Q235B焊管横裂原因分析

谷国华

(山东泰山钢铁集团有限公司，山东 271100)

Q235B 热轧板是焊管制造的基础材料。某焊管制造公司使用12 mm 厚度的Q235B 热轧中板纵剪分条生产160 方管，在焊管成型过程中出现严重的横向开裂。严重时，从1.5 m 的空中自由落体时就发生断裂，数量多，批次多，持续多年，一直没有得到有效的解决。很多文献描述的低应力脆断一般是与低温联系在一起，而这种在常温状态下焊管母材发生的低应力脆断目前还没有文献做直接的描述。为了查明常温下发生低应力脆断的原因，找到适宜的改进措施，对发生横断的焊管进行了取样检验分析。

1 试验方法

对焊管开裂缺陷进行宏观分析;对缺陷试样进行O、N 含量检测分析;从开裂管体上截取典型部位试样进行化学成分和力学性能检测;对拉伸断口、冲击断口样进行电镜能谱微区分析;通过一组热处理试验，进一步明确开裂与材质的关系以及材质产生缺陷的原因。

2 试验结果

2.1 宏观特征

焊管横裂(图1)发生在焊管基体上，裂纹经过焊缝和焊缝热影响区，多集中在焊缝的一侧，见图1(a)，在焊接之前，角部成型过程中，就出现开裂。裂纹有的很严重，穿越角部，有的较小，只在剪切面附近有横裂。断裂断口平齐，无明显塑性变形。裂口细节形貌见图1(b)。

图1 焊管横裂件宏观形貌Figure 1 Macro appearance of welded pipe with transverse crack

表1 热轧钢带的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of hot rolling steel strip(mass fraction，%)

表2 热轧钢板的机械性能Table 2 Mechanical property of hot rolling steel plate

2.2 化学成分和力学性能

从横裂件上截取试样进行化学成分分析(表1)，横裂焊管的化学成分符合国家标准GB/T 700—2006 中Q235B 钢种的要求，其中，P 含量偏上限，P 是冷脆元素，偏高的P 含量增加钢材的脆性。力学性能检测结果显示延伸率和冲击功不合格(表2)，远远低于GB/T700—2006 的标准要求，延伸率和冲击功不合格对焊管成型不利。

2.3 金相分析

钢板横截面上、下厚度1/6 处的金相组织主要是粒状贝氏体(图2)，贝氏体属于快冷组织。钢板横截面中心区的金相组织主要是铁素体和珠光体(见图3)，在板中心区域还存在夹杂物偏聚的条带，珠光体为片层间距约1 μm 的粗片状珠光体。断裂部位的金相组织状态与未开裂基体的金相组织分布相同，在开裂附近没有发现氧化。在低碳钢中，粒状贝氏体的韧性稳定性较差，而珠光体的片层较粗，在变形过程中容易从其薄弱环节处萌生裂纹，使铁素体发生快速解理断裂。

2.4 断口分析

焊管开裂的断口属于应力脆断。拉伸试验显示，钢板在拉伸过程中无明显屈服，拉伸断裂部位有明显的颈缩，界面不平整，断口呈深灰色，无明显金属光泽(图4)。用扫描电镜观察断口(图5)，微观断裂机制以韧窝为主，含有少量的解理断裂，材料呈现出一定的脆性。冲击断口完全为脆性断口，冲击试样断裂机制为解理断裂，与拉伸断口一样呈暗灰色，断口较平，在断口上出现亮灰色结晶状断口。利用扫描电镜对试样冲击断口进行观察，在较高倍数下可见试样断口区的形貌属于脆性断口(图6)，呈河流条纹的脆性特征，断裂机制为解理断裂。

图4 拉伸试样及断口Figure 4 Tension specimen and its fracture

表3 开裂焊管夹杂物评级表Table 3 Grade evaluation of fractured welded pipe inclusion

开裂件中的夹杂物主要为B、C 类混合夹杂，最高级别达到3.0 级(表3)。用能谱仪对冲击断口进行微区成分分析，观察试样扫描面形貌，在断口个别部位可看到夹杂物，夹杂物的能谱成分见图7，能谱检测出Al、O 元素的含量较高。钢中非金属夹杂物对钢的韧性危害较大，破坏了钢基体的均匀连续性。夹杂物、缺陷可以看成为材料中的微裂纹［1］，外力作用下造成夹杂物周围应力集中，促进了裂纹产生，并在一定条件下加速了裂纹的扩张，从而加速材料的破坏过程，造成钢板冲击功低。材料内部的粗大条状的夹杂物在外力作用下均可演变为裂纹，裂纹的存在和扩展是发生低应力脆断的主要原因［2］，因此粗大条状的夹杂物是造成开裂的裂纹源。

图5 拉伸断口扫描电镜图片Figure 5 SEM picture of tension fracture

2.5 热处理试验

在开裂焊管上取样，进行950℃保温1 h 后，分别620℃和680℃保温1 h 的回火处理，重新进行冲击功检测.检测结果(表4)显示冲击功有了较大的提高，能满足GB/T700—2006 要求。

图6 冲击断口上的脆断形貌Figure 6 Brittle appearance of impact fracture

图7 断口上的极少量韧窝状态及能谱分析结果Figure 7 Little dimple status and energy spectrum analysis result of fracture

表4 热处理后焊管基体的冲击功检测结果Table 4 Impact power test result of welded pipe matrix after heat treatment

3 工艺分析

若生产Q235B 热轧板的铸坯存在原始裂纹缺陷，则一般遗传在热轧板上表现为在裂纹附近存在内氧化和内氧化质点。对开裂部位的金相检验过程中并未发现裂纹附近存在氧化现象，说明加工焊管用Q235B 热轧板的塑性低与热轧工艺有关。

珠光体的片间距和珠光体团的尺寸与过冷奥氏体的转变温度有关，转变温度越低，珠光体的片间距越小，珠光体团的尺寸也越小。焊管用Q235B 热轧板的金相组织特点一般是由于轧制过程中热轧温度较高，钢板的表面冷却快，中心层冷却较慢引起的，说明Q235B 热轧板热轧温度没有得到有效控制。进行热处理工艺试验后，焊管用Q235B 热轧板的冲击功大幅提高有力的证明了该分析观点。

4 结论

经过对缺陷试样的检验分析，得出:焊管横断是低应力脆断，加工变形产生的残余应力和焊接时产生的残余应力共同作用产生开裂。含量过高的夹杂物是造成开裂的裂纹源，原料板不合格的延伸率和冲击功是造成焊管开裂的主要原因。在生产焊管用热轧板的热轧工艺中，温度控制不理想是造成材料塑性低的主要原因。

［1］机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验.上海科学普及出版社，2003.

［2］戚国胜.脆断事故的原因分析和预防措施.南方冶金学院学报，2002，23(1):28-33.