不锈钢无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析

   浙江至德钢业有限公司对不锈钢无缝钢管产品水压实验过程中发生的9例典型爆裂事故产生原因进行了宏观和微观综合分析。结果表明引发不锈钢管产品水压实验爆裂均与管体局部存在某种缺陷有关。连铸坯缺陷包括表面裂纹、表面存在保护渣和增碳、表面渗铜、中心偏析和内部夹杂物偏聚等;轧管缺陷包括表面划伤、壁厚不均和偏薄等。管加工缺陷包括表面淬火裂纹、热处理组织异常、屈服强度偏低、管端螺纹加工精度差等．针对分析结果，提出了改进措施。

    不锈钢无缝钢管产品多使用在重要场合，产品质量优劣直接影响到其服役过程中的使用寿命和安全性，尤其是一些承压产品，如石油套管、气瓶管和液压支架管等对使用性和安全性要求更高。如果一支套管出现问题，可能导致一口油井报废。往往损失几十万甚至数百万元。而气瓶管和支架管出现质量问题其危害性更大，它造成的不仅仅是经济损失，还可能涉及到人身安全问题．因此，为了保证不锈钢管使用的安全性和可靠性，油套管出厂前要逐支进行水压实验，检查钢管在规定压力下保压时间内有无渗漏或出汗现象，以考核不锈钢管的整体承压能力，并消除部分管体残余应力，从而保证不锈钢管的使用性能;气瓶管在用户制作气瓶后和液压支架管在用户制作液压缸后，也要进行承压实验。不锈钢管产品水压实验过程中发生异常爆裂，往往与不锈钢管局部存在某种缺陷有关。通过对不锈钢管缺陷的分析，确定缺陷的性质和产生的工艺环节，将其反馈给生产厂，协助生产厂查找生产工艺异常情况，对避免和杜绝钢管产品水压实验爆裂事故的再次发生具有重要意义。

一、实验材料和方法

1. 实验材料

    实验分析不锈钢管是采用热连轧管机组生产的油套管和气瓶管在水压实验时爆裂的样管，其中套管材料为锰钢、锰钒钢和铬钼钢，气瓶管材料为锰钢和铬钼钢。

2.实验方法

  采用光谱仪和气体分析设备进行化学成分分析．采用德国蔡司A1M型万能光学显微镜对样品的缺陷形貌、显微组织、夹杂物形态、氧化脱碳情况等进行观察分析。采用德国蔡司EVO50XVP型扫描电镜进行缺陷断口形貌分析．采用美国EDAX公司Apollo40型能谱仪进行夹杂物成分分析和微区成分分析。

二、结果分析和讨论

1. 浇注温度偏高造成钢水二次氧化

   以钢级为N801、规格为139.7mm×7.72mm的套管为例，宏观特征：裂纹沿不锈钢管纵向开裂，开裂长度多在600mm以上，开裂部位裂口向外膨胀。从中间开裂部位取样观察，断面为斜面，管子外壁约占1/3壁厚是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁为水压过程裂纹扩展撕裂开的新鲜断口。

   微观特征：外表面折叠缺陷周围及延伸部位有沿晶分布的网状氧化物，外表面折叠周围有严重的氧化脱碳。电镜下观察断口发现爆裂处的外壁折叠部位有大量夹杂偏聚而形成木纹状断口，木纹中聚集了大量的条块状夹杂物，经能谱分析这些夹杂物是以铁、锰硅酸盐为主的复合氧化物。爆裂原因是经查此炉钢为开浇炉，浇注温度偏高，造成钢水二次氧化，在连铸坯中形成了大量的硅酸盐夹杂．锰和硅都是强化铁素体的元素，但是裂纹通过的铁素体带由于铁锰硅酸盐夹杂的形成，使铁素体带中的锰和硅的含量降低到原含量的1/4左右，导致铁素体带强度降低。另外，氧化物呈网状沿晶分布，降低钢的晶界强度，成为裂纹扩展的有利条件，造成轧管过程产生较深的折叠缺陷，在水压应力的作用下，折叠尾部由于应力集中导致裂纹向内部扩展而爆裂。

2. 连铸坯表面存在保护渣

  以钢级为P110、规格为139.7mm×9.17mm的套管为例，宏观特征是裂纹沿钢管纵向开裂，开裂长度在500mm以上，肉眼观察开裂裂纹中间部位及裂纹两端延伸部位可见明显的折叠缺陷。从爆裂裂口中间开裂源部位取样观察，外表面断口为斜面，断口呈黑灰色，这部分断口是轧管过程形成的折叠缺陷，深度约3mm左右，从中部至内壁为打压过程裂纹扩展撕裂开的新鲜断口。

   微观特征是管子表面折叠中有黑灰色块状物偏聚，折叠缺陷周围有明显增碳现象。经能谱分析发现，折叠中的块状物是以硅酸钙为主，并含部分氧化钠、氧化铝、氧化钾、氧化锰、氧化铁的复合氧化物，能谱定量分析结果见表。由化学组成判断，折叠中的块状物是混入钢中的保护渣。爆裂原因是连铸坯表面局部混入保护渣，造成连铸坯表面局部增碳和产生微裂纹，导致轧管过程产生折叠缺陷．后续热处理和矫直过程中折叠向内部扩展，减少管子的有效受力面积，在打压应力的作用下，裂纹向内部扩展而产生爆裂。

3. 连铸坯有害元素偏高、产生表面裂纹

   钢中有害元素(Pb、Sn、As、Sb、Bi、Cu等)是由废钢及各种原材料带入的，在钢水冶炼过程中不能去除，如果含量过高，钢水凝固过程中将在晶界上产生偏析，造成恶劣影响。如连铸坯由于Pb质量分数高达431×10-6，造成铸坯纵裂全炉报废，又如连铸坯Sb质量分数达100×10-6、Sn质量分数达430×10-6，造成整炉纵裂废品。有时，五害元素偏析虽未造成铸坯表面开裂，但由于五害元素的氧化位能比铁元素的低而不易被氧化，管坯加热过程中表面形成大量的氧化铁皮，随着氧化铁皮的不断增厚，五害元素不断地被排挤到金属基体中去，使管坯表面晶界处富集更多的低熔点有害元素，导致晶界进一步弱化，高温加热时促使管坯表面开裂氧化，穿孔和轧管后在管子表面形成细小的网状裂纹缺陷，宏观形貌见图，解剖后对横截面进行观察发现:裂纹沿晶开裂，网状裂纹深度约1～5mm不等，网状裂纹横截面形貌见图。

  以钢级为P110、规格为244.48mm×11.99mm的套管为例，宏观特征是裂纹多沿钢管纵向开裂，开裂长度在1000mm以上，开裂源部位钢管向外膨胀．中间开裂源部位呈破碎状，外表面断面为斜面，管子外壁约占1/3壁厚是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁为撕裂开的新鲜断口(打压过程裂纹扩展撕裂部分)。微观特征是表面开口折叠裂纹周围有氧化脱碳，开裂源部位所取样品外表面折叠裂纹和内部扩展裂纹局部形貌见图，开裂源部位断口经能谱微区定性定量分析发现，晶界上有Sn、As、Cu元素偏析，总和高达2000×10-6以上．化学成分分析表明，虽然钢中S、P总体含量水平不高，但S、P元素本身沿晶偏析倾向及与其它有害元素互作用的倾向较大，在晶界上也产生了偏析，促使龟裂的产生并加重其危害。

  爆裂原因是由于连铸坯中有害元素Sn、As、Cu含量偏高，这些有害元素是易偏析和低熔点元素，它们易在晶界处偏聚，并在晶界上形成低熔点薄膜，降低钢的晶界强度和高温塑性，成为裂纹开裂和扩展的有利通道，导致管坯加热过程和后续轧管过程产生折叠裂纹缺陷，水压试验过程折叠缺陷尖端产生应力集中，促使裂纹快速向内部扩展，最终在最薄弱的管体部位产生爆裂。

4. 连铸坯表面渗铜产生铜脆裂纹

  有害元素Cu的熔点较低(1083℃)，若钢中Cu含量较高，会发生Cu向晶界渗透，引起晶界脆化导致裂纹产生．这种裂纹在连铸坯上一般呈星状或龟裂状，在有氧化铁皮覆盖的情况下难于发现，但在后续的轧管过程中可能扩展成横向裂纹。宏观特征是气瓶管制作成气瓶后要进行打压实验，其中一支气瓶打压开裂断口宏观形貌见图，肉眼可见断口上有深褐色异物，内壁约1/5壁厚是新鲜断口。微观特征是断口为沿晶开裂，能谱分析结果表明断口上的深褐色异物是金属铜，化学分析结果表明:气瓶管的各种元素含量正常，基体中铜含量水平不高。由此判断断口上和沿晶裂纹中大量的金属铜聚集不是连铸坯本身铜含量偏高造成的，而是外来的铜局部渗入造成的。

  爆裂原因是连铸过程中的关键设备结晶器由紫铜制造，结晶器的内表面镀铬(厚度一般几十微米)，防止连铸坯坯壳直接与铜壁接触渗入而形成表面横向、星状裂纹．结晶器使用一段时间后，内表面镀铬层将被逐渐磨损，如果结晶器更换不及时，某些磨损严重的部位铜壁暴露出来与连铸坯坯壳直接接触，结晶器的金属铜因摩擦涂抹转移到坯壳表面形成一层沉积铜，在坯壳表面1200～1400℃的高温和拉坯应力的共同作用下，金属铜熔化(纯铜的熔点为1083℃)并沿一次晶粒边界向内部扩散，由于铜在钢中的溶解度较低，在晶界处形成低熔点的液相薄膜，降低晶间结合力和高温塑性，增加钢的热脆性和开裂敏感性而产生沿晶热裂．在轧管的高温和应力作用下，液态的铜浸润晶界，导致轧管表面形成横裂．断口特征表明该产品的有效承载面积仅剩内壁1/5壁厚区域，受力后必然产生爆裂。

5. 连铸坯芯部成分偏析和夹杂物偏聚

   采用规格为140mm×4.5mm不锈钢无缝钢管生产规格为140mm的6.7L高压气瓶，该气瓶工作压力15MPa，水压试验压力为22.5MPa，保压1分钟，逐支做水压实验，无泄漏和瓶体无变形为合格．其中一支气瓶在进行水压实验时，保压时间内瓶体破裂，破口为塑性断口．宏观特征是打压爆裂气瓶约500mm长，爆裂部位的裂纹开口约300mm长，中间裂口部位由于塑性变形而呈明显凸起状，断口呈浅灰色韧性断裂形态。

  微观特征是气瓶管体内壁组织呈明显的带状分布，管体内表面有0.20mm深的脱碳层，将断口样品进行电镜观察:裂纹从气瓶管体的内表面开裂，管体爆裂中间开裂源部位的断口形貌呈木纹状，木纹中有硫化物夹杂偏聚。爆裂原因是气瓶从内表面开裂，与其内壁有较深的脱碳层和带状偏析组织有关，脱碳层组织主要为铁素体，强度较低，打压受力过程裂纹首先从内表面薄弱部位开裂，不锈钢管内壁存在严重的带状组织与连铸坯芯部成分偏析和硫化物偏聚密切相关，不锈钢管内壁带状偏析区和夹杂物偏聚处受力过程中易产生纵向开裂，形成木纹状缺陷断口．因此，气瓶打压爆裂与管体内表面明显脱碳、硫化物偏聚和成分偏析带状组织等不利因素有关。

6. 轧管内表面存在划伤缺陷

   以钢级为J55、规格为139.7mm×9.17mm的套管为例，宏观特征是爆裂管中间部位有呈纵向分布、开口较宽、约500mm长的爆裂裂纹。从爆裂管中间开裂源部位所取断口试样上发现管子内壁有一较长较深的凹沟缺陷，凹沟尺寸(长度×宽度×深度)95mm×8mm×4mm，肉眼观察凹沟部位的断口分为三部分:内壁凹沟较光滑，呈灰黑色，这是在轧管穿孔过程造成的划伤部分；断口中间部分较粗糙，呈深灰色，这是矫直过程中凹沟底部裂纹的扩展部分;外壁部位的断口呈浅灰色，这是水压过程爆裂的新鲜断口。

  微观特征是爆裂源部位的内壁纵向凹沟缺陷呈螺旋状分布(约30°方向)，内壁凹沟深度约4mm;壁厚中间部位是热处理过程裂纹扩展部分，剩余的外壁部分是打压过程开裂的．内壁凹沟周围的组织有明显的高温挤压变形造成的塑性流变特征，其它部位的组织为均匀的回火索氏体。爆裂管的化学成分正常，管体的组织、夹杂、晶粒度正常。爆裂原因:管子爆裂源部位内壁有深度约4mm的光滑凹沟缺陷，它是因穿孔后的毛管内带入硬物(可能是耳子或其它异物)经连轧机轧制后造成的机械划伤．热处理和矫直过程中，由于应力的作用，凹沟底部产生裂纹并向内部扩展，导致缺陷部位的有效受力面积减小，导致打压过程裂纹向外壁扩展最终管体爆裂。

7.轧管壁厚不均、屈服强度偏低

   以钢级为N80I类、规格为73.02mm×5.51mm的油管为例．宏观特征是打爆开裂样管沿纵向开裂，裂口中间开裂源部位明显凸起，产生了明显的塑性变形，壁厚明显变薄，肉眼观察断口发现，管体内壁约1/2壁厚断口已经氧化锈蚀，呈黄褐色。外壁爆裂新鲜断口约占壁厚1/2，断口与外壁约呈45°角方向分布，为瞬间断裂区。

  微观特征是管体内壁有大量小裂纹缺陷，小裂纹中有氧化铁，裂纹周围没有明显的氧化脱碳现象，打爆断口源区内壁可见大量小裂纹缺陷，裂纹从内壁开裂，爆裂裂口周围组织有明显的塑性变形流变特征。爆裂原因是裂纹从内壁开裂扩展至外壁．经查:水压打爆管屈服强度不合格，为480MPa，抗拉强度偏高，为827MPa．管体屈服强度偏低、管体内壁质量不佳、有大量小裂纹缺存在、管体打爆源区管体壁厚偏下限，多重不利因素综合作用导致水压实验过程中在不锈钢管体最薄弱的部位开裂直至爆裂。

8. 管体表面存在淬火裂纹

  以钢级为TP110H、规格为177.80mm×9.19mm的套管为例．宏观特征是管子上有约800mm长的打压爆裂裂纹。肉眼观察发现打压爆裂裂纹中间开裂源部位约有1/3部分的断口呈灰黑色，开裂源裂纹与外表面垂直，内壁仅有约1.7mm的新鲜断口是打压过程开裂后形成的浅灰色剪切唇，在管体表面开裂源部位还有多条肉眼可见的细裂纹缺陷，微观特征:管体爆裂中间开裂源部位的表面裂纹与外表面垂直，深度约7.5mm左右，内壁扩展裂纹有剪切角度;主裂纹旁边还有与表面垂直的次裂纹．主裂纹边缘及周围和次裂纹中间无夹杂聚集等其它缺陷．主裂纹和次裂纹周围有轻微的氧化脱碳。爆裂原因:管体表面存在深度约7.5mm的垂直于外表面的裂纹缺陷，包括淬火裂纹和矫直应力扩展裂纹。开裂源部位仅有内壁约1.7mm左右的厚度是相连的，管子该部位的有效承载面积很小，导致打压过程在管体最薄弱的裂纹部位产生爆裂。

9. 套管管端螺纹加工缺陷

  以钢级为P110、规格为139.70mm×9.17mm的套管为例。宏观特征是套管在管端螺纹根部产生横向断裂;管端变形较大，明显呈椭圆状。微观特征是裂纹开裂部位的夹杂、组织、晶粒度正常，未观察到其它冶金缺陷。断口观察发现，裂纹开裂源部位有较深的加工刀痕痕迹，断口为韧性断口。力学性能是管体正常部位的力学性能实验结果见表，结果正常。爆裂原因:裂纹从管端螺纹根部开裂，整个断口呈新鲜的浅灰色韧性断裂，无冶金缺陷．开裂源断口部位的螺纹有加工刀痕痕迹，此处受力后产生明显的应力集中，成为裂纹的开裂源，导致打压过程中从管端螺纹根部应力集中部位产生横向爆裂。

三、结论

  引发不锈钢管产品水压试验爆裂均与管体局部存在某种缺陷有关．主要包括:

  1. 由连铸坯缺陷造成的管材水压实验爆裂的主要原因有浇注温度偏高钢水二次氧化、表面保护渣、表面裂纹(有害元素偏高)、表面渗铜、表面增碳、中心成分偏析、内部夹杂物偏聚等。

  2. 由轧管缺陷造成的管材水压实验爆裂的主要原因有轧管内壁划伤、轧管壁厚不均或偏薄等。

  3. 由管加工缺陷造成的管材水压实验爆裂的主要原因有冷速过快和不均造成的淬火裂纹、管端螺纹加工缺陷等。

  对上述9例水压实验典型爆管事故产生原因的分析结果表明，冶金缺陷、轧管缺陷和管加工缺陷均可引发管体水压实验过程产生爆裂。因此，不锈钢无缝钢管产品质量应从炼钢、轧管和管加工各个工艺环节进行控制，减少钢管缺陷的产生，同时加强探伤工作，把好质量检控关，降低不锈钢无缝钢管产品水压实验产生爆裂的事故发生率。