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(yàn)等。該不銹鋼無縫管在成品氣密性試驗(yàn)時(shí)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(yīng)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(yàn)時(shí)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(jìn)行理化分析。

2.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

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(xué)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 室溫力學(xué)性能分析

（1）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，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(qiáng)度及塑性較好，優(yōu)于GB/T 14976標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 Φ10 mm×1 mm規(guī)格不銹鋼無縫管的室溫力學(xué)性能

（2）擴(kuò)口與壓扁試驗(yàn)。按照GB/T 242—2007《金屬管 擴(kuò)口試驗(yàn)方法》及GB/T 246—2017《金屬材料管壓扁試驗(yàn)方法》進(jìn)行擴(kuò)口與壓扁試驗(yàn)。選擇頂芯角60°的圓錐頂芯，外徑擴(kuò)口率為10%，擴(kuò)口后管壁未出現(xiàn)裂縫或裂口；同時(shí)，壓扁試驗(yàn)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(yàn)

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(yàn)方法》E法進(jìn)行銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗(yàn)，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(jìn)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(xì)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》A法進(jìn)行非金屬夾雜物評級。組織中除了B類和D類細(xì)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(diǎn)狀和塊狀疑似夾雜物。選取部分點(diǎn)位對該疑似夾雜物進(jìn)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(gè)點(diǎn)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?jǐn)?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(kuò)展，因管材本身力學(xué)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(xì)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(yīng)力作用，壁厚方向主要在兩向壓應(yīng)力及兩向摩擦阻力的作用下進(jìn)行變形并延伸，原始裂紋在應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展，由于裂紋底部不規(guī)則，容易產(chǎn)生分叉，擴(kuò)展出的裂紋細(xì)于原始缺陷。

對裂紋附近組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)分叉處存在細(xì)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(shí)軋制油進(jìn)入裂紋，裂紋縫隙內(nèi)的軋制油在去油時(shí)無法徹底清除干凈，而軋制油及脫脂劑中富含有機(jī)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(xì)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(dǎo)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(yàn)時(shí)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(yàn)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(jìn)行控制，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

（1）原料驗(yàn)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(jìn)行詳細(xì)量化規(guī)定，原料復(fù)驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)檢驗(yàn)夾雜物水平，防止加工至成品時(shí)出現(xiàn)缺陷。

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

（3）增加無損檢測。制定合理的驗(yàn)收準(zhǔn)則，對成品冷軋前的鋼管進(jìn)行超聲波探傷，標(biāo)記及隔離探傷檢測有缺陷的鋼管，定點(diǎn)修磨消除缺陷。

（4）對以上定點(diǎn)修磨后的鋼管采用同種檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，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(yàn)時(shí)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(rèn)為，穿孔管坯本身存在夾雜物，穿孔時(shí)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(dǎo)致裂紋在冷軋過程進(jìn)一步擴(kuò)展，最終貫穿管壁。