冷彎性能是檢驗板材力學性能的重要指標，然而開裂缺陷常出現(xiàn)在不銹鋼焊管冷彎過程中。使用OM、SEM及EDS等檢測手段，對不銹鋼焊管冷彎開裂缺陷進行檢測分析。結果表明：硅酸鹽夾雜、硫化物夾雜、鋯系耐材的脫落及加工硬化程度過高等都能導致不銹鋼焊管冷彎開裂。針對上述各種原因分別提出改善吹氬操作、控制壓縮比、選擇優(yōu)異的水口材料以及優(yōu)化軋制工藝等相應措施。

 不銹鋼焊管被廣泛應用于石油、天然氣輸送管道以及各種管制工業(yè)產(chǎn)品當中．其優(yōu)異的抗疲勞特性成為生產(chǎn)中重要的考慮因素。隨著焊管需求的不斷增加，一些不銹鋼焊管缺陷問題也給廠家及用戶帶來不必要的麻煩．其中不銹鋼焊管冷彎開裂缺陷在生產(chǎn)過程中十分普遍。冷彎性能是檢驗板材力學性能的重要指標，主要考察造船、橋梁、建筑、壓力容器等用鋼材在常溫下冷加工彎曲時產(chǎn)生塑性變形的能力。在實際生產(chǎn)中，不銹鋼焊管發(fā)生冷彎開裂通常涉及到板材基體與焊縫兩方面問題，影響冷彎性能的因素包括鋼的化學成分，純凈度，夾雜物種類、數(shù)量、尺寸以及組織結構，軋鋼工藝等多種因素，然而，目前針對焊管冷彎開裂缺陷的研究報道大多集中在某一種類上，對其原因種類的歸納敘述鮮見報道。因此，為了消除冷彎開裂缺陷，同時給廠家及用戶提供理論指導，本文通過對開裂缺陷區(qū)域的微觀形貌、力學性能等進行研究，針對煉鋼廠、熱軋板廠和冷軋板廠產(chǎn)生的缺陷進行原因分析，并制定相關解決措施，對指導現(xiàn)場實際工業(yè)生產(chǎn)有一定的實用價值。

一、試驗材料與方法

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對幾種缺陷的宏觀形貌進行觀察，并記錄其特征。采用電火花數(shù)控線切割機床，在試樣冷彎斷口典型區(qū)域截取10mmxl0mm金相試樣(取樣時盡量貫穿缺陷處以觀察其橫截面上的缺陷組織形態(tài))，用砂紙依次進行5道打磨后在自動金相試樣研磨拋光機上拋光，使用41％硝酸酒精溶液腐蝕后用無水酒精清洗。然后在光學顯微鏡下觀察熱軋帶鋼的顯微組織．利用S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜儀對試樣斷口形貌進行觀察及成分分析。

二、冷彎開裂缺陷種類及原因分析

 1. 硅酸鹽類夾雜引起的焊管冷彎開裂

 圖為硅酸鹽類引起焊管冷彎開裂的宏觀形貌。圖為缺陷區(qū)域SEM形貌及EDS分析。由圖可知，焊管脊部位置出現(xiàn)長達100mm的裂紋，并且裂紋在焊板厚度方向上有一定深度。由圖可知，夾雜物尺寸長達70~150um，開裂區(qū)域成分主要由碳、氧、鐵、錳、鋁、硅等元素組成，主要是硅酸鹽類復合夾雜。圖是不銹鋼焊管冷彎開裂斷面的顯微組織。如圖所示，其組織由鐵素體和珠光體組成。在板厚兩側四分之一處出現(xiàn)多條沿軋制方向的異常條帶狀物質。該物質與軋制方向平行，一部分穿晶而過，一部分沿晶穿過，異常條帶狀物質長度在100~1000um，寬度在1~3um，條帶兩端呈銳角狀態(tài)，其尺寸較大。

 對照國標可知，該碳類夾雜物已大于3級。冷彎變形時，由于夾雜物和基體的塑性、韌性相差較大，使得夾雜物與基體不能同時變形，位錯堆積在晶界附近，內應力集中，容易在夾雜物與周圍基體結合處出現(xiàn)裂紋源。另外，由于夾雜物尺寸及形狀的不同，使得板材產(chǎn)生各向異性，板材的橫向延性受到影響。大尺寸夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，降低了晶粒間的結合力及熱塑性，使得各相在基體中不協(xié)調變形，降低了材料的延展性。在后續(xù)變形中，裂紋從夾雜物與基體結合處萌生及擴展，發(fā)生開裂。為了改善因硅酸鹽類夾雜物引起的焊管開裂缺陷，首先，改善吹氬操作工藝，減少鋼液中尺寸較大的硅酸鹽夾雜；其次，保障良好的中間包工藝，提高鋼水中夾雜物的去除率。

 2. 硫化物引起的焊管冷彎開裂

 圖是硫化物引起冷彎開裂缺陷的焊管基體，圖是開裂缺陷處的顯微組織，由圖可知，缺陷處組織由正常的鐵素體與珠光體組成，缺陷處沒有晶粒粗大現(xiàn)象以及晶界氧化的痕跡，組織中出現(xiàn)了條帶狀夾雜物，其尺寸在20~150um左右。圖為開裂缺陷處SEM形貌及EDS能譜分析，由圖可知該復合夾雜物由硫化錳、硫化鐵等硫化物組成。塑性硫化物在軋制過程中高溫形變指數(shù)接近19，在軋制過程中與基體同時延伸變形，被軋制成條帶狀。條帶狀硫化物造成了基體的各向異性，受到焊接過程熱脹冷縮的影響，在熱膨脹系數(shù)不同的夾雜物與基體接觸面處萌生微裂紋。另外，冷彎過程中，條帶狀硫化物與基體接觸面為空洞的萌生提供了場所。隨著冷彎程度加大，微裂紋與空洞會不斷擴展長大，其斷裂過程如圖所示。由于夾雜物本身不對稱，容易在基體周圍產(chǎn)生彈性畸變能，使得內應力增大。冷彎過程中，夾雜物附近的主應力為拉應力，容易造成夾雜物本身破碎。在應力作用下，由于夾雜物與基體結合較弱，夾雜物與基體剝離，最終導致夾雜物與基體接觸面處的斷裂問。

 針對硫化物夾雜，生產(chǎn)中要從硫化物的數(shù)量、形狀及性質上改善：優(yōu)化脫硫工藝，采用合成渣法脫硫時，要進行充分的吹氬攪拌，必要時可以考慮鐵水預脫硫。夾雜物的尺寸與板材厚度與壓縮比有關，較厚的板材應采用較大的壓縮比以改變硫化物在基體中的分布形狀。加入適量的鈦元素，當焊管冷彎變形時，破碎狀含鈦的硫化物對基體的應力集中有所改善。

3. 錯系耐材脫落引起的焊管冷彎開裂

  鋯元素具有較強的親氧性，其氧化物二氧化鋯主要存在于鋯英石中，適量的二氧化鋯對耐火材料性能的提升有較大影響。圖是不銹鋼焊管冷彎開裂的宏觀形貌。如圖所示，在焊管冷彎過程中，焊縫處發(fā)生明顯的壓扁開裂缺陷。

 利用掃描電鏡對焊縫開裂處的微觀形貌進行觀察，并進行EDS能譜分析，如圖所示，開裂處有大量的夾雜物存在，夾雜物大多呈顆粒狀集聚在斷口處，并且其尺寸較大，一般大于100um。復合夾雜物中，由于中間包水口的鋯元素含量較大，硫、硅、鋁等作為脆性夾雜物的組成元素，其氧化物與水口材質錯英石發(fā)生反應，導致錯英石分解，生成低熔點液相進入鋼水。另外，ZrO2的穩(wěn)定劑CaO與鋼水中的夾雜物如AlO3、SiO2等反應而脫溶，致使氧化錯失穩(wěn)分解，變成單斜相小顆粒進入鋼水。錯系耐材的脫落，如果程度嚴重會引起軋制孔洞，使得焊管板材韌性降低，在夾雜物周圍產(chǎn)生應力集中，導致邊部分層，在壓扁過程中出現(xiàn)開裂缺陷。

 針對錯系耐材脫落引起的開裂缺陷，可以從如下方面進行改進：

    a. 澆鋼前，選用抗氧化性能和烘烤性能較優(yōu)良的水口材料，合理控制水口的烘烤時間及溫度。

    b. 根據(jù)不同鋼種，選用質量優(yōu)良的浸人式水口，增強水口渣線的抗侵蝕能力。

    c. 澆鋼過程中，根據(jù)渣線侵蝕情況及時變換渣線；渣線侵蝕嚴重時，合理縮短澆注周期，保證澆注工作的正常運行。

 4. 加工硬化程度過高引起的焊管冷彎開裂

  冷彎過程中，不銹鋼焊管常常由于母材板料的選取以及加工程度問題而出現(xiàn)開裂缺陷。圖是由于冷硬板母材加工硬化程度過高引起冷彎開裂的焊管宏觀形貌。圖為冷硬板的顯微組織。如圖所示，該冷硬板組織中晶粒發(fā)生變形，大量的纖維組織沿變形方向被拉長。晶粒內部存在由于冷加工硬化程度過高而引起的滑移帶。

  圖是不銹鋼焊管冷彎開裂處的斷口SEM形貌及能譜分析。由圖可知，斷口成分主要由鐵元素組成，斷口存在大量的韌窩及類似排骨狀的滑移帶，鋼板中心部位沿晶界存在撕裂形貌，有明顯的撕裂棱，部分變形晶粒中可以清晰地看到大量晶內剪切帶，呈密排的條紋狀近似平行分布。行業(yè)內一般規(guī)定加工硬化率不能超過60%，而此焊管的加工硬化率已經(jīng)超過70%。加工硬化率過高時，原子間不易進行滑移，局部產(chǎn)生應力集中，此時晶界被拉長，沿晶界的滑移帶在剪切力的作用下出現(xiàn)微裂紋。冷彎過程中微裂紋擴展，最終導致不銹鋼焊管的開裂。

  為了解決由于加工硬化程度過高引起的不銹鋼焊管冷彎開裂缺陷的主要措施包括：

  1. 通過再結晶退火消除加工硬化，為了防止晶粒的長大，加熱溫度不宜過高。

  2. 優(yōu)化軋制工藝，減少軋制的壓下量，減少加工硬化率。

三、結論

  1. 硅酸鹽夾雜物通常沿軋制方向呈條帶狀一部分穿晶而過，一部分沿晶而過，尺寸較大，一般C類夾雜物超過3級時就破壞了基體的連續(xù)性。在冷彎成形時，裂紋從夾雜物與基體結合處萌生及擴展，發(fā)生開裂。

  2. 硫化物引起的不銹鋼焊管冷彎開裂缺陷通常由于其熱膨脹系數(shù)與基體不同，在焊接過程中接觸面會萌發(fā)微裂紋源，在冷彎過程中裂紋擴展、開裂。

  3. 錯系耐材脫落引起的不銹鋼焊管開裂通常由于水口處鉆英石的分解或氧化鉆失穩(wěn)分解，引起軋制孔洞，不銹鋼焊管基體抵抗能力較差，在夾雜物周圍產(chǎn)生應力集中導致邊部分層，在壓扁過程中出現(xiàn)開裂缺陷。

 4. 加工硬化程度過高引起的不銹鋼焊管冷彎開裂缺陷通常可觀察到類似排骨狀的滑移帶，加工硬化率一般不能超過60%。過高的加工硬化率，會導致沿晶界的滑移帶在冷彎過程中產(chǎn)生微裂紋，引發(fā)焊管開裂。