浙江至德鋼業(yè)有限公司對不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)品水壓實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生的9例典型爆裂事故產(chǎn)生原因進(jìn)行了宏觀和微觀綜合分析。結(jié)果表明引發(fā)不銹鋼管產(chǎn)品水壓實(shí)驗(yàn)爆裂均與管體局部存在某種缺陷有關(guān)。連鑄坯缺陷包括表面裂紋、表面存在保護(hù)渣和增碳、表面滲銅、中心偏析和內(nèi)部夾雜物偏聚等;軋管缺陷包括表面劃傷、壁厚不均和偏薄等。管加工缺陷包括表面淬火裂紋、熱處理組織異常、屈服強(qiáng)度偏低、管端螺紋加工精度差等．針對分析結(jié)果，提出了改進(jìn)措施。

    不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)品多使用在重要場合，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到其服役過程中的使用壽命和安全性，尤其是一些承壓產(chǎn)品，如石油套管、氣瓶管和液壓支架管等對使用性和安全性要求更高。如果一支套管出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致一口油井報(bào)廢。往往損失幾十萬甚至數(shù)百萬元。而氣瓶管和支架管出現(xiàn)質(zhì)量問題其危害性更大，它造成的不僅僅是經(jīng)濟(jì)損失，還可能涉及到人身安全問題．因此，為了保證不銹鋼管使用的安全性和可靠性，油套管出廠前要逐支進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)，檢查鋼管在規(guī)定壓力下保壓時(shí)間內(nèi)有無滲漏或出汗現(xiàn)象，以考核不銹鋼管的整體承壓能力，并消除部分管體殘余應(yīng)力，從而保證不銹鋼管的使用性能;氣瓶管在用戶制作氣瓶后和液壓支架管在用戶制作液壓缸后，也要進(jìn)行承壓實(shí)驗(yàn)。不銹鋼管產(chǎn)品水壓實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生異常爆裂，往往與不銹鋼管局部存在某種缺陷有關(guān)。通過對不銹鋼管缺陷的分析，確定缺陷的性質(zhì)和產(chǎn)生的工藝環(huán)節(jié)，將其反饋給生產(chǎn)廠，協(xié)助生產(chǎn)廠查找生產(chǎn)工藝異常情況，對避免和杜絕鋼管產(chǎn)品水壓實(shí)驗(yàn)爆裂事故的再次發(fā)生具有重要意義。

一、實(shí)驗(yàn)材料和方法

1. 實(shí)驗(yàn)材料

    實(shí)驗(yàn)分析不銹鋼管是采用熱連軋管機(jī)組生產(chǎn)的油套管和氣瓶管在水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)爆裂的樣管，其中套管材料為錳鋼、錳釩鋼和鉻鉬鋼，氣瓶管材料為錳鋼和鉻鉬鋼。

2.實(shí)驗(yàn)方法

  采用光譜儀和氣體分析設(shè)備進(jìn)行化學(xué)成分分析．采用德國蔡司A1M型萬能光學(xué)顯微鏡對樣品的缺陷形貌、顯微組織、夾雜物形態(tài)、氧化脫碳情況等進(jìn)行觀察分析。采用德國蔡司EVO50XVP型掃描電鏡進(jìn)行缺陷斷口形貌分析．采用美國EDAX公司Apollo40型能譜儀進(jìn)行夾雜物成分分析和微區(qū)成分分析。

二、結(jié)果分析和討論

1. 澆注溫度偏高造成鋼水二次氧化

   以鋼級為N801、規(guī)格為139.7mm×7.72mm的套管為例，宏觀特征：裂紋沿不銹鋼管縱向開裂，開裂長度多在600mm以上，開裂部位裂口向外膨脹。從中間開裂部位取樣觀察，斷面為斜面，管子外壁約占1/3壁厚是軋管過程形成的折疊，從中部至內(nèi)壁為水壓過程裂紋擴(kuò)展撕裂開的新鮮斷口。

   微觀特征：外表面折疊缺陷周圍及延伸部位有沿晶分布的網(wǎng)狀氧化物，外表面折疊周圍有嚴(yán)重的氧化脫碳。電鏡下觀察斷口發(fā)現(xiàn)爆裂處的外壁折疊部位有大量夾雜偏聚而形成木紋狀斷口，木紋中聚集了大量的條塊狀?yuàn)A雜物，經(jīng)能譜分析這些夾雜物是以鐵、錳硅酸鹽為主的復(fù)合氧化物。爆裂原因是經(jīng)查此爐鋼為開澆爐，澆注溫度偏高，造成鋼水二次氧化，在連鑄坯中形成了大量的硅酸鹽夾雜．錳和硅都是強(qiáng)化鐵素體的元素，但是裂紋通過的鐵素體帶由于鐵錳硅酸鹽夾雜的形成，使鐵素體帶中的錳和硅的含量降低到原含量的1/4左右，導(dǎo)致鐵素體帶強(qiáng)度降低。另外，氧化物呈網(wǎng)狀沿晶分布，降低鋼的晶界強(qiáng)度，成為裂紋擴(kuò)展的有利條件，造成軋管過程產(chǎn)生較深的折疊缺陷，在水壓應(yīng)力的作用下，折疊尾部由于應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展而爆裂。

2. 連鑄坯表面存在保護(hù)渣

  以鋼級為P110、規(guī)格為139.7mm×9.17mm的套管為例，宏觀特征是裂紋沿鋼管縱向開裂，開裂長度在500mm以上，肉眼觀察開裂裂紋中間部位及裂紋兩端延伸部位可見明顯的折疊缺陷。從爆裂裂口中間開裂源部位取樣觀察，外表面斷口為斜面，斷口呈黑灰色，這部分?jǐn)嗫谑擒埞苓^程形成的折疊缺陷，深度約3mm左右，從中部至內(nèi)壁為打壓過程裂紋擴(kuò)展撕裂開的新鮮斷口。

   微觀特征是管子表面折疊中有黑灰色塊狀物偏聚，折疊缺陷周圍有明顯增碳現(xiàn)象。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，折疊中的塊狀物是以硅酸鈣為主，并含部分氧化鈉、氧化鋁、氧化鉀、氧化錳、氧化鐵的復(fù)合氧化物，能譜定量分析結(jié)果見表。由化學(xué)組成判斷，折疊中的塊狀物是混入鋼中的保護(hù)渣。爆裂原因是連鑄坯表面局部混入保護(hù)渣，造成連鑄坯表面局部增碳和產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致軋管過程產(chǎn)生折疊缺陷．后續(xù)熱處理和矯直過程中折疊向內(nèi)部擴(kuò)展，減少管子的有效受力面積，在打壓應(yīng)力的作用下，裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展而產(chǎn)生爆裂。

3. 連鑄坯有害元素偏高、產(chǎn)生表面裂紋

   鋼中有害元素(Pb、Sn、As、Sb、Bi、Cu等)是由廢鋼及各種原材料帶入的，在鋼水冶煉過程中不能去除，如果含量過高，鋼水凝固過程中將在晶界上產(chǎn)生偏析，造成惡劣影響。如連鑄坯由于Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)431×10-6，造成鑄坯縱裂全爐報(bào)廢，又如連鑄坯Sb質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)100×10-6、Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)430×10-6，造成整爐縱裂廢品。有時(shí)，五害元素偏析雖未造成鑄坯表面開裂，但由于五害元素的氧化位能比鐵元素的低而不易被氧化，管坯加熱過程中表面形成大量的氧化鐵皮，隨著氧化鐵皮的不斷增厚，五害元素不斷地被排擠到金屬基體中去，使管坯表面晶界處富集更多的低熔點(diǎn)有害元素，導(dǎo)致晶界進(jìn)一步弱化，高溫加熱時(shí)促使管坯表面開裂氧化，穿孔和軋管后在管子表面形成細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋缺陷，宏觀形貌見圖，解剖后對橫截面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn):裂紋沿晶開裂，網(wǎng)狀裂紋深度約1～5mm不等，網(wǎng)狀裂紋橫截面形貌見圖。

  以鋼級為P110、規(guī)格為244.48mm×11.99mm的套管為例，宏觀特征是裂紋多沿鋼管縱向開裂，開裂長度在1000mm以上，開裂源部位鋼管向外膨脹．中間開裂源部位呈破碎狀，外表面斷面為斜面，管子外壁約占1/3壁厚是軋管過程形成的折疊，從中部至內(nèi)壁為撕裂開的新鮮斷口(打壓過程裂紋擴(kuò)展撕裂部分)。微觀特征是表面開口折疊裂紋周圍有氧化脫碳，開裂源部位所取樣品外表面折疊裂紋和內(nèi)部擴(kuò)展裂紋局部形貌見圖，開裂源部位斷口經(jīng)能譜微區(qū)定性定量分析發(fā)現(xiàn)，晶界上有Sn、As、Cu元素偏析，總和高達(dá)2000×10-6以上．化學(xué)成分分析表明，雖然鋼中S、P總體含量水平不高，但S、P元素本身沿晶偏析傾向及與其它有害元素互作用的傾向較大，在晶界上也產(chǎn)生了偏析，促使龜裂的產(chǎn)生并加重其危害。

  爆裂原因是由于連鑄坯中有害元素Sn、As、Cu含量偏高，這些有害元素是易偏析和低熔點(diǎn)元素，它們易在晶界處偏聚，并在晶界上形成低熔點(diǎn)薄膜，降低鋼的晶界強(qiáng)度和高溫塑性，成為裂紋開裂和擴(kuò)展的有利通道，導(dǎo)致管坯加熱過程和后續(xù)軋管過程產(chǎn)生折疊裂紋缺陷，水壓試驗(yàn)過程折疊缺陷尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋快速向內(nèi)部擴(kuò)展，最終在最薄弱的管體部位產(chǎn)生爆裂。

4. 連鑄坯表面滲銅產(chǎn)生銅脆裂紋

  有害元素Cu的熔點(diǎn)較低(1083℃)，若鋼中Cu含量較高，會(huì)發(fā)生Cu向晶界滲透，引起晶界脆化導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生．這種裂紋在連鑄坯上一般呈星狀或龜裂狀，在有氧化鐵皮覆蓋的情況下難于發(fā)現(xiàn)，但在后續(xù)的軋管過程中可能擴(kuò)展成橫向裂紋。宏觀特征是氣瓶管制作成氣瓶后要進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，其中一支氣瓶打壓開裂斷口宏觀形貌見圖，肉眼可見斷口上有深褐色異物，內(nèi)壁約1/5壁厚是新鮮斷口。微觀特征是斷口為沿晶開裂，能譜分析結(jié)果表明斷口上的深褐色異物是金屬銅，化學(xué)分析結(jié)果表明:氣瓶管的各種元素含量正常，基體中銅含量水平不高。由此判斷斷口上和沿晶裂紋中大量的金屬銅聚集不是連鑄坯本身銅含量偏高造成的，而是外來的銅局部滲入造成的。

  爆裂原因是連鑄過程中的關(guān)鍵設(shè)備結(jié)晶器由紫銅制造，結(jié)晶器的內(nèi)表面鍍鉻(厚度一般幾十微米)，防止連鑄坯坯殼直接與銅壁接觸滲入而形成表面橫向、星狀裂紋．結(jié)晶器使用一段時(shí)間后，內(nèi)表面鍍鉻層將被逐漸磨損，如果結(jié)晶器更換不及時(shí)，某些磨損嚴(yán)重的部位銅壁暴露出來與連鑄坯坯殼直接接觸，結(jié)晶器的金屬銅因摩擦涂抹轉(zhuǎn)移到坯殼表面形成一層沉積銅，在坯殼表面1200～1400℃的高溫和拉坯應(yīng)力的共同作用下，金屬銅熔化(純銅的熔點(diǎn)為1083℃)并沿一次晶粒邊界向內(nèi)部擴(kuò)散，由于銅在鋼中的溶解度較低，在晶界處形成低熔點(diǎn)的液相薄膜，降低晶間結(jié)合力和高溫塑性，增加鋼的熱脆性和開裂敏感性而產(chǎn)生沿晶熱裂．在軋管的高溫和應(yīng)力作用下，液態(tài)的銅浸潤晶界，導(dǎo)致軋管表面形成橫裂．?dāng)嗫谔卣鞅砻髟摦a(chǎn)品的有效承載面積僅剩內(nèi)壁1/5壁厚區(qū)域，受力后必然產(chǎn)生爆裂。

5. 連鑄坯芯部成分偏析和夾雜物偏聚

   采用規(guī)格為140mm×4.5mm不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)規(guī)格為140mm的6.7L高壓氣瓶，該氣瓶工作壓力15MPa，水壓試驗(yàn)壓力為22.5MPa，保壓1分鐘，逐支做水壓實(shí)驗(yàn)，無泄漏和瓶體無變形為合格．其中一支氣瓶在進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，保壓時(shí)間內(nèi)瓶體破裂，破口為塑性斷口．宏觀特征是打壓爆裂氣瓶約500mm長，爆裂部位的裂紋開口約300mm長，中間裂口部位由于塑性變形而呈明顯凸起狀，斷口呈淺灰色韌性斷裂形態(tài)。

  微觀特征是氣瓶管體內(nèi)壁組織呈明顯的帶狀分布，管體內(nèi)表面有0.20mm深的脫碳層，將斷口樣品進(jìn)行電鏡觀察:裂紋從氣瓶管體的內(nèi)表面開裂，管體爆裂中間開裂源部位的斷口形貌呈木紋狀，木紋中有硫化物夾雜偏聚。爆裂原因是氣瓶從內(nèi)表面開裂，與其內(nèi)壁有較深的脫碳層和帶狀偏析組織有關(guān)，脫碳層組織主要為鐵素體，強(qiáng)度較低，打壓受力過程裂紋首先從內(nèi)表面薄弱部位開裂，不銹鋼管內(nèi)壁存在嚴(yán)重的帶狀組織與連鑄坯芯部成分偏析和硫化物偏聚密切相關(guān)，不銹鋼管內(nèi)壁帶狀偏析區(qū)和夾雜物偏聚處受力過程中易產(chǎn)生縱向開裂，形成木紋狀缺陷斷口．因此，氣瓶打壓爆裂與管體內(nèi)表面明顯脫碳、硫化物偏聚和成分偏析帶狀組織等不利因素有關(guān)。

6. 軋管內(nèi)表面存在劃傷缺陷

   以鋼級為J55、規(guī)格為139.7mm×9.17mm的套管為例，宏觀特征是爆裂管中間部位有呈縱向分布、開口較寬、約500mm長的爆裂裂紋。從爆裂管中間開裂源部位所取斷口試樣上發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)壁有一較長較深的凹溝缺陷，凹溝尺寸(長度×寬度×深度)95mm×8mm×4mm，肉眼觀察凹溝部位的斷口分為三部分:內(nèi)壁凹溝較光滑，呈灰黑色，這是在軋管穿孔過程造成的劃傷部分；斷口中間部分較粗糙，呈深灰色，這是矯直過程中凹溝底部裂紋的擴(kuò)展部分;外壁部位的斷口呈淺灰色，這是水壓過程爆裂的新鮮斷口。

  微觀特征是爆裂源部位的內(nèi)壁縱向凹溝缺陷呈螺旋狀分布(約30°方向)，內(nèi)壁凹溝深度約4mm;壁厚中間部位是熱處理過程裂紋擴(kuò)展部分，剩余的外壁部分是打壓過程開裂的．內(nèi)壁凹溝周圍的組織有明顯的高溫?cái)D壓變形造成的塑性流變特征，其它部位的組織為均勻的回火索氏體。爆裂管的化學(xué)成分正常，管體的組織、夾雜、晶粒度正常。爆裂原因:管子爆裂源部位內(nèi)壁有深度約4mm的光滑凹溝缺陷，它是因穿孔后的毛管內(nèi)帶入硬物(可能是耳子或其它異物)經(jīng)連軋機(jī)軋制后造成的機(jī)械劃傷．熱處理和矯直過程中，由于應(yīng)力的作用，凹溝底部產(chǎn)生裂紋并向內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致缺陷部位的有效受力面積減小，導(dǎo)致打壓過程裂紋向外壁擴(kuò)展最終管體爆裂。

7.軋管壁厚不均、屈服強(qiáng)度偏低

   以鋼級為N80I類、規(guī)格為73.02mm×5.51mm的油管為例．宏觀特征是打爆開裂樣管沿縱向開裂，裂口中間開裂源部位明顯凸起，產(chǎn)生了明顯的塑性變形，壁厚明顯變薄，肉眼觀察斷口發(fā)現(xiàn)，管體內(nèi)壁約1/2壁厚斷口已經(jīng)氧化銹蝕，呈黃褐色。外壁爆裂新鮮斷口約占壁厚1/2，斷口與外壁約呈45°角方向分布，為瞬間斷裂區(qū)。

  微觀特征是管體內(nèi)壁有大量小裂紋缺陷，小裂紋中有氧化鐵，裂紋周圍沒有明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，打爆斷口源區(qū)內(nèi)壁可見大量小裂紋缺陷，裂紋從內(nèi)壁開裂，爆裂裂口周圍組織有明顯的塑性變形流變特征。爆裂原因是裂紋從內(nèi)壁開裂擴(kuò)展至外壁．經(jīng)查:水壓打爆管屈服強(qiáng)度不合格，為480MPa，抗拉強(qiáng)度偏高，為827MPa．管體屈服強(qiáng)度偏低、管體內(nèi)壁質(zhì)量不佳、有大量小裂紋缺存在、管體打爆源區(qū)管體壁厚偏下限，多重不利因素綜合作用導(dǎo)致水壓實(shí)驗(yàn)過程中在不銹鋼管體最薄弱的部位開裂直至爆裂。

8. 管體表面存在淬火裂紋

  以鋼級為TP110H、規(guī)格為177.80mm×9.19mm的套管為例．宏觀特征是管子上有約800mm長的打壓爆裂裂紋。肉眼觀察發(fā)現(xiàn)打壓爆裂裂紋中間開裂源部位約有1/3部分的斷口呈灰黑色，開裂源裂紋與外表面垂直，內(nèi)壁僅有約1.7mm的新鮮斷口是打壓過程開裂后形成的淺灰色剪切唇，在管體表面開裂源部位還有多條肉眼可見的細(xì)裂紋缺陷，微觀特征:管體爆裂中間開裂源部位的表面裂紋與外表面垂直，深度約7.5mm左右，內(nèi)壁擴(kuò)展裂紋有剪切角度;主裂紋旁邊還有與表面垂直的次裂紋．主裂紋邊緣及周圍和次裂紋中間無夾雜聚集等其它缺陷．主裂紋和次裂紋周圍有輕微的氧化脫碳。爆裂原因:管體表面存在深度約7.5mm的垂直于外表面的裂紋缺陷，包括淬火裂紋和矯直應(yīng)力擴(kuò)展裂紋。開裂源部位僅有內(nèi)壁約1.7mm左右的厚度是相連的，管子該部位的有效承載面積很小，導(dǎo)致打壓過程在管體最薄弱的裂紋部位產(chǎn)生爆裂。

9. 套管管端螺紋加工缺陷

  以鋼級為P110、規(guī)格為139.70mm×9.17mm的套管為例。宏觀特征是套管在管端螺紋根部產(chǎn)生橫向斷裂;管端變形較大，明顯呈橢圓狀。微觀特征是裂紋開裂部位的夾雜、組織、晶粒度正常，未觀察到其它冶金缺陷。斷口觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋開裂源部位有較深的加工刀痕痕跡，斷口為韌性斷口。力學(xué)性能是管體正常部位的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表，結(jié)果正常。爆裂原因:裂紋從管端螺紋根部開裂，整個(gè)斷口呈新鮮的淺灰色韌性斷裂，無冶金缺陷．開裂源斷口部位的螺紋有加工刀痕痕跡，此處受力后產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，成為裂紋的開裂源，導(dǎo)致打壓過程中從管端螺紋根部應(yīng)力集中部位產(chǎn)生橫向爆裂。

三、結(jié)論

  引發(fā)不銹鋼管產(chǎn)品水壓試驗(yàn)爆裂均與管體局部存在某種缺陷有關(guān)．主要包括:

  1. 由連鑄坯缺陷造成的管材水壓實(shí)驗(yàn)爆裂的主要原因有澆注溫度偏高鋼水二次氧化、表面保護(hù)渣、表面裂紋(有害元素偏高)、表面滲銅、表面增碳、中心成分偏析、內(nèi)部夾雜物偏聚等。

  2. 由軋管缺陷造成的管材水壓實(shí)驗(yàn)爆裂的主要原因有軋管內(nèi)壁劃傷、軋管壁厚不均或偏薄等。

  3. 由管加工缺陷造成的管材水壓實(shí)驗(yàn)爆裂的主要原因有冷速過快和不均造成的淬火裂紋、管端螺紋加工缺陷等。

  對上述9例水壓實(shí)驗(yàn)典型爆管事故產(chǎn)生原因的分析結(jié)果表明，冶金缺陷、軋管缺陷和管加工缺陷均可引發(fā)管體水壓實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生爆裂。因此，不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)從煉鋼、軋管和管加工各個(gè)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，減少鋼管缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)加強(qiáng)探傷工作，把好質(zhì)量檢控關(guān)，降低不銹鋼無縫鋼管產(chǎn)品水壓實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生爆裂的事故發(fā)生率。