摘要：连铸圆管坯心部存在的非金属夹杂物，在PQF机组热加工变形过程中，因与基体高温塑性不匹配，破坏了金属连续性，导致钢管产生离层缺陷。通过严格控制管坯夹杂物含量，并加强成品质量检测与反馈，可有效提升管坯洁净度与生产工艺稳定性，从而降低离层缺陷发生率，提高钢管质量及成材率。

　　关键词：PQF机组；非金属夹杂物；离层缺陷；钢洁净度

　　采用先进全自动化PQF热轧生产线生产的某批牌号为N80-1、规格Φ42.16mm×3.56mm油井用无缝钢管，按照标准API 5CT规定要求进行超声波L3级（样管刻伤深度0.35mm）探伤时，发现该批钢管存在大量内伤报警，不合格率高达24%，产品质量问题非常严重。针对内伤报警问题，随机切取2件内伤报警部位管段样品，结合生产工艺、缺陷宏观形貌特征和微观形貌特征，对缺陷形成原因进行分析并制定相应改进措施。

　　1钢管成形工艺流程

　　钢管成形工艺流程如下：连铸成型的实心圆管坯（直径150mm）经锯切为约1.8m的定尺坯后，送至环形加热炉。管坯在炉内依次经历预热段、加热段和均热段，总加热时间约为140min，出炉温度控制在1220℃左右。随后，管坯在菌式穿孔机中进行穿轧，形成温度约1220℃的毛管。毛管经快速移送装置运至PQF连轧机前，在穿入芯棒后进入PQF机组进行连续轧制（轧制入口温度约1000℃),轧制后得到的荒管温度约为950℃。荒管经由辊道输送至张力减径机，在进入定减径机前温度约900℃,经减径与定径后，成品管出口温度约为850℃。最终，成品管在冷床上空冷至室温。从管坯出炉至轧制成约60m长的空心钢管，全过程需约35s。

　　2钢管成分和性能

　　在缺陷样管上取化学成分分析样块，采用OBLF GS1000直度光谱仪对样块进行化学成分分析，结果如表1所示。表1检测结果显示，钢管化学成分符合标准API 5CT规定要求。用微控电子万能试验机CMT5605进行钢管拉伸性能试验，试验结果如表2所示。表2试验结果显示，钢管拉伸性能符合标准API5CT规定要求。

　　3钢管缺陷分析样品制备

　　以内伤报警对应的管段为中心，截取长度200mm的管段样品。在管段圆周方向上，选取与缺陷位置呈90°夹角的两处纵向剖分线，采用线切割沿剖分线将管段沿轴线方向一分为二。该处理方式具有双重作用：一是可直观观测缺陷的宏观分布、延伸方向及形貌特征；二是便于精确定位微观分析样品的取样位置及分析面。后续沿标记线及缺陷特征区域，采用线切割方法切取微观分析样品。

　　3.1缺陷宏观分析

　　1#样管在钢管定伤部位的内表面发现一小段长约10mm的轻微凸起的纵向线缺陷，呈纵向分布，与钢管纵向轴线成大约10°夹角，在缺陷中点取横截面试样，试样编号为1。

　　2#样管内表面存在与1#样管内表面相同的轻微凸起的纵向线缺陷，但该缺陷已经被截断，取其断面，试样编号为2。缺陷宏观形貌，如图1、图2所示。

　　3.2缺陷微观分析

　　试样分析面经机械拋光后，在奥林巴斯显微镜100X和500X下，分别对试样1、2进行观察分析。

　　试样1与试样2为同类型缺陷，该类缺陷发生在距离钢管内壁大约0.25mm处，该缺陷隔断了钢管基体的金属连续性，如图3、图4所示。图4显示在缺陷中间基体金属成区块分布，在缺陷边侧及基体金属成区块间发现存在类似非金属夹杂物的残留物。针对图4中的类似非金属夹杂物，通过扫描电镜+能谱分析进一步确定类似非金属夹杂物的残留物的特性，分析结果显示，缺陷的边侧及中间发现存在类似非金属夹杂物的存留物含铁（Fe）、铝（Al）、氧（O）、硫（S）、镁（Mg）、钙（Ca）、锰（Mn）、硅（Si）等元素，如图5~图8所示。

　　文献［1］表明，钢中存在的非金属夹杂物可能是铁及其他元素与氧、硫、氮等作用而形成的化合物，如FeO、MnO、Al2O3、SiO2等；也有可能是在炼钢和浇铸时钢水中混入了耐火材料碎片，成分主要是Si、Al、Fe、Ca、Mg等元素的氧化物。根据标准《钢中非金属夹杂物含量测定标准评级图显微检验法》GB/T 10561—2023所述，A类非金属夹杂物为FeSMnS、B类非金属夹杂物为氧化铝（Al2O3）、C类非金属夹杂物为硅酸盐、D类非金属夹杂物环形氧化物（如氧化钙CaOMgO），由此可以判定该残留物为非金属夹杂物。

　　试样1、试样2经4%硝酸酒精腐蚀后，在显微镜下观察发现，试样1和试样2缺陷凸起部分存在明显金属变形流线，在缺陷的边侧及中间无氧化脱碳现象，显微组织为正常组织铁素体+珠光体，晶粒度为8.5级，如图9所示。上述分析可以初步推断该类缺陷由原料钢坯心部存在严重非金属夹杂物引起的。

　　4分析和讨论

　　综合前述分析，试样1与试样2所呈现的缺陷属于同一类型，其根本原因为缺陷部位存在严重的非金属夹杂物。溯源分析表明，此类夹杂物来源于连铸管坯，钢中Fe、Mn、Al等元素与O、S、N等结合形成的化合物［2］，本质上已不具备金属特性。它们以机械镶嵌的方式存在于钢基体中，与基体之间无冶金结合。当此类非金属夹杂物数量增加、尺寸增大时，即成为诱发钢管缺陷（如管壁离层）的直接原因［3］。在后续的热加工变形中，这些硬脆夹杂物破坏了金属基体的连续性，并因其自身难以变形而导致周边金属的应变协调性丧失，最终在钢管近内壁处形成轻微凸起的离层缺陷，离层缺陷边缘会形成严重的应力集中，进一步加速材料的疲劳或脆性断裂进程。

　　针对此次在Φ42.16mm×3.56mm N80-1钢级热轧油井管中发现的离层缺陷，为从根源上进行防控，制定涵盖从原料到成品的系统性改进措施，具体如下：首先，强化炼钢与连铸过程洁净度控制。在炼钢全流程中，重点加强对转炉终点控制、出钢挡渣、炉渣改性、脱氧工艺、钢包精炼、保护浇铸、中间包钢水净化、非稳态浇铸时的防下渣卷渣、结晶器冶金及弧形连铸等关键环节的精细管控，以全面提升钢水洁净度。其次，加严成品夹杂物验收标准。修订技术协议，提高对采用连铸管坯直接轧制的成品钢管中非金属夹杂物含量的评定等级要求，从产品标准层面倒逼原料质量提升。再次，增加过程监控频次，加大对连铸坯直接轧制钢管批次的金相抽检频率，建立常态化的夹杂物数据监控体系，实现质量趋势的早期预警。最后，优化无损检测工艺。针对此类产品的工艺特点，在保证不产生过度误报的前提下，科学评估并适度提高超声波纵向自动检测的报警灵敏度，确保微小离层缺陷能被可靠检出。

　　5结语

　　随着工业冶炼和成形技术的不断发展，对于碳钢、中低合金钢的无缝钢管，采用连铸坯直接热轧成形的工艺方法已广泛推广。由于连铸坯状态下无法检测钢坯的非金属夹杂物，只能通过钢的冶炼和浇铸过程来控制钢坯的洁净度，后续再通过热轧态成品钢管上超声波无损检测和理化金相方法检测反馈产品质量情况。经过从钢的冶炼到成品钢管质量过程有效管控，改进措施到位，目前出现此类离层缺陷的情况极为罕见，收到显著效果。

参考文献

　　［1］郝清月.金属材料缺陷金相检测实例及缺陷金相图谱［M］.北京：中国科技出版社，2016.

　　［2］成海涛.无缝钢管缺陷与预防［M］.成都：四川科学技术出版社，2007.

　　［3］蔡开科.连铸坯质量控制［M］.北京：冶金工业出版社，2010.