无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.s1.015 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 宁玫庄刚窦志超李志群 天津钢管集团股份有限公司，天津300301 ☒通信作者，E-mail:nmtpco@126.com 摘要对无缝钢管产品水压实验过程中发生的9例典型爆裂事故产生原因进行了宏观和微观综合分析.结果表明：引发钢 管产品水压实验爆裂均与管体局部存在某种缺陷有关.连铸坯缺陷包括表面裂纹、表面存在保护渣和增碳、表面渗铜、中心偏 析和内部夹杂物偏聚等：轧管缺陷包括表面划伤、壁厚不均和偏薄等：管加工缺陷包括表面淬火裂纹、热处理组织异常、屈服 强度偏低、管端螺纹加工精度差等.针对分析结果，提出了改进措施 关键词连铸：坯料：无缝钢管：裂纹：折叠；夹杂 分类号TG142.1 Analysis of reasons for bursting of seamless pipe production in hydraulic tests NING Mei,ZHUANG Gang,DOU Zhi-chao,LI Zhi-qun Tianjin Pipe Group Corporation,Tianjin,300301 Corresponding author,E-mail:nmtpco@126.com ABSTRACT Macroscopic and microscopic analyses were conducted for 9 typical bursting incidents in hydraulic tests of seamless pipe production.The analysis results show that bursting in the hydraulic tests is always related to some defects existing in some parts of pipes.Defects in continuous casting billets include surface cracks,surface slag and surface carburetion,surface copper infiltration, central segregation and internal inclusion segregation,etc.Defects existing in hot rolled pipes include surface scratches,ununiformity or reduction of wall thickness,and so on.Defects caused by tube processing include surface quench cracks,abnormal microstructure, low yield strength and low precision of thread machining of pipe ends.Suggestions for improvements are also provided according to the analysis results. KEY WORDS continuous casting;billets:seamless pipes:cracks:folding:inclusions 无缝钢管产品多使用在重要场合，产品质量优 在用户制作气瓶后和液压支架管在用户制作液压缸 劣直接影响到其服役过程中的使用寿命和安全性， 后，也要进行承压实验.钢管产品水压实验过程中 尤其是一些承压产品，如石油套管、气瓶管和液压支 发生异常爆裂，往往与钢管局部存在某种缺陷有关. 架管等对使用性和安全性要求更高).如果一支 通过对钢管缺陷的分析，确定缺陷的性质和产生的 套管出现问题，可能导致一口油井报废，往往损失几 工艺环节，将其反馈给生产厂，协助生产厂查找生产 十万甚至数百万元：而气瓶管和支架管出现质量问 工艺异常情况，对避免和杜绝钢管产品水压实验爆 题其危害性更大，它造成的不仅仅是经济损失，还可 裂事故的再次发生具有重要意义. 能涉及到人身安全问题.因此，为了保证钢管使用 1实验材料和方法 的安全性和可靠性，油套管出厂前要逐支进行水压 实验，检查钢管在规定压力下保压时间内有无渗漏 1.1实验材料 或出汗现象，以考核钢管的整体承压能力，并消除部 实验分析钢管是采用热连轧管机组生产的油套 分管体残余应力，从而保证钢管的使用性能：气瓶管 管和气瓶管在水压实验时爆裂的样管.其中：套管 收稿日期：201202-22

第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 宁 玫 庄 刚 窦志超 李志群 天津钢管集团股份有限公司，天津 300301 通信作者，E-mail: nmtpco@ 126． com 摘 要 对无缝钢管产品水压实验过程中发生的 9 例典型爆裂事故产生原因进行了宏观和微观综合分析． 结果表明: 引发钢 管产品水压实验爆裂均与管体局部存在某种缺陷有关． 连铸坯缺陷包括表面裂纹、表面存在保护渣和增碳、表面渗铜、中心偏 析和内部夹杂物偏聚等; 轧管缺陷包括表面划伤、壁厚不均和偏薄等; 管加工缺陷包括表面淬火裂纹、热处理组织异常、屈服 强度偏低、管端螺纹加工精度差等． 针对分析结果，提出了改进措施． 关键词 连铸; 坯料; 无缝钢管; 裂纹; 折叠; 夹杂 分类号 TG142. 1 Analysis of reasons for bursting of seamless pipe production in hydraulic tests NING Mei ，ZHUANG Gang，DOU Zhi-chao，LI Zhi-qun Tianjin Pipe Group Corporation，Tianjin，300301 Corresponding author，E-mail: nmtpco@ 126． com ABSTRACT Macroscopic and microscopic analyses were conducted for 9 typical bursting incidents in hydraulic tests of seamless pipe production． The analysis results show that bursting in the hydraulic tests is always related to some defects existing in some parts of pipes． Defects in continuous casting billets include surface cracks，surface slag and surface carburetion，surface copper infiltration， central segregation and internal inclusion segregation，etc． Defects existing in hot rolled pipes include surface scratches，ununiformity or reduction of wall thickness，and so on． Defects caused by tube processing include surface quench cracks，abnormal microstructure， low yield strength and low precision of thread machining of pipe ends． Suggestions for improvements are also provided according to the analysis results． KEY WORDS continuous casting; billets; seamless pipes; cracks; folding; inclusions 收稿日期: 2012--02--22 无缝钢管产品多使用在重要场合，产品质量优 劣直接影响到其服役过程中的使用寿命和安全性， 尤其是一些承压产品，如石油套管、气瓶管和液压支 架管等对使用性和安全性要求更高［1--3］． 如果一支 套管出现问题，可能导致一口油井报废，往往损失几 十万甚至数百万元; 而气瓶管和支架管出现质量问 题其危害性更大，它造成的不仅仅是经济损失，还可 能涉及到人身安全问题． 因此，为了保证钢管使用 的安全性和可靠性，油套管出厂前要逐支进行水压 实验，检查钢管在规定压力下保压时间内有无渗漏 或出汗现象，以考核钢管的整体承压能力，并消除部 分管体残余应力，从而保证钢管的使用性能; 气瓶管 在用户制作气瓶后和液压支架管在用户制作液压缸 后，也要进行承压实验． 钢管产品水压实验过程中 发生异常爆裂，往往与钢管局部存在某种缺陷有关． 通过对钢管缺陷的分析，确定缺陷的性质和产生的 工艺环节，将其反馈给生产厂，协助生产厂查找生产 工艺异常情况，对避免和杜绝钢管产品水压实验爆 裂事故的再次发生具有重要意义． 1 实验材料和方法 1. 1 实验材料 实验分析钢管是采用热连轧管机组生产的油套 管和气瓶管在水压实验时爆裂的样管． 其中: 套管 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.015

·96· 北京科技大学学报 第34卷 材料为锰钢、锰钒钢和铬钼钢：气瓶管材料为锰钢和 2结果分析和讨论 铬钼钢. 1.2实验方法 2.1浇注温度偏高造成钢水二次氧化 采用光谱仪和气体分析设备进行化学成分分 以钢级为N801、规格为139.7mm×7.72mm 析.采用德国蔡司A1M型万能光学显微镜对样品 的套管为例. 的缺陷形貌、显微组织、夹杂物形态、氧化脱碳情况 宏观特征：裂纹沿钢管纵向开裂，开裂长度多在 等进行观察分析.采用德国蔡司EV050XVP型扫 600mm以上，开裂部位裂口向外膨胀.从中间开裂 描电镜进行缺陷断口形貌分析.采用美国EDAX公 部位取样观察，断面为斜面，管子外壁约占1/3壁厚 司Apollo40型能谱仪进行夹杂物成分分析和微区 是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁为水压过程 成分分析 裂纹扩展撕裂开的新鲜断口（见图1） a 图1套管水压实验爆裂裂口()和管子表面折叠缺陷及内部扩展裂纹韧性断口()宏观形貌 Fig.I Macroscopic photos of (a)burst split in casing hydraulic test,(b)folding in the surface of pipes and ductile fracture with intemal extended cracks 微观特征：外表面折叠缺陷周围及延伸部位有 沿晶分布的网状氧化物（见图2）.外表面折叠周围 有严重的氧化脱碳.电镜下观察断口发现：爆裂处 的外壁折叠部位有大量夹杂偏聚而形成木纹状断 口，木纹中聚集了大量的条块状夹杂物，经能谱分析 这些夹杂物是以铁、锰硅酸盐为主的复合氧化物 (见图3) 爆裂原因：经查此炉钢为开浇炉，浇注温度偏 50m 高，造成钢水二次氧化，在连铸坯中形成了大量的硅 酸盐夹杂一.锰和硅都是强化铁素体的元素，但是 图2折叠周围网状氧化物形貌 Fig.2 Morphology of reticular oxides around the folding 裂纹通过的铁素体带由于铁锰硅酸盐夹杂的形成， 使铁素体带中的锰和硅的含量降低到原含量的1/4 利条件，造成轧管过程产生较深的折叠缺陷)，在 左右，导致铁素体带强度降低.另外，氧化物呈网 水压应力的作用下，折叠尾部由于应力集中导致裂 状沿晶分布，降低钢的晶界强度，成为裂纹扩展的有 纹向内部扩展而爆裂 1637 b 326 0 994 663 331 34 20m 0 能量keV 图3套管开裂源部位木纹断口上硅酸盐夹杂()和能谱定性分析结果(b) Fig.3 Silicate inclusions on the wood grain fracture of casting cracking source and the EDS analyzing result

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 材料为锰钢、锰钒钢和铬钼钢; 气瓶管材料为锰钢和 铬钼钢． 1. 2 实验方法 采用光谱仪和气体分析设备进行化学成分分 析． 采用德国蔡司 A1M 型万能光学显微镜对样品 的缺陷形貌、显微组织、夹杂物形态、氧化脱碳情况 等进行观察分析． 采用德国蔡司 EVO 50XVP 型扫 描电镜进行缺陷断口形貌分析． 采用美国 EDAX 公 司 Apollo 40 型能谱仪进行夹杂物成分分析和微区 成分分析． 2 结果分析和讨论 2. 1 浇注温度偏高造成钢水二次氧化 以钢级为 N801、规格为 139. 7 mm × 7. 72 mm 的套管为例． 宏观特征: 裂纹沿钢管纵向开裂，开裂长度多在 600 mm 以上，开裂部位裂口向外膨胀． 从中间开裂 部位取样观察，断面为斜面，管子外壁约占 1 /3 壁厚 是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁为水压过程 裂纹扩展撕裂开的新鲜断口( 见图 1) ． 图 1 套管水压实验爆裂裂口( a) 和管子表面折叠缺陷及内部扩展裂纹韧性断口( b) 宏观形貌 Fig． 1 Macroscopic photos of ( a) burst split in casing hydraulic test，( b) folding in the surface of pipes and ductile fracture with internal extended cracks 图 3 套管开裂源部位木纹断口上硅酸盐夹杂( a) 和能谱定性分析结果( b) Fig． 3 Silicate inclusions on the wood grain fracture of casting cracking source and the EDS analyzing result 微观特征: 外表面折叠缺陷周围及延伸部位有 沿晶分布的网状氧化物( 见图 2) ． 外表面折叠周围 有严重的氧化脱碳． 电镜下观察断口发现: 爆裂处 的外壁折叠部位有大量夹杂偏聚而形成木纹状断 口，木纹中聚集了大量的条块状夹杂物，经能谱分析 这些夹杂物是以铁、锰硅酸盐为主的复合氧化物 ( 见图 3) ． 爆裂原因: 经查此炉钢为开浇炉，浇注温度偏 高，造成钢水二次氧化，在连铸坯中形成了大量的硅 酸盐夹杂［4--5］． 锰和硅都是强化铁素体的元素，但是 裂纹通过的铁素体带由于铁锰硅酸盐夹杂的形成， 使铁素体带中的锰和硅的含量降低到原含量的 1 /4 左右，导致铁素体带强度降低［6］． 另外，氧化物呈网 状沿晶分布，降低钢的晶界强度，成为裂纹扩展的有 图 2 折叠周围网状氧化物形貌 Fig． 2 Morphology of reticular oxides around the folding 利条件，造成轧管过程产生较深的折叠缺陷［7］，在 水压应力的作用下，折叠尾部由于应力集中导致裂 纹向内部扩展而爆裂． ·96·

增刊1 宁玫等：无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 ·97 2.2连铸坯表面存在保护渣 端延伸部位可见明显的折叠缺陷.从爆裂裂口中间 以钢级为P110、规格为Φ139.7mm×9.17mm 开裂源部位取样观察，外表面断口为斜面，断口呈黑 的套管为例. 灰色，这部分断口是轧管过程形成的折叠缺陷，深度 宏观特征：裂纹沿钢管纵向开裂，开裂长度在 约3mm左右：从中部至内壁为打压过程裂纹扩展撕 500mm以上，肉眼观察开裂裂纹中间部位及裂纹两 裂开的新鲜断口（见图4） a 图4套管打压实验爆裂裂纹和断口宏观形貌 Fig.4 Macroscopic photos of (a)burst split in casing's hydraulic test burst and (b)its fracture 微观特征：管子表面折叠中有黑灰色块状物偏 为主，并含部分氧化钠、氧化铝、氧化钾、氧化锰、氧 聚（见图5）：折叠缺陷周围有明显增碳现象（见图 化铁的复合氧化物，能谱定量分析结果见表1.由化 6).经能谱分析发现，折叠中的块状物是以硅酸钙 学组成判断，折叠中的块状物是混入钢中的保护渣. (a) 3.8b Ca 29 1.0 a KA 0 50m 6 能量keV 图5折叠中黑灰色块状物()和能谱定性分析结果(b) Fig.5 Black block inclusions in the folding and EDS analyzing result 爆裂原因：连铸坯表面局部混入保护渣，造成连 铸坯表面局部增碳和产生微裂纹)，导致轧管过 程产生折叠缺陷.后续热处理和矫直过程中折叠向 内部扩展，减少管子的有效受力面积，在打压应力的 作用下，裂纹向内部扩展而产生爆裂 2.3连铸坯有害元素偏高、产生表面裂纹 钢中有害元素(Pb、Sn、As、Sb、Bi、Cu等)是由 400m 废钢及各种原材料带入的，在钢水治炼过程中不能 图6横截面折叠周围增碳组织低倍形貌 去除，如果含量过高，钢水凝固过程中将在晶界上产 Fig.6 Microstructure of carburizing structure around the folding 生偏析，造成恶劣影响@. 如连铸坯由于Pb质量 表1折叠缺陷中块状保护渣能谱定量分析结果（质量分数） Table 1 EDS analyzing result of the mould powder in the folding defect 0 Na Mg Al Si 个 Ca Mn Fe 30.74 9.48 4.52 6.06 29.08 1.17 18.51 0.58 2.01 1.82 分数高达431×10-6，造成铸坯纵裂全炉报废；又如 430×10-6,造成整炉纵裂废品. 连铸坯b质量分数达100×10-6、Sn质量分数达 有时，五害元素偏析虽未造成铸坯表面开裂，但

增刊 1 宁 玫等: 无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 2. 2 连铸坯表面存在保护渣 以钢级为 P110、规格为 139. 7 mm × 9. 17 mm 的套管为例． 宏观特征: 裂纹沿钢管纵向开裂，开裂长度在 500 mm 以上，肉眼观察开裂裂纹中间部位及裂纹两 端延伸部位可见明显的折叠缺陷． 从爆裂裂口中间 开裂源部位取样观察，外表面断口为斜面，断口呈黑 灰色，这部分断口是轧管过程形成的折叠缺陷，深度 约 3 mm 左右; 从中部至内壁为打压过程裂纹扩展撕 裂开的新鲜断口( 见图 4) ． 图 4 套管打压实验爆裂裂纹和断口宏观形貌 Fig． 4 Macroscopic photos of ( a) burst split in casing’s hydraulic test burst and ( b) its fracture 微观特征: 管子表面折叠中有黑灰色块状物偏 聚( 见图 5) ; 折叠缺陷周围有明显增碳现象( 见图 6) ． 经能谱分析发现，折叠中的块状物是以硅酸钙 为主，并含部分氧化钠、氧化铝、氧化钾、氧化锰、氧 化铁的复合氧化物，能谱定量分析结果见表 1． 由化 学组成判断，折叠中的块状物是混入钢中的保护渣． 图 5 折叠中黑灰色块状物( a) 和能谱定性分析结果( b) Fig． 5 Black block inclusions in the folding and EDS analyzing result 图 6 横截面折叠周围增碳组织低倍形貌 Fig． 6 Microstructure of carburizing structure around the folding 爆裂原因: 连铸坯表面局部混入保护渣，造成连 铸坯表面局部增碳和产生微裂纹［8--9］，导致轧管过 程产生折叠缺陷． 后续热处理和矫直过程中折叠向 内部扩展，减少管子的有效受力面积，在打压应力的 作用下，裂纹向内部扩展而产生爆裂． 2. 3 连铸坯有害元素偏高、产生表面裂纹 钢中有害元素( Pb、Sn、As、Sb、Bi、Cu 等) 是由 废钢及各种原材料带入的，在钢水冶炼过程中不能 去除，如果含量过高，钢水凝固过程中将在晶界上产 生偏析，造成恶劣影响［10］． 如连铸坯由于 Pb 质量 表 1 折叠缺陷中块状保护渣能谱定量分析结果( 质量分数) Table 1 EDS analyzing result of the mould powder in the folding defect % O Na Mg Al Si K Ca Ti Mn Fe 30. 74 9. 48 4. 52 6. 06 29. 08 1. 17 18. 51 0. 58 2. 01 1. 82 分数高达 431 × 10 － 6 ，造成铸坯纵裂全炉报废; 又如 连铸坯 Sb 质量分数达 100 × 10 － 6 、Sn 质量分数达 430 × 10 － 6 ，造成整炉纵裂废品． 有时，五害元素偏析虽未造成铸坯表面开裂，但 ·97·

·98· 北京科技大学学报 第34卷 由于五害元素的氧化位能比铁元素的低而不易被氧 化，管坯加热过程中表面形成大量的氧化铁皮，随着 氧化铁皮的不断增厚，五害元素不断地被排挤到金 属基体中去，使管坯表面晶界处富集更多的低熔点 有害元素，导致晶界进一步弱化，高温加热时促使管 坯表面开裂氧化，穿孔和轧管后在管子表面形成细 小的网状裂纹缺陷，宏观形貌见图7.解剖后对横截 200m 面进行观察发现：裂纹沿晶开裂，网状裂纹深度约 图8轧管横截面外壁网状裂纹微观形貌 1~5mm不等，网状裂纹横截面形貌见图8. Fig.8 Microscopic photo of reticular crack on the cross section of the pipe 以钢级为P110、规格为244.48mm× 11.99mm的套管为例. 宏观特征：裂纹多沿钢管纵向开裂，开裂长度在 1000mm以上，开裂源部位钢管向外膨胀.中间开 裂源部位呈破碎状，外表面断面为斜面，管子外壁约 占1/3壁厚是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁 图7轧管表面网状裂纹宏观形貌 为撕裂开的新鲜断口（打压过程裂纹扩展撕裂部 Fig.7 Macroscopic photo of reticular crack on the rolled pipe surface 分)，见图9 图9套管打压试验爆裂裂纹宏观形貌 Fig.9 Macroscopic photo of burst split in casing hydraulic test 微观特征：表面开口折叠裂纹周围有氧化脱碳， 开裂源部位所取样品外表面折叠裂纹和内部扩展裂 纹局部形貌见图10.开裂源部位断口经能谱微区定 性定量分析发现，晶界上有Sn、As、Cu元素偏析，总 和高达2000×10-6以上.化学成分分析表明，虽然 钢中S、P总体含量水平不高，但S、P元素本身沿晶 偏析倾向及与其它有害元素互作用的倾向较大，在 200um 晶界上也产生了偏析，促使龟裂的产生并加重其 图10表面折叠周围氧化脱碳组织局部形貌 危害。 Fig.10 Photo of oxidizing decarbonizing microstructure around the 爆裂原因：由于连铸坯中有害元素Sn、As、Cu folding 含量偏高，这些有害元素是易偏析和低熔点元素，它 们易在晶界处偏聚，并在晶界上形成低熔点薄膜，降 的管体部位产生爆裂 低钢的晶界强度和高温塑性，成为裂纹开裂和扩展 2.4连铸坯表面渗铜产生铜脆裂纹 的有利通道，导致管坯加热过程和后续轧管过程产 有害元素Cu的熔点较低(1083℃)，若钢中Cu 生折叠裂纹缺陷，水压试验过程折叠缺陷尖瑞产生 含量较高，会发生C山向晶界渗透，引起晶界脆化导 应力集中，促使裂纹快速向内部扩展，最终在最薄弱 致裂纹产生.这种裂纹在连铸坯上一般呈星状或龟

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 由于五害元素的氧化位能比铁元素的低而不易被氧 化，管坯加热过程中表面形成大量的氧化铁皮，随着 氧化铁皮的不断增厚，五害元素不断地被排挤到金 属基体中去，使管坯表面晶界处富集更多的低熔点 有害元素，导致晶界进一步弱化，高温加热时促使管 坯表面开裂氧化，穿孔和轧管后在管子表面形成细 小的网状裂纹缺陷，宏观形貌见图 7． 解剖后对横截 面进行观察发现: 裂纹沿晶开裂，网状裂纹深度约 1 ～ 5 mm 不等，网状裂纹横截面形貌见图 8． 图 7 轧管表面网状裂纹宏观形貌 Fig． 7 Macroscopic photo of reticular crack on the rolled pipe surface 图 8 轧管横截面外壁网状裂纹微观形貌 Fig． 8 Microscopic photo of reticular crack on the cross section of the pipe 以 钢 级 为 P110、规 格 为 244. 48 mm × 11. 99 mm的套管为例． 宏观特征: 裂纹多沿钢管纵向开裂，开裂长度在 1 000 mm 以上，开裂源部位钢管向外膨胀． 中间开 裂源部位呈破碎状，外表面断面为斜面，管子外壁约 占 1 /3 壁厚是轧管过程形成的折叠，从中部至内壁 为撕裂开的新鲜断口( 打压过程裂纹扩展撕裂部 分) ，见图 9． 图 9 套管打压试验爆裂裂纹宏观形貌 Fig． 9 Macroscopic photo of burst split in casing hydraulic test 微观特征: 表面开口折叠裂纹周围有氧化脱碳， 开裂源部位所取样品外表面折叠裂纹和内部扩展裂 纹局部形貌见图 10． 开裂源部位断口经能谱微区定 性定量分析发现，晶界上有 Sn、As、Cu 元素偏析，总 和高达 2 000 × 10 － 6 以上． 化学成分分析表明，虽然 钢中 S、P 总体含量水平不高，但 S、P 元素本身沿晶 偏析倾向及与其它有害元素互作用的倾向较大，在 晶界上也产生了偏析，促使龟裂的产生并加重其 危害． 爆裂原因: 由于连铸坯中有害元素 Sn、As、Cu 含量偏高，这些有害元素是易偏析和低熔点元素，它 们易在晶界处偏聚，并在晶界上形成低熔点薄膜，降 低钢的晶界强度和高温塑性，成为裂纹开裂和扩展 的有利通道，导致管坯加热过程和后续轧管过程产 生折叠裂纹缺陷，水压试验过程折叠缺陷尖端产生 应力集中，促使裂纹快速向内部扩展，最终在最薄弱 图 10 表面折叠周围氧化脱碳组织局部形貌 Fig． 10 Photo of oxidizing decarbonizing microstructure around the folding 的管体部位产生爆裂． 2. 4 连铸坯表面渗铜产生铜脆裂纹 有害元素 Cu 的熔点较低( 1 083 ℃ ) ，若钢中 Cu 含量较高，会发生 Cu 向晶界渗透，引起晶界脆化导 致裂纹产生． 这种裂纹在连铸坯上一般呈星状或龟 ·98·

增刊1 宁玫等：无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 ·99· 裂状，在有氧化铁皮覆盖的情况下难于发现，但在后 微观特征：断口为沿晶开裂，能谱分析结果表明 续的轧管过程中可能扩展成横向裂纹. 断口上的深褐色异物是金属铜（见图12）.化学分 宏观特征：气瓶管制作成气瓶后要进行打压实 析结果表明：气瓶管的各种元素含量正常，基体中铜 验，其中一支气瓶打压开裂断口宏观形貌见图11. 含量水平不高.由此判断断口上和沿晶裂纹中大量 肉眼可见断口上有深褐色异物，内壁约1/5壁厚是 的金属铜聚集不是连铸坯本身铜含量偏高造成的， 新鲜断口. 而是外来的铜局部渗入造成的. 爆裂原因：连铸过程中的关键设备结晶器由紫 铜制造，结晶器的内表面镀铬（厚度一般几十微 米)，防止连铸坯坯壳直接与铜壁接触渗入而形成 表面横向、星状裂纹.结晶器使用一段时间后，内表 面镀铬层将被逐渐磨损，如果结晶器更换不及时，某 些磨损严重的部位铜壁暴露出来与连铸坯坯壳直接 接触，结晶器的金属铜因摩擦涂抹转移到坯壳表面 形成一层沉积铜，在坯壳表面1200~1400℃的高温 图11气瓶开裂横向断口宏观形貌 Fig.11 Macroscopic photo of cross fracture of the cracking cylinder 和拉坯应力的共同作用下，金属铜熔化（纯铜的熔 3607- a (b) mapping of Cu 2885 Cu 2164 1442 0 0.51.01.52.02.53.0 10m 能量eV 图12沿品开裂断口形貌()、能谱定性分析(b)和铜元素沿品分布的面分布图(c) Fig.12 Fracture morphology of intergranular cracking (a),EDS analysis (b)and distribution map of Cu element (c) 点为1083℃)并沿一次晶粒边界向内部扩散，由于 产规格为中140mm的6.7L高压气瓶，该气瓶工作 铜在钢中的溶解度较低，在晶界处形成低熔点的液 压力l5MPa,水压试验压力为22.5MPa,保压1min, 相薄膜，降低晶间结合力和高温塑性，增加钢的热脆 逐支做水压实验，无泄漏和瓶体无变形为合格.其 性和开裂敏感性而产生沿晶热裂.在轧管的高 中一支气瓶在进行水压实验时，保压时间内瓶体破 温和应力作用下，液态的铜浸润晶界，导致轧管表面 裂，破口为塑性断口. 形成横裂.断口特征表明该产品的有效承载面积仅 宏观特征：打压爆裂气瓶约500mm长，爆裂部 剩内壁1/5壁厚区域，受力后必然产生爆裂 位的裂纹开口约300mm长，中间裂口部位由于塑性 2.5连铸坯芯部成分偏析和夹杂物偏聚 变形而呈明显凸起状，断口呈浅灰色韧性断裂形态 采用规格为中140mm×4.5mm无缝气瓶管生 (见图13). 5525 图13打压爆裂气瓶裂纹宏观形貌 Fig.13 Macroscopic photo of the crack of the bulged eylinder

增刊 1 宁 玫等: 无缝钢管产品水压实验爆裂原因分析 裂状，在有氧化铁皮覆盖的情况下难于发现，但在后 续的轧管过程中可能扩展成横向裂纹． 宏观特征: 气瓶管制作成气瓶后要进行打压实 验，其中一支气瓶打压开裂断口宏观形貌见图 11． 肉眼可见断口上有深褐色异物，内壁约 1 /5 壁厚是 新鲜断口． 图 11 气瓶开裂横向断口宏观形貌 Fig． 11 Macroscopic photo of cross fracture of the cracking cylinder 微观特征: 断口为沿晶开裂，能谱分析结果表明 断口上的深褐色异物是金属铜( 见图 12) ． 化学分 析结果表明: 气瓶管的各种元素含量正常，基体中铜 含量水平不高． 由此判断断口上和沿晶裂纹中大量 的金属铜聚集不是连铸坯本身铜含量偏高造成的， 而是外来的铜局部渗入造成的． 爆裂原因: 连铸过程中的关键设备结晶器由紫 铜制造，结晶器的内表面镀铬( 厚度一般几十微 米) ，防止连铸坯坯壳直接与铜壁接触渗入而形成 表面横向、星状裂纹． 结晶器使用一段时间后，内表 面镀铬层将被逐渐磨损，如果结晶器更换不及时，某 些磨损严重的部位铜壁暴露出来与连铸坯坯壳直接 接触，结晶器的金属铜因摩擦涂抹转移到坯壳表面 形成一层沉积铜，在坯壳表面 1200 ～ 1400 ℃的高温 和拉坯应力的共同作用下，金属铜熔化( 纯铜的熔 图 12 沿晶开裂断口形貌( a) 、能谱定性分析( b) 和铜元素沿晶分布的面分布图( c) Fig． 12 Fracture morphology of intergranular cracking ( a) ，EDS analysis ( b) and distribution map of Cu element ( c) 点为 1 083 ℃ ) 并沿一次晶粒边界向内部扩散，由于 铜在钢中的溶解度较低，在晶界处形成低熔点的液 相薄膜，降低晶间结合力和高温塑性，增加钢的热脆 性和开裂敏感性而产生沿晶热裂［11］． 在轧管的高 温和应力作用下，液态的铜浸润晶界，导致轧管表面 形成横裂． 断口特征表明该产品的有效承载面积仅 剩内壁 1 /5 壁厚区域，受力后必然产生爆裂． 2. 5 连铸坯芯部成分偏析和夹杂物偏聚 采用规格为 140 mm × 4. 5 mm 无缝气瓶管生 产规格为 140 mm 的 6. 7 L 高压气瓶，该气瓶工作 压力 15 MPa，水压试验压力为 22. 5 MPa，保压 1 min， 逐支做水压实验，无泄漏和瓶体无变形为合格． 其 中一支气瓶在进行水压实验时，保压时间内瓶体破 裂，破口为塑性断口． 宏观特征: 打压爆裂气瓶约 500 mm 长，爆裂部 位的裂纹开口约 300 mm 长，中间裂口部位由于塑性 变形而呈明显凸起状，断口呈浅灰色韧性断裂形态 ( 见图 13) ． 图 13 打压爆裂气瓶裂纹宏观形貌 Fig． 13 Macroscopic photo of the crack of the bulged cylinder ·99·