关于无缝钢管离层和分层缺陷的讨论

来源：至德钢业　日期：2020-06-01 17:21:34　人气：1452

对无缝钢管的离层和分层缺陷在相关标准和文献中的表述及使用问题进行了讨论。分析认为，无缝钢管中的离层和分层是两种缺陷，而不是一种缺陷。建议在无缝钢管有关国家标准中规定“钢管不允许有离层和分层缺陷”；在YB/T 4149—2006《连铸圆管坯》标准中补充规定“连铸圆管坯轧制的钢管不允许有冶炼因素引起的分层缺陷。分层缺陷可以用超声波测厚仪测定。”

原冶金工业部情报标准研究所1972年编写的《冶金产品标准工作手册（钢铁部分）》（以下简称《标准手册》），关于钢材缺陷的名称中，列入了离层和分层两种缺陷。根据《标准手册》对离层和分层缺陷的说明和无缝钢管生产的实际情况，本文将对离层和分层缺陷的特征、影响因素、产生原因及消除措施进行总结，对离层和分层缺陷在技术标准和文献中的表述及使用问题进行讨论，并提出相应建议。

1离层缺陷

根据《标准手册》对离层缺陷的说明和相关文献的报道，离层缺陷只出现在两类钢的无缝钢管中。一类是低塑性难变形的高温合金和耐热钢，钢号包括GH3039、GH2130、GH1131、GH2132、GH2135、GH1140、GH3128、GH4169、GH984，X17H13M2T、X23H18、X18H10T和Cr30Ni40-Mo3、Cr25Ni50Mo6、Cr20Ni50Mo9等；另一类是轴承钢，钢号是GCr15（щх15）。

对于低塑性难变形的高温合金和耐热钢，离层缺陷发生在二辊斜轧穿孔的毛管上。在毛管的横截面，离层缺陷是一种平行于内外表面的环形或弧形且有一定宽度的裂纹。呈环形开裂的离层，也被称为环形破裂或环状离层。离层缺陷有的靠近毛管外表面，叫外离层；有的靠近毛管内表面，叫内离层。外离层往往在毛管端部或表面上出现破裂，好像毛管被轧辊啃下一层皮，所以也叫“外剥皮”。外离层裂纹位于毛管的外表层细晶粒和中间层粗晶粒的过渡区域。内离层裂纹位于毛管内表层细晶粒和中间层粗晶粒的过渡区域。严重的离层缺陷把毛管壁厚明显分成3层。其中，中间层的金属往往被辗轧裂碎形成严重开裂，这时两种离层重合，在壁厚中间形成一条有一定宽度的裂纹。所有离层裂纹的前端及两侧都未见异常非金属夹杂物，组织状态正常，无过烧现象。沿毛管的纵向，横截面上的弧形裂纹位置随金属的扭转变形而发生转动。有的离层缺陷只出现在毛管的尾部；有的离层缺陷贯穿毛管全长，尾部的缺陷重于头部。有离层缺陷的毛管从穿孔机出来，可以看到毛管上有一条旋转的黑线。冷却后，敲击有离层缺陷的毛管，可以听到嘶哑的响声。有离层缺陷的毛管，如果不在穿孔后及时发现剔出而继续轧制，则离层缺陷就会隐藏在轧制后的成品钢管中。离层缺陷的面积较大，通过超声波探伤或测厚就很容易发现。离层缺陷实际上是裂纹，有离层缺陷的毛管和成品钢管，应判为废品。

在二辊斜轧穿孔机上穿孔的毛管出现离层缺陷，这是低塑性难变形钢和合金的一个特点。用这类低塑性难变形钢和合金穿制的毛管，无论是用鼓形辊穿孔机，还是用锥形辊穿孔机，甚至用三辊斜轧穿孔机，均会出现离层缺陷。这类低塑性难变形钢和合金，不排除毛管出现内折缺陷的可能，但是可以肯定，毛管的主要缺陷不是内折缺陷而是离层缺陷。而碳钢和其他低合金钢却相反，毛管只是有时出现内折缺陷，基本不出现离层缺陷。这类低塑性难变形钢和合金，通常毛管上出现离层缺陷就不会出现内折缺陷，或者出现内折缺陷就不会出现离层缺陷，两种缺陷在毛管上的出现，具有相互矛盾、相互排斥的倾向。

低塑性难变形的高温合金和耐热钢的离层缺陷不是由管坯中异常非金属夹杂物引起的，而是由管坯在穿孔过程中变形不深透，表层金属变形激烈造成的。根据对离层缺陷形成过程的观察，其形成的机理如下：低塑性难变形的高温合金和耐热钢塑性变形的一个特点是变形抗力大，变形不容易深透，穿孔过程中外表层和内表层的金属比中间层金属变形严重，特别是在轧辊转数较高的情况下，毛管金属“皮动肉不动”。在轧辊和顶头的辗轧下，外表层和内表层变形大的金属必然要向切向、纵向和横向流动，并发生扭转，外表层和内表层金属趋向于周长长大和鼓胀，在外表层与中间层的过渡区以及在内表层与中间层的过渡区，产生区域间的剪切应力和拉应力。经过一定的辗轧过程或者表层金属运动受阻而发生堆积、皱折时，金属破裂，形成外离层和内离层。

低塑性难变形的高温合金和耐热钢毛管离层缺陷的影响因素及其消除措施是：①金属的热加工塑性。热加工塑性低的钢种容易产生离层缺陷。为减轻和消除离层缺陷，要采取措施提高金属的热加工塑性，如采用电渣重熔双联冶炼工艺路线生产钢锭，对钢锭和管坯进行均匀化热处理，添加镁、稀土等微量元素进行微合金化处理，在保证力学性能满足技术标准要求的前提下对Al、Ti等强化元素含量按中、下限控制。②穿孔机轧辊转数。轧辊转速越高，毛管离层缺陷越严重。降低轧辊转数，可以消除毛管离层缺陷，效果显著。在二辊斜轧鼓形辊穿孔机上穿出合格高温合金毛管的主要工艺措施，就是降低轧辊转速。③加热温度。加热温度超过合理范围时，温度越高，毛管离层缺陷越严重。加热温度范围要选择合理，在确定加热温度时，要考虑穿孔变形产生的温度升高。即使加热温度合适，若轧辊转数高，毛管仍然会出现离层缺陷。④咬入角和辗轧角。二辊斜轧鼓形辊穿孔机增大咬入角以及二辊斜轧锥形辊穿孔机增大咬入角和辗轧角，均有利于毛管变形深透，有利于减轻或消除离层缺陷。所谓“二辊斜轧锥形辊穿孔机适于低塑性难变形合金穿孔”的说法，实际就是指二辊斜轧锥形辊穿孔机在大咬入角和大辗轧角的条件下进行穿孔，可以减轻或消除某些低塑性难变形钢和合金毛管的离层缺陷；如果同时降低轧辊转速，则消除毛管离层缺陷的效果会更好。

图1～5是高温合金离层缺陷的外观形貌以及纵、横向低倍组织。其中，图1是高温合金毛管出现离层缺陷后用氧气切开的形貌，该照片与《标准手册》中图3-10-37及文献中图65所示的毛管离层缺陷的形貌相似。

除了低塑性难变形的高温合金和耐热钢外，有文献报道的只有GCr15轴承钢毛管出现过离层缺陷，但是没有高温合金和耐热钢那样严重。GCr15轴承钢的离层缺陷，也发生在二辊斜轧穿孔的毛管上；没有出现过外离层，只出现过内离层，并且呈环状，所以这种内离层也叫环状层裂；裂纹距内表面1～2 mm，裂纹宽度3～5 mm；裂纹处金属组织正常，未见异常非金属夹杂物，无过烧现象；离层缺陷多出现在毛管的尾部，如果整根钢管都有离层缺陷，则尾部缺陷重于头部。

关于GCr15轴承钢毛管内离层缺陷形成的原因，文献是这样解释的：加热温度过高，使金属加工塑性降低；顶头对中心区金属的压应力部分或全部抵消了轧辊对中心区金属产生的拉应力，在顶头前没有形成孔腔而形成了环形破裂，在继续穿孔变形的过程中，环形破裂延伸，在毛管上形成了环状的内离层缺陷。

加热温度过高使金属加工塑性降低是对的，特别是穿孔变形集中在毛管的内表面，变形热使毛管内表面温度进一步升高，加工塑性进一步降低；离层缺陷尾部重于头部就是因为尾部的温度高于头部。顶头对中心区金属的压应力能减小轧辊对中心区金属产生的拉应力，也是可以理解的。但是，顶头前没有形成孔腔而形成了环形破裂，仅仅是表述了一个非常重要和典型的现象，仍需要试验验证。另外，这种解释还没有说明：为什么GCr15轴承钢只出现内离层缺陷而不出现外离层缺陷；为什么内离层缺陷只出现在厚壁管而不出现在薄壁管上。

笔者认为，GCr15轴承钢产生内离层缺陷有2个条件：一是内表面加热温度过高，二是厚壁管。GCr15轴承钢对加热温度比较敏感，只有在内表面加热温度过高的条件下，金属加工塑性才明显降低；只有在厚壁管的条件下，顶头对管体的辗轧变形才不深透，才在管壁靠近内表面形成一个变形层，在此变形层与中间层的过渡区才形成区域间剪切应力及拉应力，在区域间剪切应力和拉应力的作用下金属才开裂，形成内离层缺陷。这时，裂纹并不是从顶头鼻部前开始的。如果裂纹是从顶头鼻部前开始，则说明顶头前已形成孔腔；如果形成了孔腔，则管体就不是产生内离层而是在内表面产生内折与裂纹。内离层缺陷是从距顶头鼻部一定距离的位置开始的，因为顶头对中心区金属的压应力，能减小顶头鼻部附近产生内离层的剪切应力和拉应力。管体没有出现外离层缺陷，说明其外表面的实际温度并不过高，塑性降低程度有限。在穿制薄壁毛管的条件下，管壁上不存在由于变形不深透产生的区域间剪切应力和拉应力。如果管体内表面加热温度过高，管壁不是产生内离层缺陷而是在内表面出现严重的碎裂。根据以上分析，除了低塑性难变形钢和合金之外，对加热温度敏感的其他钢种，在穿制厚壁毛管时都有可能产生内离层缺陷。

GCr15轴承钢毛管内离层缺陷的影响因素及其消除措施是：①加热温度。管坯加热温度为1 250℃时，毛管都出现了内离层缺陷；使用预热温度偏高的钼基顶头穿孔，毛管都出现了内离层缺陷；有严重内离层缺陷的毛管，其内表面往往还出现内折和龟裂。降低加热温度，控制在1 130～1 150℃，提高了金属的加工塑性，内离层缺陷消除。②顶头前压下量。在保证正常咬入的情况下，减少顶头前压下量，防止顶头前金属出现破裂。③咬入角。增大咬入角，适当减小轧辊入口锥角度，增加顶头穿孔锥长度，改善变形的深透性和均匀性，有利于消除内离层缺陷。

2分层缺陷

在《标准手册》中，列入了钢坯、热轧型钢、中厚钢板、薄钢板、钢带、电焊钢管和炉焊钢管的分层缺陷，并作了说明。该《标准手册》指出，分层缺陷是钢锭和连铸坯中的残余缩孔和异常的非金属夹杂物、严重的疏松和偏析等冶炼过程中产生的缺陷，在轧制过程中被辗轧成片层状，把上下金属隔开成为两层或三层；在轧材剪切的断面上，或出现未焊合的孔隙，或有明显的结构差别，或由于刀具与金属的摩擦作用缺陷处被拉开出现分离，还有的在孔隙和分离处有目视可见的夹渣。

显然，分层缺陷是钢中的冶炼缺陷经过轧制变形后在钢材中的表现。如果钢中有上述缺陷，那么，用这种钢轧制的板材就有分层缺陷，用这种板材焊成的焊管就有分层缺陷；无缝钢管也可以认为是环形板材，用这种有缺陷的钢轧制的无缝钢管就有分层缺陷。过去人们比较关注热轧板材和焊管的分层缺陷，实际上无缝钢管也同样存在着分层缺陷。现在，热轧板材和无缝钢管都使用连铸坯生产。由于冶炼技术的发展，钢中S、P含量的严格控制以及生产管理的加强，连铸坯中的各种缺陷已经明显减少。目前引起无缝钢管分层缺陷的主要原因是钢中异常的非金属夹杂物，多发生在碳钢和低合金钢（特别是Cr-Mo钢）中。对这样的分层缺陷进行高倍观察，非金属夹杂物分布在壁厚中间和靠近内表面区域，与基体金属的边界未发生开裂，数量较多、宽度较宽、长度较长，有的形状也特殊，非金属夹杂物的组成是CaO、Al2O3、SiO2、MnS、MgO、ZrO2、Na2O和K2O。钢中正常的非金属夹杂物不引起分层缺陷。经过超声波探伤或用超声测厚仪测量厚度，并经金相鉴定，可以检验并确定钢中的分层缺。

为了使用安全，各种钢材的技术标准对分层缺陷都有明确的规定。

在板材的国家标准中，GB/T 710—2008《优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带》、GB/T 711—2008《优质碳素结构钢热轧厚钢板和钢带》、GB/T 912—2008《碳素结构钢和低合金钢热轧薄钢板和钢带》、GB/T 3274—2007《碳素结构钢和低合金钢热轧厚钢板和钢带》、GB/T 4238—2007《耐热钢板和钢带》、GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》等技术标准都规定：钢板和钢带“表面不应有裂纹、气泡、折叠、夹杂、结疤和氧化铁皮压入等对使用有害的缺陷。钢板和钢带不得有分层。”

在焊管的国家标准中，GB/T 3091—2008《低压流体输送用焊接钢管》标准规定：“钢管内外表面应光滑，不允许有折叠、裂纹、分层、搭焊、断弧、烧穿以及深度超过壁厚下偏差的缺陷存在。”

在无缝钢管的国家标准中，关于分层（或离层）缺陷规定的表述，大致分为3类：第一类，GB/T 5312—1999《船舶用碳钢和碳锰钢无缝钢管》标准对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、分层、结疤和轧折”；GB/T 15026—1994《一般用途高温合金管技术条件》对表面质量规定“内外表面不得有裂纹、折叠、龟裂、分层和结疤”。第二类，GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》、GB 6479—2000《高压化肥设备用无缝钢管》、GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》等标准，对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层”，对低倍组织规定“连铸坯或钢锭直接轧制钢管要求：无白点、夹杂、皮下气泡、翻皮和分层”。第三类，GB/T 8163—2008《输送流体用无缝钢管》标准对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层。”在美国石油学会（API）标准中，《缺欠术语》标在无缝钢管的国家标准中，关于分层（或离层）缺陷规定的表述，大致分为3类：第一类，GB/T 5312—1999《船舶用碳钢和碳锰钢无缝钢管》标准对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、分层、结疤和轧折”；GB/T 15026—1994《一般用途高温合金管技术条件》对表面质量规定“内外表面不得有裂纹、折叠、龟裂、分层和结疤”。第二类，GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》、GB 6479—2000《高压化肥设备用无缝钢管》、GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》等标准，对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层”，对低倍组织规定“连铸坯或钢锭直接轧制钢管要求：无白点、夹杂、皮下气泡、翻皮和分层”。第三类，GB/T 8163—2008《输送流体用无缝钢管》标准对表面质量规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层。”

在美国石油学会（API）标准中，《缺欠术语》标准（API Std 5T1，国内对应等效标准SY/T 6445—2000《石油管材常见缺欠和缺陷术语》）列入了钢管的分层缺陷而没有列入钢管的离层缺陷。该标准对钢管分层缺陷的定义是：“通常平行于金属表面的内部层状分离”，并给出了一个实物照片（图6）。在API Spec 5L—2007（44版）标准中，第9.10条“表面状态、瑕疵和缺陷”的第9.10.1.2点规定：“所有钢管应没有裂纹、烧蚀和漏隙”；第9.10.4点“分层”规定：“所有延伸至钢管表面或坡口处的外观测定横向尺寸超过6.4 mm（0.25 in）的分层或夹渣应判为缺陷。”

由上述API标准对分层缺陷的定义和实物照片可以认为，“通常平行于金属表面的内部层状分离”就是钢管壁厚上平行内外表面并具有一定宽度的裂纹，它与《标准手册》和文献中的离层缺陷是同一种缺陷。根据上述API标准对表面状态、瑕疵和缺陷的规定，可以理解为横向尺寸小于或等于6.4 mm的分层是允许存在的，而这个允许存在的分层不应该是“层状分离”，也不应该是裂纹（因为裂纹按该标准第9.10.1.2点规定是不允许的），而应该是异常的非金属夹杂物，也就是由异常的非金属夹杂物引起的分层。照此理解，API标准中所说的分层缺陷，又与《标准手册》和我国目前某些无缝钢管生产中出现的分层缺陷是同一种缺陷。综上分析，API标准中的分层缺陷，包含了《标准手册》和无缝钢管生产中的离层与分层这两种缺陷的概念；或者说，钢管中的两种缺陷———离层和分层，在API标准中使用了同一个名称———分层。

3讨论及建议

3.1讨论

由上可知，无缝钢管的离层缺陷是钢管壁厚上平行于内外表面，呈环形或弧形并具有一定宽度的裂纹，是毛管在穿孔过程中变形不深透（低塑性难变形钢和合金）或加热温度过高（轴承钢）造成的；而无缝钢管的分层缺陷主要是钢管壁厚中存在异常的非金属夹杂物，是冶炼、浇注过程中，钢渣、被浸蚀的耐火材料和保护渣落入钢中而没有被排除所致，多发生在碳钢和低合金钢（特别是Cr-Mo钢）中。无缝钢管的离层和分层缺陷是钢管生产中出现的两种现象，是具有不同特征、不同性质的两种缺陷。在汉语中可以认为离即是分、分即是离，分和离表达一个意思，但在钢管早期的标准和文献中离层和分层却代表两种缺陷。离层是离层，分层是分层。把离层和分层缺陷当作一种缺陷，“分层亦称离层”，是一种误解，与生产实际情况不符。在技术标准或有关研究文献中，不要把离层叫作分层或把分层叫作离层，也不要把离层和分层统称为分层，把分层称为夹层。

无缝钢管的离层缺陷有内离层和外离层两种。内离层不表现为内、外表面缺陷。外离层不表现为内表面缺陷，只是有时表现为外表面缺陷。在钢管切开的截面上目视可见内离层和外离层缺陷。无缝钢管的分层缺陷不表现为内表面缺陷，只是有时表现为外表面、坡口和端面上的缺陷。因此，在无缝钢管国家标准中规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层”或规定“钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、分层、结疤和轧折”，显然，这样关于钢管离层和分层缺陷规定的表述是不够准确、不够全面的。

有低倍组织检验要求的无缝钢管国家标准规定“钢管横截面酸浸试片上不应有目视可见的白点、夹杂、皮下气泡、翻皮和分层”。低倍组织检验的根据是GB/T 1979—2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》标准。但该评级图中没有“分层”这个缺陷名称。如果钢中有分层缺陷，在低倍组织上只能看到“非金属夹杂物（目视可见的）及夹渣”缺陷。如果钢中有分层缺陷，按GB/T 1814—1979《钢材断口检验方法》标准和GB/T 2971—1982《碳素钢和低合金钢断口检验方法》标准检验，在纵向宏观断口上表现为“层状断口”或“非金属夹杂物（目视可见的）及夹渣断口”。

在无缝钢管国家标准关于离层和分层缺陷规定的表述中，第一类只规定了不允许有分层缺陷。应该补充规定不允许有离层缺陷。因为离层缺陷实际上是大面积的裂纹，肯定是不允许存在的。第二类只规定了表面质量不允许有离层缺陷，没有规定不允许有分层缺陷；虽然用低倍检验的方法规定了不允许有分层缺陷，但是在低倍组织缺陷评级标准中并没有“分层”这个缺陷名称。第三类只规定了不允许有离层缺陷，没有规定不允许有分层缺陷，不知道当时是怎样考虑的。如果当时把离层和分层当成一种缺陷，就应该补充规定不允许有分层缺陷。如果当时本意就是允许有分层缺陷，这里有一个问题需要讨论，就是在这个国家标准中是允许还是不允许有分层缺陷。笔者认为，GB/T 8163—2008《输送流体用无缝钢管》标准应该规定不允许有分层缺陷；用户在钢管检验中发现有分层缺陷时都不予以接受。因为在同类的钢板、钢带和焊管国家标准中都规定了不允许有分层缺陷。目前，分层缺陷只在个别炉号部分坯料轧制的部分无缝钢管中出现，随着操作的熟练和生产管理的加强，炼钢厂完全可以解决这个问题。

3.2建议

（1）制定一个类似API Std 5T1《缺欠术语》标准那样的《无缝钢管缺陷标准》，统一对无缝钢管缺陷的认识和判定。

（2）现行的无缝钢管国家标准中规定“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤、轧折和离层”或“钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、分层、结疤和轧折”，建议改为“钢管的内外表面不允许有目视可见的裂纹、折叠、结疤和轧折，钢管不允许有离层和分层”或“钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、结疤和轧折，钢管不允许有离层和分层”（本文讨论只针对钢管的离层和分层缺陷，不涉及其他缺陷）。