无缝钢管内表面缺陷机理与控制策略研究

内表面缺陷是无缝钢管生产的核心质量问题，直接影响产品合格率与服役性能。本文以2Cr13高合金钢为例，结合有限元模拟与生产验证，解析内折叠缺陷机理，并扩展讨论内裂纹、内直道、内螺旋等缺陷的成因及控制策略。

​一、内折叠缺陷（Internal Lap）的形成机理与消除措施​

​形成机理​

1. ​应力集中导致中心撕裂​

   • 斜轧穿孔过程中，在距管坯前端约80mm处（变形剧烈区），​三向拉应力同时达到峰值​（横向87.30MPa、径向12.39MPa、轴向53.38MPa），超出材料断裂极限。
   • 金属中心层发生韧性断裂（内撕裂），后续轧制中撕裂部位被压入管体，形成折叠状缺陷（图1）。
     图1：内折叠形成过程示意
     管坯中心撕裂 → 金属流变折叠 → 压合后残留分层

2. ​关键诱发因素​

   • ​顶前压下率超标​：原工艺6.39%＞临界值6.0~6.5%，加剧中心应力；
   • ​摩擦不足​：轧辊入口锥摩擦因数低，削弱二次咬入稳定性，增加撕裂风险；
   • ​温度失控​：管坯心部温度≤1000℃时塑性骤降（2Cr13钢高温塑性窗口窄）。

​消除措施​

1. ​工艺参数优化（基于有限元模拟验证）​​

   参数	原工艺值	优化值	作用效果
   顶前压下率(εdq)	6.39%	​5.75%​​	避开临界断裂区
   轧辊辊距(BCK)	-	133.6 mm	降低横向应力集中
   顶头前伸量(b)	-	89 mm	改善金属轴向流动
   导板距(LCK)	-	145 mm	减少不均匀变形

2. ​摩擦增强技术​

   • 轧辊入口锥表面刻槽或滚花，提升摩擦因数15~20%，促进二次咬入并降低内折叠率。

3. ​温度精准控制​

   • 管坯加热温度：1150±20℃（确保心部温度＞1050℃）
   • 开穿温度：≥1100℃，避免低温塑性低谷。

​二、其他常见内孔缺陷及防治措施​

​1. 内裂纹（Internal Cracks）​​

• ​成因​：
  • 钢中硫、磷偏析形成低熔点共晶物（如FeS），热轧时沿晶界开裂；
  • 穿孔温降过快或变形速率过高，超出材料热塑性承受范围。
• ​消除措施​：
  • 精炼控制[S]≤0.010%、[P]≤0.015%；
  • 采用阶梯式升温加热制度，避免热震；
  • 优化轧辊转速（如2Cr13钢限速0.8~1.2m/s）。

​2. 内直道（Longitudinal Scratches）​​

• ​成因​：
  • 顶头/导板表面损伤或粘结氧化铁皮；
  • 润滑不良导致金属与工具直接摩擦。
• ​消除措施​：
  • 顶头喷涂高温陶瓷涂层（如Cr₂O₃），硬度≥HRC 65；
  • 采用石墨+硼砂复合润滑剂，摩擦系数≤0.15；
  • 每轧制200支后强制更换导板。

​3. 内螺旋（Helical Marks）​​

• ​成因​：
  • 导板距与轧辊距匹配失调，导致金属周向流动不均；
  • 送进角过大（＞12°）引发螺旋状应变。
• ​消除措施​：
  • 动态控制椭圆度系数（1.04~1.08）；
  • 送进角优化为8~10°（高合金钢取下限）。

​三、缺陷控制的系统化策略​

1. ​原料控制​
   • 连铸坯需电磁搅拌+轻压下，中心偏析≤B1级（GB/T 226）；
2. ​在线监测​
   • 部署红外热像仪监控穿孔温场（温差＞50℃时报警）；
3. ​数字孪生应用​
   • 建立工艺参数数据库，通过Simufact模拟预判缺陷敏感区。

​结论​

内折叠的本质是三向拉应力叠加引发的中心韧性断裂，通过精准控制顶前压下率（5.75%）、增强摩擦与温度优化可有效抑制。其他内孔缺陷需针对性解决：

• ​内裂纹→ 成分纯净度+热塑性保护；
• ​内直道→ 工具表面工程+高效润滑；
• ​内螺旋→ 变形系统动力学匹配。
  ​未来方向​：融合微观组织仿真（如CA法）与实时力能参数反馈，实现缺陷的零阈值控制。

​参考文献

• ​[1] 常州仁成金属. 2Cr13无缝管内折叠机理研究[J]. 钢材知识, 2024.
• [2] ASM Handbook Vol.14A: 热加工工艺缺陷分析[S]. 2020.
• [3] 王先进. 无缝钢管塑性成形理论[M]. 冶金工业出版社, 2018.
• [4] 无缝管内折叠的形成机理和消除措施。
• [5]《无缝钢管典型缺陷分析研究》.

注：文中工艺参数适用于2Cr13等高合金钢，普碳钢需根据塑性曲线调整临界值。实际应用需结合产线设备特性验证。原文出处：https://emlog.josen.net/post-1911.html