，由于裂紋底部不規(guī)則，容易產(chǎn)生分叉，擴展出的裂紋細于原始缺陷。

對裂紋附近組織進行分析，發(fā)現(xiàn)分叉處存在細晶層。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：冷軋前管材存在裂紋缺陷，冷軋時軋制油進入裂紋，裂紋縫隙內(nèi)的軋制油在去油時無法徹底清除干凈，而軋制油及脫脂劑中富含有機物，殘留在裂紋內(nèi)的軋制油經(jīng)過熱處理產(chǎn)生滲碳現(xiàn)象，鋼中的碳含量越高，形核率越高，從而生成細晶層。由此說明，該缺陷在前道次早已出現(xiàn)，而非成品或成品上一道次冷軋形成。

從掃描電鏡結(jié)果分析可以判斷該試樣局部區(qū)域有較集中的氧化鋁、氧化硅夾雜物存在。該類夾雜物一般來源于冶煉或澆鑄，導致圓鋼內(nèi)部存在缺陷，在后續(xù)穿孔和冷軋變形過程中，受壓力加工影響，從而形成裂紋并貫穿壁厚，在氣密性試驗時造成泄漏。因此，該貫穿性裂紋存在于原始管坯本身，而非在氣密性試驗過程中受壓力影響膨脹裂穿。

4 改善措施

通過制定合理的措施對不銹鋼無縫管生產(chǎn)過程中的裂紋進行控制，可以進一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

（1）原料驗收。針對小直徑不銹鋼制定專用管坯采購技術(shù)條件，對夾雜物含量和外表面質(zhì)量進行詳細量化規(guī)定，原料復驗時，重點檢驗夾雜物水平，防止加工至成品時出現(xiàn)缺陷。

（2）加強荒管修磨。加強目視檢驗，對發(fā)現(xiàn)的缺陷進行標記，對有缺陷的鋼管進行隔離；借助內(nèi)窺鏡等輔助目視檢驗，對鋼管內(nèi)壁缺陷進行定位，然后采取定點修磨的方式對缺陷進行打磨。

（3）增加無損檢測。制定合理的驗收準則，對成品冷軋前的鋼管進行超聲波探傷，標記及隔離探傷檢測有缺陷的鋼管，定點修磨消除缺陷。

（4）對以上定點修磨后的鋼管采用同種檢測方法進行復驗，如合格則投入生產(chǎn)使用，避免不合格品流入下道工序。

5 結(jié) 語

0Cr18Ni9材質(zhì)Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管在成品氣密性試驗時存在一處泄漏，發(fā)現(xiàn)外表面存在貫穿壁厚方向的裂紋。分析認為，穿孔管坯本身存在夾雜物，穿孔時形成裂紋但是在后續(xù)的生產(chǎn)過程中并未清除該缺陷，導致裂紋在冷軋過程進一步擴展，最終貫穿管壁。