龐德禹

（揚州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚州 225000）

無縫鋼管在穿孔或軋制過程中，因為各種原因所致鋼管表面缺陷多達(dá)十幾種，這些缺陷主要包括：鋼管的表面裂紋、發(fā)紋、內(nèi)折、外折、軋破、內(nèi)直道、外直道、離層、凹坑、麻坑（麻面）、擦傷（劃傷）、內(nèi)螺旋道、外螺旋道、青線等。嚴(yán)重的缺陷導(dǎo)致鋼管報廢，危險性缺陷則需要打磨鋼管內(nèi)壁才能達(dá)到管件質(zhì)量要求，因此鋼管廠都十分重視鋼管缺陷產(chǎn)生原因分析及解決方案開發(fā)。

如攀鋼的連軋管機(jī)組在生產(chǎn)Φ325 mm×7 mm的34CrMo4氣瓶管時，生產(chǎn)的1 091支鋼管（1 000多t）其中274支鋼管尾端1.5～2.0 m處存在“鼓泡”和軋破現(xiàn)象，致使產(chǎn)品成材率不足75%，通過系統(tǒng)分析缺陷原因及解決方案改進(jìn)獲得良好的改善效果[1]。普通碳鋼Q345B無縫鋼管屬低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，過去的一種叫法為16Mn無縫鋼管，交貨前要求鋼管的內(nèi)外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結(jié)疤、軋折和離層[2]。某廠生產(chǎn)的Q354B無縫鋼管經(jīng)Φ430 mm圓坯穿孔熱軋成Φ402 mm×16 mm規(guī)格，管外壁出現(xiàn)大量結(jié)疤缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[3]。P92材質(zhì)高壓無縫鋼管經(jīng)鋼錠穿孔熱擠壓成型，用制管的鋼錠芯部可能存在疏松，經(jīng)垂直穿孔擠壓成型時，中心疏松區(qū)粘附在管子的端部（后擠壓成型的一端）在鋼管內(nèi)壁經(jīng)過磨削或機(jī)加工達(dá)到尺寸要求后仍不能徹底清除上述缺陷[4]。09CrCuSb是典型的耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼。其因優(yōu)異的耐腐蝕性能以及良好的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能，廣泛用于高含硫煙氣環(huán)境中的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等裝置設(shè)備，主要用于抵御含硫煙氣結(jié)露點腐蝕。因材料含有Cr、Cu等合金元素，在熱軋生產(chǎn)過程中極易產(chǎn)生內(nèi)折缺陷[5]。

無縫鋼管在生產(chǎn)中常出現(xiàn)質(zhì)量問題，使得成本增加，成材率降低，造成了極大損失。本文主要針對氣瓶鋼管生產(chǎn)中的內(nèi)壁表面質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，找到了缺陷產(chǎn)生的原因，同時對比分析公司合作開發(fā)的激光強(qiáng)化頂頭對氣瓶鋼管內(nèi)壁質(zhì)量的影響，分享氣瓶鋼管生產(chǎn)過程的質(zhì)量及成本控制經(jīng)驗。

1 無縫鋼管的常見內(nèi)壁表面缺陷分析

1.1 宏觀形貌缺陷分析

氣瓶鋼無縫管在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)很多種類型的缺陷，其中穿孔、軋制工序的缺陷對整個生產(chǎn)具有基礎(chǔ)性的影響，根據(jù)統(tǒng)計分析總結(jié)穿軋工序遇到的主要缺陷及其產(chǎn)生原因。

1.1.1 內(nèi)壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷

內(nèi)壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷主要表現(xiàn)為毛管內(nèi)壁不光滑平整，存在著粗糙的、有凹坑麻面的內(nèi)壁缺陷。產(chǎn)生原因主要一是穿孔后內(nèi)壁被氧化，軋管時氧化皮脫落二次壓入鋼管內(nèi)壁；二是穿孔、軋管使用成本較低的35CrMo或H13頂頭，頂頭表面磨損變形、掉肉、粘鋼等導(dǎo)致穿軋后毛管的內(nèi)壁缺陷。此種類型缺陷不能滿足氣瓶管的使用要求。

通常解決熱軋內(nèi)壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷的方案為：通過冷軋增加減壁量的方式，由于增壁現(xiàn)象的存在，消除內(nèi)壁凹點狀缺陷的效果不如冷拔減壁的方式。冷軋前的坯管酸洗一定要沖洗干凈，遺留的氧化鐵皮也是內(nèi)壁麻點缺陷的主要原因之一；冷軋過程要有合適的減壁量，采取増壁軋制，內(nèi)壁的粗糙度將有可能達(dá)不到要求。對鋼管內(nèi)壁凹坑、麻點、螺旋道缺陷，通過冷拔方式減壁后，可以很大程度上消除精密管內(nèi)壁麻點狀缺陷。由于考慮冷拔的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，原先采用了較小的減壁量（2 mm），基本能達(dá)到原有的要求。如果毛管內(nèi)壁有較大的凹坑、麻點、螺旋道缺陷，則冷拔工藝不能完全消除缺陷。

對于凹坑、麻點不嚴(yán)重的情況，也可以采用管件內(nèi)壁打磨的方式消除缺陷。

1.1.2 導(dǎo)板印缺陷

因?qū)О遒|(zhì)量問題或安裝偏差、導(dǎo)板座松動，或鋼溫過高，易造成導(dǎo)板黏鋼而產(chǎn)生對毛管外表面的刮傷，形成螺旋狀的導(dǎo)板印。輕微的導(dǎo)板印不影響后續(xù)無縫管、氣瓶管的質(zhì)量（有磨削工序），但嚴(yán)重（有一定深度）的導(dǎo)板印會使冷軋或冷拔后形成類似外折的裂紋缺陷，磨削量過大而造成成品尺寸超下公差導(dǎo)致報廢。導(dǎo)板印缺陷的特征是從頭到尾間斷或連續(xù)的、有規(guī)則的螺旋形劃傷。

1.1.3 鋼管內(nèi)壁劃傷、內(nèi)折缺陷

頂頭表面質(zhì)量導(dǎo)致的鋼管內(nèi)壁劃傷、內(nèi)折等。將實心管坯穿孔成空心的毛管，其主要變形集中在頂頭上進(jìn)行。因此頂頭處在高溫度、高壓力的工作環(huán)境下，很容易發(fā)生磨損或鼻部被壓堆，有時甚至融化。在穿孔過程中，頂頭鼻部塌陷或黏鋼后會劃傷毛管的內(nèi)表面，嚴(yán)重時會造成毛管內(nèi)折。此內(nèi)折一般是從頭到尾連續(xù)規(guī)律的螺旋狀。主要是因為頂頭磨損之后，頂頭工作面的摩擦系數(shù)會增大，所以會對管坯內(nèi)表面金屬的流動帶來不利的影響，不利于抑制管坯孔腔的形成，從而造成毛管內(nèi)折的產(chǎn)生。特別是當(dāng)頂頭局部發(fā)生融化，與毛管內(nèi)壁黏合在一起時，這種影響會更加嚴(yán)重，有時甚至?xí)l(fā)生毛管軋卡事故。

經(jīng)典熱軋毛管內(nèi)壁劃傷案例：穿孔頂頭采用表面氧化的H13頂頭，當(dāng)頂頭穿管支數(shù)大于100支后，毛管內(nèi)壁存在較多劃痕和麻坑，劃傷導(dǎo)致的麻面等，如圖1。

圖1 管坯內(nèi)壁的劃傷及麻坑照片

分析認(rèn)為，H13熱作模具鋼頂頭在使用過程中出現(xiàn)塌鼻、黏鋼、大開裂、融化等問題（如圖2所示），都會直接導(dǎo)致劃傷毛管內(nèi)壁。毛管內(nèi)壁的劃傷不僅會增加后續(xù)加工的工作量，嚴(yán)重者還會導(dǎo)致鋼管報廢，進(jìn)而直接影響鋼管生產(chǎn)的成本、成材率以及市場交付，最終可能會丟失市場。

圖2 H13頂頭使用過程中出現(xiàn)的問題

根據(jù)統(tǒng)計穿氣瓶鋼時，當(dāng)H13頂頭使用壽命達(dá)到100支以上，管件內(nèi)壁劃傷程度會越來越嚴(yán)重，如果不更換新的頂頭，毛管需要打磨才能滿足后道工序生產(chǎn)要求，增加打磨工序及成本，缺陷嚴(yán)重者則會導(dǎo)致鋼管報廢；如果更換新的頂頭，一是增加頂頭的消耗成本，二是影響生產(chǎn)節(jié)奏，增加生產(chǎn)成本。

1.2 激光熔敷表面強(qiáng)化頂頭對鋼管內(nèi)壁表面質(zhì)量的影響

鋼管內(nèi)壁質(zhì)量控制受到鋼管廠的高度重視，近年來的穿管質(zhì)量控制技術(shù)獲得有效的改進(jìn)，采用無縫鋼管生產(chǎn)過程質(zhì)量預(yù)報及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化控制可以在線控制管件軋制參數(shù)[6]，獲得良好的管件生產(chǎn)質(zhì)量。鋼管內(nèi)壁質(zhì)量受到頂頭質(zhì)量的影響較大，各研究單位對頂頭的形狀、材質(zhì)及熱處理質(zhì)量研究進(jìn)行了大量的改進(jìn)，其中對頂頭表面進(jìn)行氧化處理，獲得致密的氧化膜，提高頂頭的表面性能，從而改善穿管坯件的質(zhì)量[7]；通過改變頂頭材質(zhì)方法[8-9]；有些廠家用化學(xué)涂層或金屬噴涂的方法來增大頂頭表面的耐磨性等。

然而，市場上頂頭材質(zhì)大多為3Cr2W8V、20Cr2Ni4、H13等，有時也用復(fù)合頂頭或鉬基頂頭。其性能遠(yuǎn)達(dá)不到要求，因此毛管內(nèi)壁缺陷還需要通過后續(xù)工序，如打磨、冷軋或冷拔等工序來解決，增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率。特別是氣瓶鋼管件，如果頂頭的質(zhì)量達(dá)到一定的優(yōu)勢，可以避免采用后續(xù)工序來改善管件質(zhì)量，將大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)成本。

在此背景下，揚州誠德鋼管有限公司為了解決H13頂頭的壽命及管件內(nèi)壁缺陷問題，與頂頭供應(yīng)商及科研研究所進(jìn)行合作開發(fā)，獲得激光表面強(qiáng)化穿孔頂頭，該頂頭采用激光熔敷在H13頂頭表面制備強(qiáng)化層。表面光滑且與基材牢固冶金結(jié)合的覆層（如下頁圖3所示），大大提高了頂頭的耐磨、耐沖擊、耐高溫腐蝕等性能。在使用過程中，氣瓶鋼穿管200支以上，頂頭未出現(xiàn)嚴(yán)重塌鼻、粘鋼、大開裂、磨損、融化等現(xiàn)象。激光強(qiáng)化頂頭的失效形式為冷熱交替至龜裂加劇，穿制氣瓶鋼管的使用壽命大約為400支。

圖3 激光強(qiáng)化頂頭及穿管100支后表面狀況

激光強(qiáng)化頂頭在穿制氣瓶鋼管達(dá)到100支時，管件內(nèi)壁基本保持較好的狀態(tài)，管件內(nèi)壁劃傷較少，只粘了少量的氧化皮（見圖4所示）。激光強(qiáng)化頂頭的使用直接提高頂頭使用壽命，提高管件穿制效率及連續(xù)性；間接提升毛管內(nèi)壁質(zhì)量，減少后續(xù)的打磨加工量，具有很高的綜合效益，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合降本的目的。

圖4 激光強(qiáng)化頂頭穿制100支氣瓶鋼管后的毛管內(nèi)壁形貌

2 結(jié)論

通過毛管內(nèi)壁表面質(zhì)量觀察分析認(rèn)為，氣瓶鋼毛管內(nèi)表面質(zhì)量缺陷主要是由于頂頭導(dǎo)致，頂頭塌鼻、黏鋼、大開裂、融化等都會劃傷毛管內(nèi)壁。解決方案：

1）及時更換新頂頭，但會增加頂頭的費用支出，影響生產(chǎn)的連貫性，降低生產(chǎn)效率。

2）采用激光融敷表面強(qiáng)化頂頭，頂頭表面具有強(qiáng)化層，在使用過程中不會產(chǎn)生塌鼻、黏鋼、融化等嚴(yán)重變形，從而獲得良好的毛管內(nèi)壁質(zhì)量，目前激光融敷強(qiáng)化頂頭穿制氣瓶鋼管壽命可達(dá)400支左右，具有較好綜合效益及管件質(zhì)量。