钢带质量对HFW焊管超声波探伤合格率的影响

郭 斌， 郑 琳， 王青峰， 徐进桥， 刘昌明

（1.武汉钢铁（集团）公司研究院,武汉 430080；2.燕山大学,河北 秦皇岛 066004）

0 前 言

HFW焊管由于尺寸精度高、价格低、生产效率高等优点，得到了迅速的发展[1]，HFW焊管正朝着专业化、高品质化、高附加值方向发展[2]。

应用于石油、天然气和矿浆输送等管线以及油气井的开采等方面的HFW焊管，需要对焊缝或管体进行100%超声波探伤[3-4]，改善热轧钢带的质量是提高HFW焊管超声波探伤合格率最为关键的因素之一。

1 HFW焊管探伤缺陷分析

1.1 夹杂物引起的钩状裂纹

在超声波探伤缺陷焊管中切取了近百组试样，经磁粉探伤，清晰可见缺陷为沿管长方向的线状缺陷，长20～50 mm，如图1所示。金相观察为沿管长方向的细裂纹，深度为0.4～0.7 mm，在焊接区域，沿金属流线向上，并且有的裂纹已延伸到了焊缝表面，在裂纹两侧及延伸处均有聚集分布的非金属夹杂物群，裂纹走向与夹杂物分布方向一致，夹杂物级别为B3～B5级，如图2和图3所示。经探针分析，上述非金属夹杂为Al2O3和稀土硫氧化物，如图4和图5所示。

图1 夹杂引起钩状裂纹的宏观形貌

图2 夹杂引起的钩状裂纹截面形貌

图3 钩状裂纹及延伸处的夹杂物

图4 氧化物的成分与分布

图5 稀土硫氧化物的成分与分布

钢板内部存在着级别较高的非金属夹杂物，高频焊接时，焊缝中的氧化物多以复合夹杂物形式存在，其熔点取决于各种氧化物的相对含量。当氧化物的熔点高于焊接部分的熔点(1 550℃)时，氧化物难以排出而残留于焊缝[5]，从而在制管应力作用下产生裂纹。

1.2 母材夹杂

管坯超声波探伤不合格位置如图6所示。缺陷位于焊管内壁已刮“内毛刺”（焊缝）区域，试样截面上靠近外壁表层有一条夹渣，如图7所示。经探针分析为含Ca，Si，Al，Mg，Na和O等元素的硅酸盐夹渣，如图8所示。

图6 焊管内壁缺陷宏观形貌

图7 焊管内壁截面上的夹渣

图8 焊管内壁截面上夹渣的能谱分析结果

2 提高HFW焊管探伤合格率的措施

2.1 真空处理对HFW焊管探伤合格率的影响

对某一HFW焊管用钢，在成分及冶炼工艺不变的基础上，增加RH真空处理工序，管坯的超声波探伤合格率由10%提高至60%。显微观察，基体中大块氧化物夹杂已明显减少，但仍发现有少量呈链状分布的大块氧化物夹杂（B3级），以及其他非金属夹杂和夹渣，与未经真空处理相比出现的几率明显减少。真空处理后，一方面钢中夹杂物有充分聚集、长大、上浮的机会，使非金属夹杂物的数量明显减少，尺寸变小，提高了钢液的洁净度；另一方面，钢中的N，H和O等元素大幅减少，钢的内在质量大幅提高，探伤合格率明显提高[6]。

2.2 连浇炉数对HFW焊管探伤合格率的影响

对某一浇次HFW焊管用钢，随着浇铸炉次的增加，探伤合格率下降，如图9所示。这与连铸坯中大型夹杂的分布正好吻合。大型夹杂在浇铸初期、多炉连铸的头部及浇铸末期有所增加[7]，同时，多炉连铸时后一炉的中间比前一炉的中间部分多，出现大型夹杂的几率会大很多。

图9 浇铸炉次与HFW焊管探伤合格率的关系

2.3 Si-Ca处理对HFW焊管探伤合格率的影响

采用喂Si-Ca线代替喂RE丝处理后，氧化物和硫化物夹杂得到了明显控制，呈球状分散分布，消除了沿铸坯1/4处非金属夹杂的聚集分布，钢的纯净度明显提高（如图10和表1所示），进而消除了由此在制管时引起的钩状裂纹。如果采用结晶器喂RE丝的方式，使得浇铸时夹杂物不能充分上浮，在铸坯上形成沿铸坯1/4处聚集分布的稀土硫氧化物夹杂。采用Si-Ca处理，一方面Ca与钢中的S结合形成CaS以降低钢中的S含量；另一方面由于Ca的蒸汽压比较小，在钢中会形成大量气泡上浮，这样促进了钢中杂质的大量上浮，从而提高了钢的纯净度[8]。

图10 不同方式处理后沿铸坯1/4处夹杂物对比

表1 喂RE丝和喂Si-Ca线处理夹杂物级别对比

2.4 Ca处理工艺对钢中夹杂物总量的影响

在不同生产环节进行Ca处理时，钢中的夹杂物总量差异较大[9]，见表2。从表2中可以看出，RH真空喂丝生产的铸坯夹杂物总量较少，钢包炉喂丝工艺铸坯夹杂物总量较多。

表2 不同工艺下铸坯中的夹杂物总量对比

2.5 S含量对HFW焊管探伤合格率的影响

为进一步减少钢中的氧化物和硫化物夹杂，提高钢的纯净度，HFW焊管用钢采取低S和超低S技术[10]，使钢中的w(S)≤0.004%，从根本上减少了硫化物的产生，使硫化物级别降低至D0.5级以下，不会形成聚集分布，从而提高了超声波探伤的合格率。

根据以上分析，生产过程中采取了十大措施，将HFW焊管超声波探伤合格率由10%提高至99%，具体措施是：①Si-Ca处理代替RE处理，改善氧化物的形状及分布；②超低S处理，使w(S)≤0.004%；③增加RH处理；④工艺流程为氩站吹氩→钢包炉调温、深脱S→RH真空处理、喂丝→连铸；⑤控制中包连浇炉数，保证结晶器中钢流流场稳定；⑥保持中包液面高度，防止因涡流卷渣到结晶器；⑦严格控制浇铸温度，杜绝高温钢浇铸；⑧实行大包下渣监测，减少大包渣流入中包；⑨加强大包钢流保护，防止二次氧化；⑩采用动态轻压下技术减轻连铸坯的中心偏析。

3 结 论

（1）钢板内部存在着级别较高、聚集分布的Al2O3和稀土硫氧化物等非金属夹杂物，在制管应力作用下产生钩状裂纹，这是导致HFW焊管探伤不合格的根本原因。

（2）含 Ca，Si， Al， Mg，Na和 O 等元素的大型夹渣同样会导致HFW焊管探伤不合格。

（3）增加RH真空处理工序，管坯的超声波探伤合格率明显提高；随着浇铸炉次的增加，探伤合格率下降。

（4）采用喂Si-Ca线代替喂RE丝处理后，氧化物和硫化物夹杂得到了明显控制，呈球状、分散分布，并且消除了沿铸坯1/4处非金属夹杂的聚集分布；采取低S和超低S技术，使钢中的w(S)≤0.004%，从根本上减少了硫化物的产生，使硫化物级别降低至D0.5级以下，且不会形成聚集分布。

通过采取以上针对性措施，提高钢水纯净度和连铸坯质量，可有效提高钢板探伤合格率。

[1]李鹤林.中国焊管50年[M].西安：陕西科学技术出版社，2008.

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