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    不銹鋼無縫鋼管出現質量問題的原因以及如何改進

    1引言

        不銹鋼無縫鋼管常大量用于輸送流體的管道,如輸送天然氣、石油、水和煤氣等物料的管道等,是一種廣泛用于工業及日常生活的重要材料,因此在使用上對不銹鋼管材的純凈度和各項性能指標要求十分嚴格。公司長期外供圓管坯材料,在產品檢測和質量異議中,曾出現一些由坯料或軋制加工工藝不當帶來的質量問題,對產品安全造成了一定的影響,故對不銹鋼管材質量問題進行總結,尋找產生質量問題的根源,對提高質量水平是非常重要的。

    2實驗材料及方法

    2.1實驗材料

        實驗材料為多種不銹鋼管材管坯等實驗性能不合格及失效試樣,產品種類主要涵蓋鍋爐用管、石油套管、氣瓶用管等不銹鋼管材及管坯。

    2.2實驗方法

        利用光譜儀對樣品進行化學成分分析,利用金相顯微鏡進行組織檢測分析,利用掃描電子顯微鏡對失效試樣進行斷口、裂紋微觀檢測及非金屬夾雜物的定量及半定性檢測。

    3分析結果及討論

    3.1不銹鋼管材內壁鼓包及翹皮

    3.1.1宏觀形貌

        一些管坯穿管后,在檢驗中發現不銹鋼管內壁表面上有大量的鼓包,這些鼓包的存在嚴重地影響了不銹鋼管的使用。

    3.1.2微觀檢測

          選取不銹鋼管材內壁上較為明顯鼓包,將鼓包剖開,磨拋觀察,鼓包內部一般無明顯夾雜,在鼓包與內壁的擠壓延伸處裂紋中有細碎的條鏈狀夾雜物,同時在鼓包附近基體中有大尺寸鏈狀夾雜,經能譜檢測兩處夾雜物成分相同,都是以鋁酸鈣、氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鐵等氧化物的復合物或混合物形式存在鋼中的。將試樣腐蝕觀察,鼓包周圍金相組織為F+P,屬于正常軋制組織,呈條帶狀分布在鼓包周圍。

    3.1.3形成原因及問題控制

        不銹鋼管材內壁鼓包及附近均有超大尺寸復合型夾雜。從譜檢測結果可知,夾雜物主要由Mg,Al, Si, S, Ca, O, Na等元素構成,有些夾雜物中還含有少量的Zr成分,夾雜物是以鋁酸鈣、氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鐵等物質的混合物形式存在鋼中。夾雜物中的Na和K元素是連鑄過程中結晶器保護渣的特征成分,其他氧化物及化合物均來源于脫氧產物、中間包覆蓋劑、結晶器保護渣及水口材料,形成原因主要是中間包鋼液面較低造成中間包覆蓋劑卷鋼水中或澆注過程中結晶器液面波動較大導致結晶器保護渣卷鋼水。連鑄過程中,這些外來夾渣不能完全上浮而殘留在鑄坯中,形成了超大尺寸的外來夾雜物。在軋管定徑時,碾制力和摩擦力共同作用于管材內壁,夾雜物與金屬基體脫離,又因受到較大軸向碾制擠壓而“皺起”,就形成了一個個的凸起條狀鼓包。嚴格控制煉鋼和澆注工藝,根據澆注工藝和設備條件選取合適的保護渣,盡量減少鋼中形成超大尺寸的夾雜物,有效地提高鋼水的純凈度,是解決不銹鋼管內壁鼓包出現的根本途徑。

    3.2探傷不合格的管材

    3.2.1宏觀形貌

        個別不銹鋼管在超聲檢驗時發出報警,但在管材內外表面未觀察到明顯缺陷,經修磨可觀察到不銹鋼管中存在細長的類似裂紋的缺陷。

    3.2.2微觀檢測

        從剖面處向兩個方向逐漸打磨查找缺陷。在管壁上橫向取樣多次打磨拋光后,找到大尺寸夾雜缺陷,在此處沿縱向切割,找到縱向剖面上的夾雜物,實驗中找到的夾雜物一般呈線狀或鏈狀,經能譜檢測多為脫氧產物與保護渣及水口掉落殘渣相結合成的復合型夾雜物。

    3.2.3形成原因及控制

        眾所周知,非金屬夾雜物按其來源不同可分為內生夾雜物和外來夾雜物兩類。內生夾雜物主要為脫氧、脫硫產物,和鋼液溫度降低時氧、硫、氮等雜質元素的溶解度也相應下降,這些雜質與金屬化合生成的夾雜物。內生夾雜物的尺寸較小。而外來夾雜物主要包括耐火材料和爐渣、保護渣帶來的夾雜物以及鋼液被大氣氧化形成的氧化物,它的粒徑較大,大于50 um,最大可達幾百微米。由能譜檢測結果可以分析出造成探傷不合格的夾雜為脫氧產物與水口及保護渣結合成的復合型大尺寸夾雜,是內生夾雜物與外來夾雜物的復合夾雜??刂凭珶捈斑B鑄工藝,保證鋼水純凈度,是消除此類問題的根本途徑。

    3.3不銹鋼管材內壁裂紋缺陷

    3.3.1宏觀形貌

        一些不銹鋼管材經熱穿、冷拔后進行淬火和回火處理,經打磨后在內壁表面發現與管徑方向呈一定角度的縱向細裂紋。

    3.3.2微觀檢測

          將截取的橫向試樣進行打磨、拋光,在內壁上觀察到數處裂紋,裂紋形態相似,深淺不一,裂紋內為氧化鐵,在裂紋末端可清晰觀察到裂紋是沿晶界開裂的;將樣品腐蝕后觀察,試樣正常組織為回火索氏體,裂紋較寬處兩側及圓管內壁表面局部均有晶粒較大的鐵素體組織。

    3.3.3形成原因及控制

          不銹鋼無縫鋼管在穿管過程中,頂芯頂頭與毛管內壁快速摩擦滑動,隨穿管摩擦產生大量的熱量導致毛管內壁快速升溫,達到晶界弱化溫度時,產生沿晶裂紋,裂紋在宏觀上隨頂芯的摩擦力與管徑呈一定角度分布,同時在裂紋周圍容易發生脫碳。需要通過對鋼材的熱塑性溫度進行確定,調整管坯加熱溫度及穿管工藝,防止由不銹鋼管材內壁溫度過高引起晶間裂紋的產生。

    3.4管材外表面折疊

    3.4.1宏觀形貌

        部分管材表面會產生外折及裂紋缺陷,典型的管材表面外折形貌。

    3.4.2微觀檢測

        一般軋管試樣上的外折長且較深,在裂紋中一般很難發現氧化鐵以外的其他物質,裂紋兩側、微裂紋分支及裂紋末端延伸處常發現有氧化圓點的存在,腐蝕后觀察,折疊或裂紋兩側往往觀察到明顯脫碳,折疊缺陷處靠近管壁內側部分晶粒長大,前端微裂紋處金相組織。

    3.4.3形成原因及控制

        當管坯表面存在裂紋、劃傷等原始缺陷,在軋制前管坯置于加熱爐中再次升溫,裂紋處氧勢高,進一步發生氧化,裂紋或劃傷等缺陷周圍的Si, Mn, Cr等元素與氧氣結合生成小顆粒狀的化合物或氧化物就是我們所說的氧化圓點。在硅含量較高的材料中細小的氧化圓點會在此加熱過程中進一步偏聚,生成較大的尺寸的化合物顆粒。在軋制過程中,原始缺陷在碾壓力與摩擦力的共同作用下,形成折疊或更為嚴重的裂紋等缺陷,向基體進一步擴展。優化連鑄工藝,嚴格控制鋼坯表面質量是減少或解決由表面缺陷引起質量問題的有效措施。

    3.5表面不連續縱向裂紋缺陷

    3.5.1宏觀形貌

        以304不銹鋼管為例,時常發現穿管后,管材表面存在外折缺陷。追蹤穿管原料圓鋼,發現表面存在不連續縱向裂紋,裂紋沿軋向分布,頭尾略尖。

    3.5.2微觀檢測

        在裂紋處沿試樣橫向切割,磨拋觀察,為此類缺陷的典型裂紋形貌,局部還有皮下裂紋,裂紋中間及周圍無夾雜物偏聚,裂紋中有氧化鐵、周圍有少量氧化圓點。腐蝕后觀察,試樣橫向表面裂紋周圍有一定的氧化脫碳,組織為鐵素體+珠光體。

    3.5.3形成原因及控制

        圓鋼表面縱向細裂紋缺陷是由于鑄坯局部存在表面或皮下氣泡,導致熱軋過程中在圓鋼表面局部形成縱向細裂紋。裂紋中存在氧化鐵,周圍有氧化圓點,裂紋周圍有一定的氧化脫碳。皮下氣泡缺陷宏觀觀察為沿軋向分布,具有典型的筆管形狀特征,導致方坯軋制圓鋼過程中在軋制圓鋼表面局部形成縱向分布的裂紋缺陷。根據煉鋼理論及經驗推斷,連鑄過程產生氣泡或針孔的主要原因主要包括脫氧不良、外來氣體(空氣、保護性氣體)、水蒸氣(來自潮濕的添加料和耐火材料等),要解決此類問題的發生,需要嚴格控制冶煉過程中的氣體含量,同時嚴格控制連鑄工藝,防止在鑄坯表面形成氣泡缺陷。

    4結論

        不銹鋼無縫鋼管常見質量問題及主要原因包括:

        由夾雜物引起的不銹鋼管材內壁鼓包及探傷不合格發現管材中存在大尺寸夾雜物,造成產品在檢測或使用過程中出現問題,需通過優化冶煉連鑄工藝對夾雜物進行控制。

        鑄坯表面原始裂紋、劃傷、皮下起泡等缺陷導致在后續穿管軋制過程中形成更為嚴重的裂紋或外折甚至管壁破裂,需要通過嚴格控制冶煉過程氣體含量及連鑄工藝,調整拉坯速度及二冷工藝參數等,避免或減少由鑄坯表面缺陷引起的產品不合格。

        軋管溫度及工藝控制不當引起的管材內壁裂紋,需適當調整管坯加熱溫度,延長保溫時間、限制穿管速度及頂頭穿管溫度,確保不銹鋼管內壁質量。

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