X52高频直缝焊管热影响区裂纹原因分析

采用金相显微镜和扫描电镜检验X52试验钢焊管裂纹断口和夹杂物形貌,并对夹杂物进行微区成分分析,确定了钢中存在大量密集分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物层带状夹杂是形成裂纹的主要原因,层带状夹杂物在高温和焊接挤压力的作用下内部分离而产生裂纹。

近年来我国石油工业的迅速发展,尤其是西部大开发.西气东输.工程的实施,大量使用低合金高强度钢板,焊接生产大管径的输油或输气管道,为了保证管道有高的抗剪切破断能力,要求钢板有高的抗横向撕裂能力。如何提高钢材的纯净度以及获得不变形的变质硫化物,成为各钢铁生产企业的技术核心问题。X52管线钢是我国目前输油输气用焊接钢管的常用钢种,一般采取钙处理降低钢中硫、磷等杂质的含量,减少钢中的夹杂物总量;或是在钢中加入稀土达到球化硫化物的目的,防止长条状的MnS夹杂产生,两种生产工艺均取得了良好的效果。

某钢管厂在生产323.9 mm.8.0 mm.12 000mm的X52高频焊管时,选用了稀土处理的X52试验钢卷,结果在部分焊管内壁的焊接热影响区产生了纵向分布的微裂纹,极少量焊管外壁的焊接热影响区也产生了纵向裂纹。为了分析X52焊管裂纹产生的原因,对X52试验钢卷以及焊管裂纹和夹杂物形貌进行了全面的检验分析。

1.检验结果分析

1.1化学成分及力学性能检验

检验了3个炉号的X52试验钢卷化学成分和力学性能,其检验结果见表1、2。由表1可见,X52试验钢卷中硫、磷杂质含量较低,冶炼化学成分较稳定,成品钢中的RE/S值约为6,钢中总氧仅(18~32).10-6。由表2可见,试验钢的力学性能符合X52技术指标,0.横向冲击功较高。试验钢在连铸结晶器中采用喂丝的方法,吨钢加入稀土300 g,以达到球化处理硫化物的目的。

1.2试验钢卷探伤检验

对8卷X52试验钢卷边缘沿轧制方向进行双面磁粉探伤,结果未发现有报警现象。表明,钢卷在高频焊接前无裂纹等缺陷存在,焊管热影响区出现的裂纹产生在制管焊接工艺过程中,排除了裂纹来自X52试验钢卷的可能性。

1.3金相检验

对X52试验钢焊管产生的裂纹部分横向取样后制成金相试样,观察显微组织和裂纹形貌,X52焊管和钢卷纵向取样,磨制夹杂物试样进行夹杂物评级。显微组织及裂纹形貌检验结果见图1~7。

由金相检验结果可见,X52试验钢组织全部为F+P,晶粒度为11.0~11.5。根据GB/T10561-1989标准评定,A类夹杂为0.5~1.0,B类夹杂为0.5~3.5,D类夹杂为0.5~1.5。X52钢卷及焊管中主要是存在大量密集分布的B类夹杂物,B类夹杂物级别最高达到5.0级。后经扫描电镜能谱微区成分分析,B类夹杂物为RE、O、Mg、A1、Mn、S、Fe、Ca等元素的复合夹杂。

焊接裂纹位于X52焊管内壁的焊接热影响区,距离焊缝约0.5~2.0 mm,裂纹走向与焊接接头的金属流线一致,呈略为弯曲状态,裂纹内均存在夹杂物,说明裂纹的产生与焊接挤压力及夹杂物有关。

1.4电镜检验

将肉眼可见的裂纹部分取样后沿裂纹压断,制作成电镜断口分析试样。裂纹断口是从裂纹侧用力使裂纹向外扩展而断裂,断口上可见陈旧和已氧化发黑的裂纹源区,以及制样时的撕裂纤维状扩展区两个明显的区域。裂纹源区深度一般约1.0~2.0 mm,长度有的达到100 mm,有的仅3.0~5.0 mm,长短不一。裂纹断口及夹杂物形貌如图8~12所示,微区化学成分见表3。

由电镜检验结果可知,在裂纹源、裂纹根部和裂纹撕裂区均存在呈层带状分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夹杂,虽单个夹杂物尺寸小于10.m,但分布集中、密度较大。由图8可见,裂纹深约1.0 mm,因该试样裂纹源氧化较轻,可以清晰地看到夹杂物颗粒镶嵌在整个裂纹源金属基体上,通过微区能谱分析表明裂纹源区稀土硫氧化物含量较高。由图9、图12可见,试样裂纹根部和撕裂区存在层带状分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夹杂,夹杂物层带与正常韧窝区域分布呈交错状态,夹杂物层厚度达到0.2~1.0mm,稀土局部微区成分达到了3%左右。由图11可见,P1767焊管存在的中间裂纹试样,通过微区成分分析表明在裂纹中存在稀土硫氧化物夹杂,RE/S达到8.8~12.1倍。以上电镜检验结果表明,裂纹与稀土夹杂物密切相关,凡在裂纹中均可发现稀土硫化物和稀土硫氧化物夹杂物,夹杂物中的RE/S值较高。

2.分析与讨论

2.1焊接裂纹缺陷的形成原因

从金相和电镜检验的结果可知,在焊接裂纹源和裂纹根部,均存在大量密集分布、呈层带状的稀土硫氧化物或稀土硫化物夹杂物。稀土硫化物或稀土硫氧化物熔点较高为,1 690~2 450,属脆性夹杂。裂纹的形成原因是由于热态金属受强烈挤压,使其中原有的纵向分布的层状夹杂物向外弯曲过大而造成的开裂现象。从微观角度分析裂纹产生的内在原因,由于层状夹杂物在金属内部属于不连续状态,在焊接挤压力的作用下,稀土硫化物或稀土硫氧化物夹杂层内部分离而产生裂纹,这可以从裂纹两侧的试样对应部位夹杂物检验结果所证实。

2.2钢中稀土夹杂的成因

以前,人们在钢中加入稀土处理时,只考虑了脱氧和脱硫后夹杂物尺寸、分布以及对钢材力学性能的影响,很少涉及到夹杂物对焊接性能的影响问题,尤其是对高频直缝焊管产生的特殊影响。关于钢中稀土加入量的计算问题,Lu等人提出了考虑稀土脱氧和脱硫的作用时,其最低加入量的近似计算公式:RE=5.85([O]原始-[O]残留+2.93[S]原始-[S]残留)+RE残留按混合稀土平均原子量140.5考虑,根据生成RE 2 O 3和RE 2 S 3的化学当量计算,每除去1.10-6的氧要用去5.85.10-6的稀土;每除去1.10-6的硫要用去2.93.10-6的稀土。由该计算公式可见,稀土主要作用是脱氧,其次是脱硫。

在现代炼钢生产技术中,钢水一般采用Al或Si-A1-Ba等脱氧剂预先脱氧,使钢水中的[O]活度达到(20~30).10-6,在此基础上进行喷粉钙处理净化钢质或加入稀土球化变质处理硫化物。目前钢厂广泛采用在连铸结晶器中喂入稀土丝,其稀土收得率高达70%~90%,此时加入的稀土应只考虑脱硫的作用,一般按终点硫含量计算,按RE/S=3的比例加入稀土。如武钢在生产X60、X65管线钢时,在板坯连铸结晶器喂入稀土丝,理论上将硫全部变为RE 2 S 3型的夹杂物所需的稀土量为2.94.S%,但实际按RE/S=2.5的比例加入。

Gondon等人的研究结果表明,当钢中含硫量极低时(.0.003%),硫化物的危害已大为减弱,横向性能已显著提高,这时稀土的变质作用就不太明显[4]。一般认为,对高质量的管线钢,如不经稀土处理,其含硫量至少要低于0.005%。在极低硫时,其性能随含硫量的变化十分敏感,为了稳定性能,在低硫处理的同时,进行稀土处理也有一定的好处。

正如表1可见,X52试验钢中的[O]含量较低,且硫含量仅0.004%~0.005%时,按Gondon等人的理论可以不加入稀土,或严格控制加入稀土的量,足以能保证X52试验钢的性能。但由表1可见,检验的X52试验钢中的RE/S值约达到6左右,远高于3,另因钢厂的板坯连铸结晶器又无电磁搅拌装置,由此导致了钢中的稀土硫化物或稀土硫氧化物呈层带状大量偏聚。

2.3内管壁裂纹比外管壁裂纹多的原因

高频焊管的尺寸规格为323.9 mm×8.0 mm×12 000 mm,热轧板卷圆成型后,在热轧板的厚度方向始终存在一个V形的开口。在焊接过程中,焊接挤压力使热态金属产生变形,由于V形开口的存在,管子内壁的变形率始终大于外壁的变形率。在板材存在层状不变形脆性夹杂时,产生裂纹的可能性就增大。制管钢板越厚,这种倾向就越明显。

2.4.提高焊管探伤合格率的措施

根据检验统计,X52试验钢焊管裂纹位于管内壁的焊接热影响区,与高频焊管生产工艺特点相吻合,管内壁流线角度大于外壁。流线角度大,变形就大,也越容易发生裂纹。由焊接裂纹的形成原因可知,X52高频焊管产生裂纹的两个基本条件,一是钢材内部存在夹杂物,二是焊接挤压力相对较大。根据资料介绍[2,3],避免产生此类缺陷的措施,首先是保证母材的质量,限制杂质的含量,其次是调整焊接参数,使挤压力不要过大。焊接工艺试验时,通过金相检验和控制流线角度的方法,在保证氧化物挤出、保证变形量适当的前提下,稍微降低焊接挤压力,焊管探伤合格率明显提高,但还是有少量管子在探伤时发现有裂纹缺陷。

3. 结论.

(1)焊接裂纹的产生是X52试验钢卷存在层带状的稀土硫化物和稀土硫氧化物夹杂以及焊接挤压力共同作用的结果,提高钢质纯净度,降低钢中夹杂物的含量和尺寸,避免夹杂物偏聚是消除焊接热影响区裂纹的根本措施。

(2)X52试验钢卷中的层带状稀土夹杂物是连铸浇钢时喂入的稀土量相对过多,导致RE/S值过高而形成的。

(3)焊接工艺方面采取与材料相适应的工艺参数,适当降低焊接挤压力,可降低裂纹产生几率,提高探伤的合格率。