无缝异型管(无缝钢管缺陷与预防—1)

Posted 2023-05-28

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无缝异型管(无缝钢管缺陷与预防—1)

一、无缝钢管的质量要求

（一）无缝钢管

1．用途：无缝钢管是一种经济断面钢材，在国民经济中具有很重要的地位，广泛应用于石油、化工、锅炉、电站、船舶、机械制造、汽车、航空、航天、能源、地质、建筑及军工等各个部门。

2．分类

①按断面形状分：圆形断面管、异形断面管

②按材质分：碳素钢管、合金钢管、不锈钢管、复合管

③按连接方式分：螺纹连接管、焊接管

④按生产方式：热轧（挤、顶、扩）管、冷轧（拔）管

⑤按用途分：锅炉管、油井管、管线管、结构管、化肥管 ……

3．生产工序

①热轧无缝钢管主要生产工序（△主要检验工序）：

管坯准备及检查△→管坯加热→穿孔→轧管→荒管再加热→定（减）径→热处理△→成品管矫直→精整→检验△(无损、理化、台检) →入库

②冷轧（拔）无缝钢管主要生产工序：

坯料准备→酸洗润滑→冷轧（拔）→热处理→矫直→精整→检验

4．质量要求

①钢的化学成分：钢的化学成分是影响无缝钢管性能最主要的因素之一，也是制定轧管工艺参数和钢管热处理工艺参数的主要依据。

a. 合金元素：有意加入，根据用途

b. 残余元素：炼钢带入，适当控制

c. 有害元素：严格控制（As、Sn、Sb、Bi、Pb），气体（N、H、O）

炉外精炼或电渣重熔：提高钢中化学成分的均匀性和钢的纯净度，减少管坯中的非金属夹杂物并改善其分布形态。

②钢管几何尺寸精度和外形

a. 钢管外径精度：取决于定（减）径方法、设备运转情况、工艺制度等。

外径允许偏差 δ=（D-Di）/Di ×100% D：最大或最小外径mm

Di：名义外径mm

b. 钢管壁厚精度：与管坯的加热质量，各变形工序的工艺设计参数和调整参数，工具质量及其润滑质量等有关

壁厚允许偏差：ρ=（S-Si）/Si×100% S：横截面上最大或最小壁厚

Si：名义壁厚mm

C．钢管椭圆度：表示钢管的不圆程度。

d. 钢管长度：正常长度、定（倍）尺长度、长度允许偏差

e. 钢管弯曲度：表示钢管的桡度：每米钢管长度的弯曲度、钢管全长的弯曲度

f. 钢管端面切斜度：表示钢管端面与钢管横截面的倾斜程度

g. 钢管端面坡口角度和钝边

5．钢管表面质量：表面光洁要求

a. 危险性缺陷：裂纹、内折、外折、轧破、离层、结疤、拉凹、凸包等。

b. 一般性缺陷：麻坑、青线、划伤、碰伤、轻微的内、外直道、辊印等。

产生原因：

① 由于管坯的表面缺陷或内部缺陷所带来的。

② 生产过程中产生的，如轧制工艺参数设计不正确，模具表面不光滑，润滑条件不好，孔型设计及调整不合理。

③ 管坯（钢管）在加热轧制，热处理以及矫直过程中，如果因为加热温度控制不当，变形不均匀，加热冷却速度不合理或矫直变形量太大而产生过大的残余应力，那么也有可能导致钢管产生表面裂纹。

6．钢管理化性能：常温力学性能、高温力学性能、低温性能、抗腐蚀性能。钢管的理化性能主要取决于钢的化学成分，组织结构和钢的纯净度以及钢管的热处理方式等。

7．钢管工艺性能：压扁、扩口、卷边、弯曲、焊接等。

8．钢管金相组织：低倍组织（宏观）、高倍组织（微观） M、B、P、F、A、S

9．钢管特殊要求：合同附件、技术协议。

（二）无缝钢管质量检验方法：

1．化学成分分析：化学分析法、仪器分析法（红外C—S仪、直读光谱仪、zcP等）。

①红外C—S仪：分析铁合金，炼钢原材料，钢铁中的C、S元素。

②直读光谱仪：块状试样中的C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cn、A1、W、V、Ti、B、Nb、As、Sn、Sb、Pb、Bi

③N—0仪：气体含量分析N、O

2．钢管几何尺寸及外形检查：

①钢管壁厚检查：千分尺、超声测厚仪，两端不少于8点并记录。

②钢管外径、椭圆度检查：卡规、游标卡尺、环规，测出最大点、最小点。

③钢管长度检查：钢卷尺、人工、自动测长。

④钢管弯曲度检查：直尺、水平尺（1m）、塞尺、细线测每米弯曲度、全长弯曲度。

⑤钢管端面坡口角度和钝边检查：角尺、卡板。

3．钢管表面质量检查：100%

①人工肉眼检查：照明条件、标准、经验、标识、钢管转动。

②无损探伤检查：

a. 超声波探伤UT：

对于各种材质均匀的材料表面及内部裂纹缺陷比较敏感。

标准：GB/T 5777-1996 级别：C5级

b. 涡流探伤ET：（电磁感应）

主要对点状（孔洞形）缺陷敏感。标准：GB/T 7735-2004

级别：B级

c. 磁粉MT和漏磁探伤：

磁力探伤，适用于铁磁性材料的表面和近表面缺陷的检测。

标准：GB/T 12606-1999 级别：C4级

d. 电磁超声波探伤：

不需要耦合介质，可以应用于高温高速，粗燥的钢管表面探伤。

e. 渗透探伤：

荧光、着色、检测钢管表面缺陷。

4．钢管理化性能检验：

①拉伸试验：测应力和变形，判定材料的强度（YS、TS）和塑性指标（A、Z）

纵向，横向试样管段、弧型、圆形试样（￠10、￠12.5）

小口径、薄壁大口径、厚壁定标距。

注：试样断后伸长率与试样尺寸有关 GB/T 1760

②冲击试验：CVN、缺口C型、V型、功J 值J/cm2

标准试样10×10×55（mm）非标试样5×10×55（mm）

③硬度试验：布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV等

④液压试验：试验压力、稳压时间、 p=2Sδ/D

5．钢管工艺性能检验：

①压扁试验：圆形试样 C形试样（S/D＞0.15） H=（1+2）S/（∝+S/D）

L=40～100mm 单位长度变形系数=0.07～0.08

②环拉试验：L=15mm 无裂纹为合格

③扩口和卷边试验：顶心锥度为30°、40°、60°

④弯曲试验：可代替压扁试验（对大口径管而言）

6．钢管金相分析：

①高倍检验（微观分析）：非金属夹杂物100x GB/T 10561

晶粒度：级别、级差

组织：M、B、S、T、P、F、A-S

脱碳层：内、外

A法评级：A类-硫化物 B类-氧化物 C类-硅酸盐 D-球状氧化 DS类

②低倍试验（宏观分析）：肉眼、放大镜10x以下

a. 酸蚀检验法、b. 硫印检验法（管坯检验，显示低培组织及缺陷，如疏松、偏析、皮下气泡、翻皮、白点、夹杂物等。

c. 塔形发纹检验法：检验发纹数量、长度及分布。

（三）我国现行无缝钢管标准：

1．现行无缝钢管标准：共有47项其中：GB 25 项 HB 3 项特殊用途19项；基础 2项产品 45项

2．常用标准：① GB/T 2102-2006 钢管的验收、包装、标志和质量证明书。

② GB/T 17395-1998 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差。

③ GB 5310-1995 高压锅炉用无缝钢管。

④ GB 6479-2000 高压化肥设备用无缝钢管。

⑤GB/T 18248-2000 气瓶用无缝钢管。

二、管坯质量缺陷及其预防

（一）管坯概况

1．管坯类型：连铸圆管坯、轧（锻）制圆管坯、离心浇注圆空心管坯、钢锭

2．连铸型式：立式连铸机、弧形连铸机、水平连铸机

3．连铸坯优点：①工艺简化，生产成本低。

②成材率高。

③生产条件改善，自动化程度高。

④节约能源。

连铸圆管坯直接用于无缝钢管的生产，因其成本低，质量好，故而给无缝钢管制造业带来了一场深刻的革命，是发展方向，目前最大Φ600，已逐步替代钢锭和轧（锻）制圆管坯用来生产无缝钢管。

为了提高无缝钢管的质量，首要环节是确保管坯的质量。

（二）管坯标准简介：

1．连铸圆管坯：YB/T 4149-2006 《连铸圆管坯》

①直径及允许偏差公称直径d 允许偏差（%d）（mm）

d≤150 ±1.6

150＜d≤250 ±1.5

250＜d≤350 ±1.3

d＞350 ±1.2

②不圆度 d≤150 4.5 2.8

150＜d≤250 4.5 2.5

250＜d≤350 4 2

d＞350 3.5 2

③低倍组织：中心疏松、缩孔、中心裂纹、中间裂纹、皮下裂纹、皮下气泡≤2级

④表面质量不允许存在目视可见的结疤，气孔、针孔、重皮以及深度超过0.5mm裂纹,允许深度不大于3mm的凹坑，深度≤2mm的机械刻痕，压痕存在

管坯表面缺陷允许清理，但应≤4%d（最大≤12mm），应圆滑无棱角

清理处的深∶宽∶长=1∶6∶8

2．轧制圆管坯：YB/T 5222-2004《优质碳素钢圆管坯》 Φ≤450

YB/T 5137-1998《高压用无缝钢管圆管坯》 Φ≤160

YB/T 5221-1993《合金结构钢圆管坯》 Φ≤160

①管坯直径及允许偏差

②椭圆度≤直径公差的75%

③冶炼方法：低倍组织、非金属夹杂物、表面质量规定。

（三）管坯缺陷的检查与清理

管坯的质量对钢管的质量有着极其重要的影响，凡不符合质量要求的管坯不得投料，管坯表面缺陷必须清除干净。

1．管坯质量的检验方法：

①目视检查：表面质量

②低倍组织：硫印法、酸浸法、工业盐酸或氯化铜溶液检查裂纹、气泡、疏松、白点、夹杂物等的分布状况。

2．管坯表面缺陷的清理：

①火焰清理：≤0.4%c 管坯表面缺陷清理

②风铲清理：适合管坯表面局部缺陷的清理

③砂轮清理：主要用于不宜采用火焰清理的管坯

④车削清理：主要用于附加值和质量要求都很高的管坯表面缺陷清理，如不锈钢管坯，锈坯:如 P91、 P92

总之，对管坯的质量进行检查和检验以及对管坯的表面缺陷进行必要的清理，是确保无缝钢管生产所用坯料符合质量要求的基本前提。

（四）管坯的外观形状缺陷

1．圆管坯直径及椭圆度超差：穿孔机的孔型参数是根据管坯的名义直径及毛管的外径和壁厚确定的。

① 外径超过正公差，毛管容易产生内折缺陷。

② 外径超过负公差，致使穿孔过程难以实现。

③ 管坯椭圆度超差，主要是影响管坯的穿孔过程的正常进行并导致毛管产生外表面缺陷（延卡、外折、结疤）。

2．钢锭尺寸超差:过充满，欠充满，偏心，壁厚不均。

3．圆管坯端面切斜度超差：产生毛管端面壁厚不均，定心孔质量。

（五）管坯的表面质量缺陷

a) 管坯表面裂纹：是管坯中经常存在且对钢管质量危害及大的一种缺陷。

连铸圆管坯的表面裂纹分为纵、横裂纹、网状裂纹钢中s＞0.02% ，p ＞0.017%时，钢的高温强度和塑性降低，管坯表面发生纵裂纹的趋势增大。

管坯表面裂纹在加热过程中会发生严重氧化，经过轧制后，裂纹处常伴有氧化质点,脱碳现象，裂纹中间存在氧化亚铁，裂纹根部比较圆滑，此现象是生产现场判定钢管表面裂纹是因为管坯带来的，还是在轧制过程中产生的重要依据之一。

b) 管坯结疤与重皮：是指管坯表面的未与管体金属完全结合的金属片层。

c) 管坯气孔（针孔）：是因为钢液在浇铸过程中皮下气泡破裂而在管坯表面形成的一些小孔，气体含量高造成。

d) 管坯凹坑与沟槽：管坯表面受到机械碰撞或划伤造成的。凹坑容易形成轧后荒管表面的折叠或结疤; 沟槽在穿孔毛管的表面形成较长的大外折。

5．管坯“耳子”：在斜轧穿孔时极易造成穿孔毛管表面的螺旋状外折。

（六）管坯的低倍组织缺陷

所谓管坯的低倍组织是指管坯试样经过磨光酸浸后在横截面上存在的用肉眼观察到的组织（宏观组织）。

连铸圆管坯的低倍组织特别是低倍组织缺陷会对管坯的加工性能、力学性能和钢管质量产生很大的影响，YB/T 4149-2006 《连铸圆管坯》标准中列出的连铸圆管坯低倍组织缺陷主要包括：管坯皮下气泡，疏松、缩孔、皮下裂纹、中心裂纹、中间裂纹和组织偏析等。

1．管坯皮下气泡：①存在于连铸圆管坯的表面附近（表皮以下），形态程椭圆。

②钢水脱氧不足是产生管坯皮下气泡的主要原因。0.01～o.015%

③对于要求更高的钢种，还要求采用炉外精炼方法对钢水进行脱气，以降低H、O、N，如高压锅炉管。

④皮下气泡会在钢管表面产生“飞皮”，形状类似“指甲”状，该类缺陷小而浅，可以通过修磨将其去除。

2．管坯皮下裂纹：①主要存在于连铸圆管坯的柱状晶体和表面细晶区的过度区域附近，离管坯表面3—10mm范围内。共4级,≤2级合格

②皮下裂纹轻微时可以“轧合”，严重时会产生“钢质外折”

3．管坯中间裂纹和中心裂纹：评级图4级，≤2级合格

①存在于连铸圆管坯十分发达的柱状晶体（中间裂纹），与柱状晶成而成长方向一致。

②中心裂纹存在于管坯的中心，裂纹方向沿晶向伸长。

③连铸圆管坯的中间裂纹和中心裂纹是造成无缝钢管钢质内折的主要原因。

④由于连铸圆管坯的中心裂纹和中间裂纹是连铸圆管坯的严重质量缺陷，因此必须予以严格控制。

⑤提高钢水的质量（减少钢水中的P、S含量，减少钢中的非金属夹杂物，提高钢水的纯净度），优化连铸工艺参数（采用电磁搅拌、结晶器振动等技术）可造成管坯裂纹。

4．管坯疏松和缩孔：是连铸工艺的性能决定的，参看评级图4级，≤2级合格

连铸与轧制相结合可以进一步消除连铸圆管坯的中心疏松和缩孔，也可以改善连铸圆管坯的铸态组织。

5．管坯偏析：组织偏析、成分偏析、结晶区分布偏析。

连铸圆管坯：激冷区（表面细晶粒区） 10～15%

柱状晶区 55～60%

中心疏松区 25～30%

柱状晶体是导致连铸圆管坯斜轧穿孔时毛管产生内折缺陷的主要因素。

（七）管坯的显微组织缺陷

1．钢中有害元素：由炼钢原料带来的，应采用精料方针，尽量减少钢中的有害元素，As、Pb、Sn、Sb、B；五大有害元素,分布在晶界上，低熔点在管坯加热中优先熔化，从而削弱了晶间的联系，在管坯热变形时很容易发生金属破裂，从而会产生大量的质量缺陷。

2．管坯成分及组织偏析：炼钢决定（延长冶炼时间，增加搅拌）

当管坯的成分和组织不均匀且产生严重偏析时，会使轧制后的钢管呈现严重的带状组织，从而影响钢管的力学性能和耐蚀性能，并使其性能不符合要求。

3．管坯非金属夹杂物：它是钢中的铁及其他元素与O、S、N等作用而形成的化合物，是不可避免的，在本质上已失去了金属的性质，与钢的机体无联系。

分为5类：A：硫化物 B：氧化物 C：碳酸盐 D：氮化物 DS：球形夹杂物

①非金属夹杂物: 塑性差、熔点低、易产生裂纹。

②采用钢包精炼技术和中间包冶金技术可以减少钢中的非金属夹杂物。

③当管坯夹杂物含量太多,特别是呈簇状分布而形成大型夹杂物之后,不仅会影响钢管的性能,且易使钢管生产过程中产生裂纹。

三、管坯加热缺陷及其预防

常见的管坯（钢管）加热缺陷有：管坯（钢管）的加热不均、氧化、脱C、加热裂纹、过热和过烧等。

（一）、加热炉炉型及其特点

1．管坯加热：目的是为了提高钢管的塑性，降低钢的变形抗力；为轧管提供良好的金相组织。使用的加热炉主要有：环形加热炉、步进式加热炉、斜底式加热炉和车底式加热炉等。

2．荒管加热：目的在于升高和均匀荒管的温度，提高钢的塑性，控制其金相组织，为荒管定径创造有利条件，并保证钢管的力学性能，使用的加热炉主要有：步进式加热炉、连续辊底式加热炉、斜底式加热炉、电感应式加热炉。

3．冷轧（拔）过程中的钢管退火热处理：目的是消除钢管在冷加工时所产生的加工硬化现象，降低钢的变形抗力，为钢管的继续冷加工创造条件。

采用的加热炉主要是：步进式加热炉、车底式加热炉、连续辊底式加热炉。

4．钢管性能热处理：主要目的是为了控制钢管的金相组织，提高钢管的综合性能，使用的加热炉主要有：步进式加热炉，连续辊底式加热炉、车底式加热炉、保护气体加热炉。

5．特点：在无缝钢管生产中，环形加热炉和步进式加热炉使用最为广泛；电感应式加热炉也正在得到发展；而斜底式加热炉因加热质量不高，劳动强度大而趋于淘汰。

①连续辊底式加热炉：主要用于冷轧（拔）钢管的热处理。

②车底式加热炉：比较适用于批量较小，加热及保温时间较长的合金厚壁钢管。

③保护气体连续辊底式加热炉：主要用于钢管表面要求无氧化的成品钢管热处理和冷轧（拔）过程中无酸洗工序的退火处理。

（二）、管坯加热缺陷及其预防

影响管坯质量的因素主要包括：加热温度、加热速度、加热和保温时间等，为了减少管坯的加热缺陷，必须制订合理的加热工艺参数并加以严格控制。

1．管坯加热温度：

①管坯加热温度太低或太高：T↓会增大钢的变形抗力，降低钢的塑性；T↑、t↑管坯表面会发生严重的氧化、脱C、甚至产生过热或过烧。

过热：主要是管坯的加热温度过高，或者在较高的温度下加热时间过长而造成A晶界过分粗大所致的缺陷。

过烧：当管坯加热温度达到固相线温度附近，使A晶界发生氧化甚至晶界局部熔化时，管坯便产生了过烧。

管坯首先发生过热，进而再发生过烧，管坯发生过热时其晶粒粗大，晶界处夹杂物富集，钢的塑性降低，而管坯发生过烧时，其晶界发生熔化，钢的塑性会进一步降低。

管坯过热特别是过烧，是管坯在加热中产生的十分严重的缺陷，过热的管坯穿孔时，穿孔毛管会产生大量的内折；而过烧的管坯会使钢管报废，因此，应对此予以高度重视。

管坯产生过热或过烧是极不正常的现象，可能是因设备失灵或操作不当造成的。

②管坯加热温度不均：分为沿管坯纵向的加热温度不均和沿横截面的加热温度不均（阴阳面）。

造成管坯加热温度不均的主要原因是：加热时间特别是保温时间不够，或是加热炉笑嘴的布置和火焰的调整不当所致。

当管坯存在加热温度不均时，穿孔后的毛管会产生壁厚不均；当管坯存在阴阳面时，毛管壁厚不均的程度会比较严重，在穿孔后的毛管表面可以看出呈螺旋状的“黑带”。

在制定管坯加热工艺参数时，为了确定各钢种最佳的加热温度，应在F—C平衡图的指导下，遵循以下基本加热原则：

必须保证把管坯加热到Ac3以上温度，以便得到均匀一致的A组织

应保证管坯在单一的A区内完成穿孔及轧制变形，荒管的终轧温度最好在850℃左右。

管坯的加热温度不能太靠近固相线，一般应比固相线低100～150℃。以防止其晶界氧化，出现过热或过烧缺陷。

为了减少管坯的氧化，防止管坯表面严重脱C，应注意调节加热炉内的气氛，均热需要保持弱还原性火焰，在保证管坯不产生加热裂纹的前提下，应采用高温短时快速加热。

在制定加热工艺参数时，还必须考虑:管坯的化学成分和原始组织；管坯的尺寸大小；加热炉的装炉方式和装炉量等。

2．管坯加热速度：

① 管坯加热速度的大小与管坯加热裂纹的产生密切相关。当管坯入炉后，若加热炉的炉温太高或管坯在加热炉中的加热速度太快时，则管坯容易产生加热裂纹。

② 管坯产生加热裂纹的主要原因：当管坯表面的T↑，管坯内部的金属和与表面的金属产生了温差，导致金属热膨胀不一致而产生热应力，一旦此热应力超过材料的断裂作用应力，管坯就会产生加热裂纹，一般情况下，管坯在低温阶段快速加热时，产生加热裂纹的可能性较大，合金钢的导热系数较碳钢低，因而合金钢管坯产生加热裂纹的倾向性更大，为此，应降低合金钢管坯的加热速度。

③ 管坯加热裂纹还与管坯的直径大小有关：管坯直径越大，管坯产生加热裂纹的倾向性增大，因此，当加热大直径的管坯时，在低温阶段最好采用较低的加热速度。

3．管坯加热时间和保温时间

① 管坯在高温下的加热时间越长，则越容易造成其表面的严重氧化、脱C、甚至出现过热或过烧，从而导致钢管的质量缺陷或力学性能不合要求，严重时会造成钢管报废。

② 为了减少因加热时间和保温时间不合理而造成的管坯加热质量缺陷，管坯的加热时间应遵行以下原则：

确保管坯加热均匀并全部转变成A组织。

碳化物应溶入A晶粒中。

A晶粒不能粗大，不能出现混晶。

加热后的管坯不能产生过热或过烧。

③ 管坯加热时间t采用下面的经验公式计算：

t=KD 式中：D — 管坯直径mm

K — 管坯的单位加热时间min/mm

t — 加热时间 min

管坯的单位加热时间K min/mm

钢种步进炉、环形炉斜低炉

C钢、低合金钢 0.5～0.65 0.6～0.7

中合金钢 0.65～0.8 0.8～0.9

高合金钢 0.7～1.0 1.0～1.1

④ 为了提高管坯加热质量，预防管坯的加热缺陷，在制定管坯加热工艺参数时，应遵循以下基本要求：

加热温度准确。

加热温度均匀。 ±10℃

金属烧损少。

加热制度合理。

（三）、荒管加热缺陷及其预防

经轧管机轧制后的荒管，其终轧温度大约在850℃左右，并且沿荒管的横截面和长

度上存在一定的温差，由于温差的存在，不能满足定（减）径温度的要求，所以荒管在定（减）径之前，正常需要再加热来提高荒管的温度，减小其头尾温差降低其变形抗力，为后续荒管的定（减）径，冷轧（拔）创造有利条件，提供组织保证。对于后续不再进行热处理的钢管，通过荒管再加热可以获得良好的A晶粒组织，荒管经定（减）径后，采用合适的冷却方式可以得到良好的力学性能和工艺性能。

荒管在再加热过程中所产生的主要质量缺陷如下：

1．荒管加热不均：存在头尾温差、纵向温差，容易造成钢管外径偏差。

为了保证荒管加热温度的均匀化，就应确保荒管的加热时间和炉内供热及炉内气氛的温度均匀性。可采用炉内气氛搅拌法（高温循环风机）。

2．钢管显微组织不合理：荒管的再加热温度，加热时间及冷却制度对钢管的显微组织和力学性能影响十分突出。

3．荒管表面氧化及脱C：加热温度越高，保温时间越长，氧化、脱C越严重。

① 当荒管表面严重氧化而出现较厚的氧化铁皮时，定（减）径后的钢管会产生麻面。消除钢管麻面和表面严重脱C的有效办法是保证炉内气氛呈弱还原性，严格按加热

工艺要求，需控制的加热温度和时间，当生产不正常时，应及时降低再加热炉的炉温或将炉内的荒管出炉。

② 荒管在出再加热炉后，进定（减）径之前，对其表面进行高压水除磷，可以减少钢管的麻面缺陷，提高钢管的表面质量。

③ 采用保护气体再加热炉来加热荒管可以达到钢管的表面无氧化。

4．荒管过热或过烧：当荒管的加热温度太高，加热时间过长时，可能会出现。

5．荒管表面擦伤：与辊道发生相对滑动产生，勤检查及时调整。

（四）、钢管热处理缺陷及其预防

1．定义：根据不同目的，将金属材料加热到适宜的温度并保温，随后采用不同的方式冷却，以改变金属材料的金相组织并获得所要求的组织性能，此工艺过程通常称为金属材料热处理。

金属材料热处理分为：①整体热处理 ②表面热处理 ③化学热处理

钢管热处理缺陷主要包括：钢管组织性能不合格，尺寸超标以及表面裂纹、擦伤、严重氧化、脱C、过热或过烧等。

2．钢管热处理及其工艺特点：

①热处理：a. 加热：Ac1以下的加热，主要是稳定钢的组织及消除内应力。

Ac3以上的加热，主要是为了将钢奥氏体化。

b. 保温：目的是均匀钢管的加热温度，以得到合理的加热组织。

c. 冷却：冷却过程是钢管热处理的关键工序，它决定着钢管在冷却后的金相组织和力学性能。

常采用的冷却方式有：炉冷、空冷、油冷、水冷等。

②钢管正火：是指将钢管加热到奥氏体化以上温度，保温一段时间，然后在空气中再平

缓均匀地进行冷却，从而得到稳定组织的工艺过程

主要目的：细化钢的晶粒，均匀内部组织，改变残余应力状态，提高钢管综合性能。

主要作用：减轻或消除钢管在变形过程中所形成的带状组织和混晶；

消除过共析钢中的网状碳化物，以利于球化退火；

用作中C钢及合金结构钢淬火前的预处理，以细化晶粒使组织均匀,减少淬火工序所产生的钢管缺陷；

对于低C钢和低合金钢用以代替退火，以改善钢管的切削性能可作为要求不高的普通结构钢管的最终热处理等。

③钢管退火：将钢管加热到高于或低于临界点（Ac3或Ac1）的某一温度，待保温一段时间后，再使其缓慢冷却，以获得近似平衡态组织的工艺过程，分为再结晶退火、完全退火、等温退化、球化退火和去应力退火等。

一般高C，低合金和合金钢管，需要通过退火来降低其硬度和强度，提高塑性，消除内应力和组织不均，细化结晶组织，以利于钢管的机加工和为钢管的最终热处理奠定组织基础。

④钢管回火：将钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式使钢管冷却，以得到较为稳定状态组织的工艺过程。

主要目的：提高钢管的塑性和韧性，使钢管获得良好的综合力学性能，降低或消除钢管在淬火时所产生的残余内应力以及稳定钢管尺寸，使钢管的组织在使用过程中不发生变化。

钢管回火后一般采用空冷：为防止钢管重新产生内应力，应缓慢冷却，对于具有高温回火脆性的钢管，回火后应采用快速冷却，如油冷。

钢管回火一般分为：低温回火 150～250℃

中温回火 350～500℃

高温回火 500～650℃

⑤钢管淬火：将钢管加热到Ac3以上30～50℃，保温一段时间后使钢管快速冷却而得到M和B组织的工艺过程。

M一般具有高的硬度和脆性，是A急速冷却的产物。

钢管淬火后的组织除M，B外还有少量的A残，它们都是不稳定组织。

钢管经过淬火之后，其内部会产生热应力和组织应力，一般可通过回火来予以消除和改善，调质（Q+T）能使钢材的综合性能得到大幅度的提高。

⑥固溶处理：实质是钢管的淬火工艺，只是固溶处理的温度较高。固溶处理主要用于A不锈钢管，其目的是降低钢管的硬度和强，提高钢管的塑性和韧性，以及提高成品钢管的耐腐蚀性和综合性能，达到标准规定或用户要求。

3．钢管热处理缺陷及其预防

① 钢管组织性能不合格：热处理不当所致（T、t、冷却方式）三要素

魏化组织：钢在高温加热条件下形成的粗晶粒A在冷却时，形成片状的F而分布在P上的一种组织，是一种过热组织，对钢管的综合性能有不良影响，特别是使钢的常温强度降低，脆性增加。

程度较轻的W组织，可采用适当温度的正火来消除，而程度较重的W组织，可用二次正火来消除，第一次正火温度较高，第二次正火温度较低，细化晶粒。

F—C平衡图是制定钢管热处理加热温度的重要依据，也是研究平衡状态下F—C合晶的成分，金相组织与性能的基础，过冷A等温度转变图（TTT图）以及过冷A连续冷却转变图（CCT图），是制定热处理冷却温度的重要依据

②钢管尺寸不合格：外径，椭圆度，弯曲度超差。

钢管外径的变化常发生在淬火工艺，因体积变化（组织变化引起）使得钢管外径增大。常在回火工序后增设定径工序。

钢管椭圆度的变化：钢管端部，主要是大口径薄壁管。

钢管弯曲：钢管加热和冷却不均造成的，可以通过矫直解决，对于有特殊要求的钢管应采用温矫工艺（550℃左右）。

③钢管表面裂纹：是因为加热速度或冷却速度太快，热应力过大而造成的。

为了减轻钢管的热处理裂纹，一方面应根据钢种来制订钢管的加热制度和冷却制度，选用合适的淬火介质；一方面应尽快对经过淬火的钢管进行回火或退火以消除其应力。

④钢管表面擦伤或硬伤：钢管与工件、工具及辊道之间相对滑动产生。

⑤钢管产生氧化、脱C、过热或过烧。T↑、t↑引起。

⑥保护气体热处理的钢管表面氧化：加热炉密封不好，炉内进入空气。

炉气成分不稳定。

△ 必须加强管坯（钢管）加热各环节的质量控制。

四、穿孔毛管质量缺陷及其预防

1．穿孔是热轧无缝钢管变形的第一道工序，也是最重要的变形工序之一。其作用是将实心管坯穿制成空心毛管。穿孔方式：纵轧穿孔、斜轧穿孔。

①纵轧穿孔：压力冲孔、推轧穿孔。管坯不发生旋转。

②斜轧穿孔：二辊式（锥式、桶式、曼式、盘式）两个轧辊，两个导板。

三辊式：由三个旋转的轧辊组成穿孔孔型。

管坯在轧辊的作用下一边旋转一边前进。

2．穿孔毛管的质量缺陷产生原因：

①由管坯本身的缺陷或管坯在加热过程中产生的缺陷。

②在穿孔工序中产生的，它是由于穿孔工艺参数设计或调整不正确，穿孔工具形状不合理，穿孔工具表面存在质量缺陷等原因造成的。

3．穿孔毛管质量缺陷主要包括：毛管的壁厚不均；内直道、外直道；表面结疤、划伤；内折、外折、离层

㈠．纵轧穿孔工艺与质量缺陷

1．工艺特点：毛管内孔是依靠冲（顶）头“顶”出来的：压力冲孔：立式冲孔

卧式冲孔

推轧穿孔：斜轧

管坯的冲孔变形过程主要是在三向压应力状态下完成的，因此对管坯中心部分的疏松和缩孔会起到压实的效果，所以，压力冲孔工艺可以改善管坯的低倍组织缺陷，为后续延伸工序提供质量良好的冲孔坯。

对于一些塑性较差，不宣采用直接穿孔工艺生产的高合金无缝钢管管坯，可以先进行压力冲孔，再进行延伸轧制。

2．纵轧穿孔毛管质量缺陷及其预防

① 冲（穿）孔坯壁厚不均：工艺原因，加热温度不均造成。

预防措施：a. 应保证管坯加热均匀，（最小阻力定律）防止严重烧损。

b. 尽可能使管坯的中心线与冲杆（顶杆）中心线重合，注意调整冲杆

（顶杆）导向系统，其间隙不能过大。

c. 防止（冲杆）顶杆弯曲，应保证其有足够大的抗弯强度。

d. 压力冲孔机的十字头导向装置和推轧穿孔机的管坯导卫装置的调整，必须保证管坯中心线与轧制中心的对准和稳定。

② 冲（穿）孔坯内外直道：

a. 产生原因：冲头（顶头）是在极其恶劣的高温、高压环境下工作的，其端部一旦产生严重的变形或粘钢，冲头（顶头）在与管坯内表面所产生的相对运动中，就会将管坯内表面刮伤而形成内直道。

b. 预防措施：为了防止冲（穿）孔坯产生内、外直道缺陷，应加强对冲头（顶头）、冲模（轧辊）的冷却，提高其使用寿命，宜采用高强耐热钢来制造冲头（顶头），一旦发现粘钢，就要及时修磨或更换。

③ 冲（穿）孔坯外表面擦伤：

a. 产生原因：推轧穿孔时，穿孔坯的外表面擦伤是因为管坯经过表面不光洁的输送辊道，或与粘钢或破损的轧辊发生相对滑动所产生的。

b. 预防措施：应加强冲孔工具及辊道的检查与维护，及时更换不能满足工艺要求的工具和工件。

㈡．斜轧穿孔工艺与质量缺陷

1．工艺特点：斜轧穿孔变形区按其作用可以分为四个区域

①穿孔准备区（轧辊咬入段）控制管坯孔腔的过早形成内折

②穿孔区（穿孔段）防止产生划伤、裂纹

③辗轧区（均壁段）应提高毛管的壁厚精度、消除螺旋

④转圆区（转圆段）防止导板刮、划伤

2．斜轧穿孔毛管质量缺陷及其预防

①毛管内折：是斜轧穿孔中最容易发生的质量缺陷，它与管坯的穿孔性能，穿孔机的孔型及穿孔工艺参数的调整和穿孔顶头的质量有十分密切的关系。管坯孔腔是造成穿孔毛管内折的重要因素之一。

影响毛管内折的重要因素：

a. 顶头前下压量、压缩次数

b. 孔型形状

c. 顶头表面质量

②毛管外折：大多是因为管坯的表面缺陷所造成的

影响毛管外折的主要因素：a、管坯本身的塑性和表面质量

b、穿孔变形量和轧辊孔型形状。

c、穿孔工具的表面质量。

措施：

a. 提高管坯加热质量，选择合适的穿孔变形量有利于减少毛管外折缺陷的产生。

b. 加强对管坯表面缺陷的检查和清理是减少毛管外折缺陷的主要措施。

c. 提高孔型的封闭性，适当减小孔型的椭圆度将有利于减少穿孔毛管外折缺陷的产生。

③毛管壁厚不均：分为横向壁厚不均和纵向壁厚不均

影响毛管壁厚不均的主要因素：

a. 管坯的加热温度

b. 管端定心

c. 穿孔机的孔型调整

d. 工具形状

④毛管表面擦伤：主要是穿孔工具或穿孔机出口辊道表面发生了严重磨损，不光滑或辊道不转等原因造成的。

措施：应加强穿孔工具的检查和修磨，只要是不符合质量要求的工具就应及时更换。

未完待续

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