激光强化顶头对无缝气瓶钢管内表面质量的影响

庞德禹

（扬州诚德钢管有限公司，江苏 扬州 225000）

无缝钢管在穿孔或轧制过程中，因为各种原因所致钢管表面缺陷多达十几种，这些缺陷主要包括：钢管的表面裂纹、发纹、内折、外折、轧破、内直道、外直道、离层、凹坑、麻坑（麻面）、擦伤（划伤）、内螺旋道、外螺旋道、青线等。严重的缺陷导致钢管报废，危险性缺陷则需要打磨钢管内壁才能达到管件质量要求，因此钢管厂都十分重视钢管缺陷产生原因分析及解决方案开发。

如攀钢的连轧管机组在生产Φ325 mm×7 mm的34CrMo4气瓶管时，生产的1 091支钢管（1 000多t）其中274支钢管尾端1.5～2.0 m处存在“鼓泡”和轧破现象，致使产品成材率不足75%，通过系统分析缺陷原因及解决方案改进获得良好的改善效果[1]。普通碳钢Q345B无缝钢管属低合金高强度结构用钢，过去的一种叫法为16Mn无缝钢管，交货前要求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[2]。某厂生产的Q354B无缝钢管经Φ430 mm圆坯穿孔热轧成Φ402 mm×16 mm规格，管外壁出现大量结疤缺陷，严重影响产品质量[3]。P92材质高压无缝钢管经钢锭穿孔热挤压成型，用制管的钢锭芯部可能存在疏松，经垂直穿孔挤压成型时，中心疏松区粘附在管子的端部（后挤压成型的一端）在钢管内壁经过磨削或机加工达到尺寸要求后仍不能彻底清除上述缺陷[4]。09CrCuSb是典型的耐硫酸低温露点腐蚀用钢。其因优异的耐腐蚀性能以及良好的强度、塑性等力学性能，广泛用于高含硫烟气环境中的省煤器、空气预热器、热交换器和蒸发器等装置设备，主要用于抵御含硫烟气结露点腐蚀。因材料含有Cr、Cu等合金元素，在热轧生产过程中极易产生内折缺陷[5]。

无缝钢管在生产中常出现质量问题，使得成本增加，成材率降低，造成了极大损失。本文主要针对气瓶钢管生产中的内壁表面质量缺陷进行分析，找到了缺陷产生的原因，同时对比分析公司合作开发的激光强化顶头对气瓶钢管内壁质量的影响，分享气瓶钢管生产过程的质量及成本控制经验。

1 无缝钢管的常见内壁表面缺陷分析

1.1 宏观形貌缺陷分析

气瓶钢无缝管在生产过程中可能出现很多种类型的缺陷，其中穿孔、轧制工序的缺陷对整个生产具有基础性的影响，根据统计分析总结穿轧工序遇到的主要缺陷及其产生原因。

1.1.1 内壁凹坑、麻点、螺旋道缺陷

内壁凹坑、麻点、螺旋道缺陷主要表现为毛管内壁不光滑平整，存在着粗糙的、有凹坑麻面的内壁缺陷。产生原因主要一是穿孔后内壁被氧化，轧管时氧化皮脱落二次压入钢管内壁；二是穿孔、轧管使用成本较低的35CrMo或H13顶头，顶头表面磨损变形、掉肉、粘钢等导致穿轧后毛管的内壁缺陷。此种类型缺陷不能满足气瓶管的使用要求。

通常解决热轧内壁凹坑、麻点、螺旋道缺陷的方案为：通过冷轧增加减壁量的方式，由于增壁现象的存在，消除内壁凹点状缺陷的效果不如冷拔减壁的方式。冷轧前的坯管酸洗一定要冲洗干净，遗留的氧化铁皮也是内壁麻点缺陷的主要原因之一；冷轧过程要有合适的减壁量，采取増壁轧制，内壁的粗糙度将有可能达不到要求。对钢管内壁凹坑、麻点、螺旋道缺陷，通过冷拔方式减壁后，可以很大程度上消除精密管内壁麻点状缺陷。由于考虑冷拔的生产效率和生产成本，原先采用了较小的减壁量（2 mm），基本能达到原有的要求。如果毛管内壁有较大的凹坑、麻点、螺旋道缺陷，则冷拔工艺不能完全消除缺陷。

对于凹坑、麻点不严重的情况，也可以采用管件内壁打磨的方式消除缺陷。

1.1.2 导板印缺陷

因导板质量问题或安装偏差、导板座松动，或钢温过高，易造成导板黏钢而产生对毛管外表面的刮伤，形成螺旋状的导板印。轻微的导板印不影响后续无缝管、气瓶管的质量（有磨削工序），但严重（有一定深度）的导板印会使冷轧或冷拔后形成类似外折的裂纹缺陷，磨削量过大而造成成品尺寸超下公差导致报废。导板印缺陷的特征是从头到尾间断或连续的、有规则的螺旋形划伤。

1.1.3 钢管内壁划伤、内折缺陷

顶头表面质量导致的钢管内壁划伤、内折等。将实心管坯穿孔成空心的毛管，其主要变形集中在顶头上进行。因此顶头处在高温度、高压力的工作环境下，很容易发生磨损或鼻部被压堆，有时甚至融化。在穿孔过程中，顶头鼻部塌陷或黏钢后会划伤毛管的内表面，严重时会造成毛管内折。此内折一般是从头到尾连续规律的螺旋状。主要是因为顶头磨损之后，顶头工作面的摩擦系数会增大，所以会对管坯内表面金属的流动带来不利的影响，不利于抑制管坯孔腔的形成，从而造成毛管内折的产生。特别是当顶头局部发生融化，与毛管内壁黏合在一起时，这种影响会更加严重，有时甚至会发生毛管轧卡事故。

经典热轧毛管内壁划伤案例：穿孔顶头采用表面氧化的H13顶头，当顶头穿管支数大于100支后，毛管内壁存在较多划痕和麻坑，划伤导致的麻面等，如图1。

图1 管坯内壁的划伤及麻坑照片

分析认为，H13热作模具钢顶头在使用过程中出现塌鼻、黏钢、大开裂、融化等问题（如图2所示），都会直接导致划伤毛管内壁。毛管内壁的划伤不仅会增加后续加工的工作量，严重者还会导致钢管报废，进而直接影响钢管生产的成本、成材率以及市场交付，最终可能会丢失市场。

图2 H13顶头使用过程中出现的问题

根据统计穿气瓶钢时，当H13顶头使用寿命达到100支以上，管件内壁划伤程度会越来越严重，如果不更换新的顶头，毛管需要打磨才能满足后道工序生产要求，增加打磨工序及成本，缺陷严重者则会导致钢管报废；如果更换新的顶头，一是增加顶头的消耗成本，二是影响生产节奏，增加生产成本。

1.2 激光熔敷表面强化顶头对钢管内壁表面质量的影响

钢管内壁质量控制受到钢管厂的高度重视，近年来的穿管质量控制技术获得有效的改进，采用无缝钢管生产过程质量预报及关键参数优化控制可以在线控制管件轧制参数[6]，获得良好的管件生产质量。钢管内壁质量受到顶头质量的影响较大，各研究单位对顶头的形状、材质及热处理质量研究进行了大量的改进，其中对顶头表面进行氧化处理，获得致密的氧化膜，提高顶头的表面性能，从而改善穿管坯件的质量[7]；通过改变顶头材质方法[8-9]；有些厂家用化学涂层或金属喷涂的方法来增大顶头表面的耐磨性等。

然而，市场上顶头材质大多为3Cr2W8V、20Cr2Ni4、H13等，有时也用复合顶头或钼基顶头。其性能远达不到要求，因此毛管内壁缺陷还需要通过后续工序，如打磨、冷轧或冷拔等工序来解决，增加生产成本，降低生产效率。特别是气瓶钢管件，如果顶头的质量达到一定的优势，可以避免采用后续工序来改善管件质量，将大大提高企业的生产效率及降低生产成本。

在此背景下，扬州诚德钢管有限公司为了解决H13顶头的寿命及管件内壁缺陷问题，与顶头供应商及科研研究所进行合作开发，获得激光表面强化穿孔顶头，该顶头采用激光熔敷在H13顶头表面制备强化层。表面光滑且与基材牢固冶金结合的覆层（如下页图3所示），大大提高了顶头的耐磨、耐冲击、耐高温腐蚀等性能。在使用过程中，气瓶钢穿管200支以上，顶头未出现严重塌鼻、粘钢、大开裂、磨损、融化等现象。激光强化顶头的失效形式为冷热交替至龟裂加剧，穿制气瓶钢管的使用寿命大约为400支。

图3 激光强化顶头及穿管100支后表面状况

激光强化顶头在穿制气瓶钢管达到100支时，管件内壁基本保持较好的状态，管件内壁划伤较少，只粘了少量的氧化皮（见图4所示）。激光强化顶头的使用直接提高顶头使用寿命，提高管件穿制效率及连续性；间接提升毛管内壁质量，减少后续的打磨加工量，具有很高的综合效益，能够实现综合降本的目的。

图4 激光强化顶头穿制100支气瓶钢管后的毛管内壁形貌

2 结论

通过毛管内壁表面质量观察分析认为，气瓶钢毛管内表面质量缺陷主要是由于顶头导致，顶头塌鼻、黏钢、大开裂、融化等都会划伤毛管内壁。解决方案：

1）及时更换新顶头，但会增加顶头的费用支出，影响生产的连贯性，降低生产效率。

2）采用激光融敷表面强化顶头，顶头表面具有强化层，在使用过程中不会产生塌鼻、黏钢、融化等严重变形，从而获得良好的毛管内壁质量，目前激光融敷强化顶头穿制气瓶钢管寿命可达400支左右，具有较好综合效益及管件质量。