分享：冷拔直缝焊管开裂原因分析

St52.3是DIN17100中的牌号，广泛用于制造各类工程机械，如矿山和各类工程施工用的钻机、电铲、电动轮翻斗车、矿用汽车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重机、煤矿液压支架等机械设备及其他结构件。

制作流程为：热轧卷—分条—ERW制管—退火—表面处理—冷拔—打压测试—退火—探伤—涂油包装。根据用户对化学成分的要求生产了St52.3钢卷，厚度8.6 mm、宽度1430 mm。制管前沿轧制方向裁分成3条，按制作流程制作成液压缸，其中一个钢卷制成的钢管冷拔后，在注水打压测试过程中出现开裂。本文针对钢管的开裂现象采用扫描电镜和显微硬度计等仪器进行检测，对开裂原因进行了分析。

1.   St52.3生产数据分析

St52.3的化学成分满足用户St52.3热轧钢带的要求，如表1所示。

表  1  化学成分（质量分数，%）

元素	C	Si	Mn	P	S	Alt	N	B
要求	0.19~0.24	0.10~0.20	1.30~1.50	≤0.025	≤0.006	0.02~0.05	≤0.0075	0.0008~0.0025
实测值	0.23	0.17	1.35	0.013	0.006	0.02	0.0050	0.0018

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由于生产前已获悉用户的工作环境要求该钢在热处理后要求具有足够的强度、抗压性能和冲击韧性，要求各类非金属夹杂物等级≤2.0级，因此为保障轧制卷板的质量稳定，炼钢工序采取了一系列保障措施，如单独浇铸、炉外精炼深脱硫、Ca质处理、静置吹氩、全程保护浇铸、液芯压下。在进一步工艺排查中发现，开裂的焊管仅对应连铸生产的第一块铸坯，其余铸坯生产的焊管没有此类缺陷。

2.   断口分析

钢管注水打压测试压力31.5 MPa，其中一个钢卷生产的钢管在打压过程中开裂，开裂形貌如图1（a）所示，裂口贯穿钢管长度方向。将图1（a）中红色圆圈的部位切下来，其断口形貌如图1（b）所示。

图  1  钢管管体开裂和断口宏观形貌：（a）开裂；（b）断口

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2.1   断口形貌

将断口放大后，可以明显的看到断口上有两条分界线将断口分为3个区域，如图2所示。区域α位于钢管外表面，区域β位于钢管中间，区域γ位于钢管内表面；且钢管的整个断口均存在3个区域，但不同位置3个区域所占厚度比例稍有不同。此外，从图中还可以发现区域α和区域γ的断口较为整齐，区域β的断口呈撕裂状。

图  2  试样断口形貌

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2.2   组织

按图1（b）中标注的红色竖线切割试样，观察断口横断面的组织形貌，如图3所示。对比3个不同位置裂口的大小，发现位置1的开裂程度最大，位置1更靠近起裂位置，位置1中外表面的开裂程度最大，裂纹由外表面起裂。根据断口横断面的金属流线形貌，裂纹由外表面起裂，沿着金属流线延伸，宏观形貌为图2中区域α；随后垂直于金属流线扩展，形成撕裂状的图2中区域β宏观形貌；最后沿金属流线扩展至内表面，形成图2中区域γ的宏观形貌。

图  3  试样断口横断面的形貌

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观察金属流线处的组织，为铁素体和珠光体交替的层状组织，如图4所示。虽然这种层状组织的宽度10~50 μm，但是这种层状组织延伸至钢管表面，并暴露在外，在外力的作用下，易产生层状组织分开的裂纹，图4（a）所示。在进一步放大后，发现组织中存在大量的非金属夹杂物，多为不连续的、细长条状的硫化物夹杂物，图4（b）中箭头所指；也有不规则形貌的氧化物、氮化物夹杂，图4（b）中圆圈处所示。

图  4  试样断口微观组织

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2.3   显微维氏硬度

显微维氏硬度的检测表明，个别区域显微维氏硬度413，正常铁素体+珠光体区域显微维氏硬度269，相差154。

3.   原因分析

通过裂纹的形貌分析，裂纹的起裂位置位于焊管的外表面焊缝附近，裂纹向内表面扩展。金属流线是由于直缝焊接的过程中挤压，退火后形成铁素体与珠光体交替的条带状组织，这种组织强度呈层状分布，易于裂纹在强度低的位置扩展，因此裂纹沿着金属流线扩展，形成较为整齐的断口；随着不断扩展，裂纹的扩展方向与金属流线的方向夹角变大，裂纹不容易继续沿金属流线扩展，继而切断条带状组织，形成撕裂断口；随着裂纹向内表面扩展，裂纹的扩展方向与金属流线的方向夹角变小，裂纹又沿金属流线扩展，从而形成了3个明显的断口区域。此裂纹为钩状裂纹，在高压下扩展，导致钢管开裂。

根据非金属夹杂物形貌分析，钢中存在大量的硫化物、氧化物夹杂，降低钢的塑性、韧性，增加了裂纹扩展的可能性，也可能是裂纹的起源。生产冷拔直缝焊管的热轧钢卷原料时，应对非金属夹杂物进行严格控制。通过查询炼钢生产发现该卷轧制所用的连铸坯为浇次头炉头坯，开浇后头部切除700 mm出坯，该炉浇铸温度偏高，钢水的过热温度达到了46 ℃，极易造成钢水的二次氧化，并对钢包和浇注系统的耐火材料的侵蚀加剧，从而增加外来夹杂物的含量，造成头坯中总体夹杂物含量偏高。赵坤等[1]研究认为,热轧卷板中的非金属夹杂物是形成HFW焊缝钩状裂纹的主要原因。浇铸的第一块铸坯（即头坯）在未稳态情况下浇铸，非稳态严重影响钢的内部质量，因此切除头部非稳态浇铸的部分至关重要。吴龙等[2]研究认为超低碳钢头坯2 m处ω(T[O])降低到35×10−6，夹杂物以Al2O3为主，含量大大降低，二次氧化带来的簇状Al2O3夹杂物数量少，聚集范围变小，切头2 m后铸坯洁净度可满足产品的质量要求。

根据显微维氏硬度检测结果，个别位置的显微维氏硬度远高于正常位置，可能为原料钢板的成分偏析形成的硬相组织，在焊接和退火的过程中未能消除，或者为硬相非金属夹杂物。

4.   结束语

St52.3钢带制管后打压开裂的主要原因是头坯内部质量不良，成分偏析与非金属夹杂物并存；成分偏析引起组织带状，非金属夹杂在带状组织中，进一步恶化了钢的塑性。在焊管后出现钩状裂纹，冷拔和打压实验让钩状裂纹扩展，最终爆裂。对于非金属夹杂物要求严格的产品，应加强头坯浇铸质量控制，并且应切除一定的距离，以获得洁净度良好的铸坯。

来源--金属世界