關于無縫鋼管離層和分層缺陷的討論

對無縫鋼管的離層和分層缺陷在相關標準和文獻中的表述及使用問題進行了討論。分析認為，無縫鋼管中的離層和分層是兩種缺陷，而不是一種缺陷。建議在無縫鋼管有關國家標準中規定“鋼管不允許有離層和分層缺陷”；在YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》標準中補充規定“連鑄圓管坯軋制的鋼管不允許有冶煉因素引起的分層缺陷。分層缺陷可以用超聲波測厚儀測定。”

原冶金工業部情報標準研究所1972年編寫的《冶金產品標準工作手冊（鋼鐵部分）》（以下簡稱《標準手冊》），關于鋼材缺陷的名稱中，列入了離層和分層兩種缺陷。根據《標準手冊》對離層和分層缺陷的說明和無縫鋼管生產的實際情況，本文將對離層和分層缺陷的特征、影響因素、產生原因及消除措施進行總結，對離層和分層缺陷在技術標準和文獻中的表述及使用問題進行討論，并提出相應建議。

1離層缺陷

根據《標準手冊》對離層缺陷的說明和相關文獻的報道，離層缺陷只出現在兩類鋼的無縫鋼管中。一類是低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼，鋼號包括GH3039、GH2130、GH1131、GH2132、GH2135、GH1140、GH3128、GH4169、GH984，X17H13M2T、X23H18、X18H10T和Cr30Ni40-Mo3、Cr25Ni50Mo6、Cr20Ni50Mo9等；另一類是軸承鋼，鋼號是GCr15（щх15）。

對于低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼，離層缺陷發生在二輥斜軋穿孔的毛管上。在毛管的橫截面，離層缺陷是一種平行于內外表面的環形或弧形且有一定寬度的裂紋。呈環形開裂的離層，也被稱為環形破裂或環狀離層。離層缺陷有的靠近毛管外表面，叫外離層；有的靠近毛管內表面，叫內離層。外離層往往在毛管端部或表面上出現破裂，好像毛管被軋輥啃下一層皮，所以也叫“外剝皮”。外離層裂紋位于毛管的外表層細晶粒和中間層粗晶粒的過渡區域。內離層裂紋位于毛管內表層細晶粒和中間層粗晶粒的過渡區域。嚴重的離層缺陷把毛管壁厚明顯分成3層。其中，中間層的金屬往往被輾軋裂碎形成嚴重開裂，這時兩種離層重合，在壁厚中間形成一條有一定寬度的裂紋。所有離層裂紋的前端及兩側都未見異常非金屬夾雜物，組織狀態正常，無過燒現象。沿毛管的縱向，橫截面上的弧形裂紋位置隨金屬的扭轉變形而發生轉動。有的離層缺陷只出現在毛管的尾部；有的離層缺陷貫穿毛管全長，尾部的缺陷重于頭部。有離層缺陷的毛管從穿孔機出來，可以看到毛管上有一條旋轉的黑線。冷卻后，敲擊有離層缺陷的毛管，可以聽到嘶啞的響聲。有離層缺陷的毛管，如果不在穿孔后及時發現剔出而繼續軋制，則離層缺陷就會隱藏在軋制后的成品鋼管中。離層缺陷的面積較大，通過超聲波探傷或測厚就很容易發現。離層缺陷實際上是裂紋，有離層缺陷的毛管和成品鋼管，應判為廢品。

在二輥斜軋穿孔機上穿孔的毛管出現離層缺陷，這是低塑性難變形鋼和合金的一個特點。用這類低塑性難變形鋼和合金穿制的毛管，無論是用鼓形輥穿孔機，還是用錐形輥穿孔機，甚至用三輥斜軋穿孔機，均會出現離層缺陷。這類低塑性難變形鋼和合金，不排除毛管出現內折缺陷的可能，但是可以肯定，毛管的主要缺陷不是內折缺陷而是離層缺陷。而碳鋼和其他低合金鋼卻相反，毛管只是有時出現內折缺陷，基本不出現離層缺陷。這類低塑性難變形鋼和合金，通常毛管上出現離層缺陷就不會出現內折缺陷，或者出現內折缺陷就不會出現離層缺陷，兩種缺陷在毛管上的出現，具有相互矛盾、相互排斥的傾向。

低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼的離層缺陷不是由管坯中異常非金屬夾雜物引起的，而是由管坯在穿孔過程中變形不深透，表層金屬變形激烈造成的。根據對離層缺陷形成過程的觀察，其形成的機理如下：低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼塑性變形的一個特點是變形抗力大，變形不容易深透，穿孔過程中外表層和內表層的金屬比中間層金屬變形嚴重，特別是在軋輥轉數較高的情況下，毛管金屬“皮動肉不動”。在軋輥和頂頭的輾軋下，外表層和內表層變形大的金屬必然要向切向、縱向和橫向流動，并發生扭轉，外表層和內表層金屬趨向于周長長大和鼓脹，在外表層與中間層的過渡區以及在內表層與中間層的過渡區，產生區域間的剪切應力和拉應力。經過一定的輾軋過程或者表層金屬運動受阻而發生堆積、皺折時，金屬破裂，形成外離層和內離層。

低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼毛管離層缺陷的影響因素及其消除措施是：①金屬的熱加工塑性。熱加工塑性低的鋼種容易產生離層缺陷。為減輕和消除離層缺陷，要采取措施提高金屬的熱加工塑性，如采用電渣重熔雙聯冶煉工藝路線生產鋼錠，對鋼錠和管坯進行均勻化熱處理，添加鎂、稀土等微量元素進行微合金化處理，在保證力學性能滿足技術標準要求的前提下對Al、Ti等強化元素含量按中、下限控制。②穿孔機軋輥轉數。軋輥轉速越高，毛管離層缺陷越嚴重。降低軋輥轉數，可以消除毛管離層缺陷，效果顯著。在二輥斜軋鼓形輥穿孔機上穿出合格高溫合金毛管的主要工藝措施，就是降低軋輥轉速。③加熱溫度。加熱溫度超過合理范圍時，溫度越高，毛管離層缺陷越嚴重。加熱溫度范圍要選擇合理，在確定加熱溫度時，要考慮穿孔變形產生的溫度升高。即使加熱溫度合適，若軋輥轉數高，毛管仍然會出現離層缺陷。④咬入角和輾軋角。二輥斜軋鼓形輥穿孔機增大咬入角以及二輥斜軋錐形輥穿孔機增大咬入角和輾軋角，均有利于毛管變形深透，有利于減輕或消除離層缺陷。所謂“二輥斜軋錐形輥穿孔機適于低塑性難變形合金穿孔”的說法，實際就是指二輥斜軋錐形輥穿孔機在大咬入角和大輾軋角的條件下進行穿孔，可以減輕或消除某些低塑性難變形鋼和合金毛管的離層缺陷；如果同時降低軋輥轉速，則消除毛管離層缺陷的效果會更好。

圖1～5是高溫合金離層缺陷的外觀形貌以及縱、橫向低倍組織。其中，圖1是高溫合金毛管出現離層缺陷后用氧氣切開的形貌，該照片與《標準手冊》中圖3-10-37及文獻中圖65所示的毛管離層缺陷的形貌相似。

除了低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼外，有文獻報道的只有GCr15軸承鋼毛管出現過離層缺陷，但是沒有高溫合金和耐熱鋼那樣嚴重。GCr15軸承鋼的離層缺陷，也發生在二輥斜軋穿孔的毛管上；沒有出現過外離層，只出現過內離層，并且呈環狀，所以這種內離層也叫環狀層裂；裂紋距內表面1～2 mm，裂紋寬度3～5 mm；裂紋處金屬組織正常，未見異常非金屬夾雜物，無過燒現象；離層缺陷多出現在毛管的尾部，如果整根鋼管都有離層缺陷，則尾部缺陷重于頭部。

關于GCr15軸承鋼毛管內離層缺陷形成的原因，文獻是這樣解釋的：加熱溫度過高，使金屬加工塑性降低；頂頭對中心區金屬的壓應力部分或全部抵消了軋輥對中心區金屬產生的拉應力，在頂頭前沒有形成孔腔而形成了環形破裂，在繼續穿孔變形的過程中，環形破裂延伸，在毛管上形成了環狀的內離層缺陷。

加熱溫度過高使金屬加工塑性降低是對的，特別是穿孔變形集中在毛管的內表面，變形熱使毛管內表面溫度進一步升高，加工塑性進一步降低；離層缺陷尾部重于頭部就是因為尾部的溫度高于頭部。頂頭對中心區金屬的壓應力能減小軋輥對中心區金屬產生的拉應力，也是可以理解的。但是，頂頭前沒有形成孔腔而形成了環形破裂，僅僅是表述了一個非常重要和典型的現象，仍需要試驗驗證。另外，這種解釋還沒有說明：為什么GCr15軸承鋼只出現內離層缺陷而不出現外離層缺陷；為什么內離層缺陷只出現在厚壁管而不出現在薄壁管上。

筆者認為，GCr15軸承鋼產生內離層缺陷有2個條件：一是內表面加熱溫度過高，二是厚壁管。GCr15軸承鋼對加熱溫度比較敏感，只有在內表面加熱溫度過高的條件下，金屬加工塑性才明顯降低；只有在厚壁管的條件下，頂頭對管體的輾軋變形才不深透，才在管壁靠近內表面形成一個變形層，在此變形層與中間層的過渡區才形成區域間剪切應力及拉應力，在區域間剪切應力和拉應力的作用下金屬才開裂，形成內離層缺陷。這時，裂紋并不是從頂頭鼻部前開始的。如果裂紋是從頂頭鼻部前開始，則說明頂頭前已形成孔腔；如果形成了孔腔，則管體就不是產生內離層而是在內表面產生內折與裂紋。內離層缺陷是從距頂頭鼻部一定距離的位置開始的，因為頂頭對中心區金屬的壓應力，能減小頂頭鼻部附近產生內離層的剪切應力和拉應力。管體沒有出現外離層缺陷，說明其外表面的實際溫度并不過高，塑性降低程度有限。在穿制薄壁毛管的條件下，管壁上不存在由于變形不深透產生的區域間剪切應力和拉應力。如果管體內表面加熱溫度過高，管壁不是產生內離層缺陷而是在內表面出現嚴重的碎裂。根據以上分析，除了低塑性難變形鋼和合金之外，對加熱溫度敏感的其他鋼種，在穿制厚壁毛管時都有可能產生內離層缺陷。

GCr15軸承鋼毛管內離層缺陷的影響因素及其消除措施是：①加熱溫度。管坯加熱溫度為1 250℃時，毛管都出現了內離層缺陷；使用預熱溫度偏高的鉬基頂頭穿孔，毛管都出現了內離層缺陷；有嚴重內離層缺陷的毛管，其內表面往往還出現內折和龜裂。降低加熱溫度，控制在1 130～1 150℃，提高了金屬的加工塑性，內離層缺陷消除。②頂頭前壓下量。在保證正常咬入的情況下，減少頂頭前壓下量，防止頂頭前金屬出現破裂。③咬入角。增大咬入角，適當減小軋輥入口錐角度，增加頂頭穿孔錐長度，改善變形的深透性和均勻性，有利于消除內離層缺陷。

2分層缺陷

在《標準手冊》中，列入了鋼坯、熱軋型鋼、中厚鋼板、薄鋼板、鋼帶、電焊鋼管和爐焊鋼管的分層缺陷，并作了說明。該《標準手冊》指出，分層缺陷是鋼錠和連鑄坯中的殘余縮孔和異常的非金屬夾雜物、嚴重的疏松和偏析等冶煉過程中產生的缺陷，在軋制過程中被輾軋成片層狀，把上下金屬隔開成為兩層或三層；在軋材剪切的斷面上，或出現未焊合的孔隙，或有明顯的結構差別，或由于刀具與金屬的摩擦作用缺陷處被拉開出現分離，還有的在孔隙和分離處有目視可見的夾渣。

顯然，分層缺陷是鋼中的冶煉缺陷經過軋制變形后在鋼材中的表現。如果鋼中有上述缺陷，那么，用這種鋼軋制的板材就有分層缺陷，用這種板材焊成的焊管就有分層缺陷；無縫鋼管也可以認為是環形板材，用這種有缺陷的鋼軋制的無縫鋼管就有分層缺陷。過去人們比較關注熱軋板材和焊管的分層缺陷，實際上無縫鋼管也同樣存在著分層缺陷?，F在，熱軋板材和無縫鋼管都使用連鑄坯生產。由于冶煉技術的發展，鋼中S、P含量的嚴格控制以及生產管理的加強，連鑄坯中的各種缺陷已經明顯減少。目前引起無縫鋼管分層缺陷的主要原因是鋼中異常的非金屬夾雜物，多發生在碳鋼和低合金鋼（特別是Cr-Mo鋼）中。對這樣的分層缺陷進行高倍觀察，非金屬夾雜物分布在壁厚中間和靠近內表面區域，與基體金屬的邊界未發生開裂，數量較多、寬度較寬、長度較長，有的形狀也特殊，非金屬夾雜物的組成是CaO、Al2O3、SiO2、MnS、MgO、ZrO2、Na2O和K2O。鋼中正常的非金屬夾雜物不引起分層缺陷。經過超聲波探傷或用超聲測厚儀測量厚度，并經金相鑒定，可以檢驗并確定鋼中的分層缺。

為了使用安全，各種鋼材的技術標準對分層缺陷都有明確的規定。

在板材的國家標準中，GB/T 710—2008《優質碳素結構鋼熱軋薄鋼板和鋼帶》、GB/T 711—2008《優質碳素結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》、GB/T 912—2008《碳素結構鋼和低合金鋼熱軋薄鋼板和鋼帶》、GB/T 3274—2007《碳素結構鋼和低合金鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》、GB/T 4238—2007《耐熱鋼板和鋼帶》、GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》等技術標準都規定：鋼板和鋼帶“表面不應有裂紋、氣泡、折疊、夾雜、結疤和氧化鐵皮壓入等對使用有害的缺陷。鋼板和鋼帶不得有分層。”

在焊管的國家標準中，GB/T 3091—2008《低壓流體輸送用焊接鋼管》標準規定：“鋼管內外表面應光滑，不允許有折疊、裂紋、分層、搭焊、斷弧、燒穿以及深度超過壁厚下偏差的缺陷存在。”

在無縫鋼管的國家標準中，關于分層（或離層）缺陷規定的表述，大致分為3類：第一類，GB/T 5312—1999《船舶用碳鋼和碳錳鋼無縫鋼管》標準對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有裂紋、折疊、分層、結疤和軋折”；GB/T 15026—1994《一般用途高溫合金管技術條件》對表面質量規定“內外表面不得有裂紋、折疊、龜裂、分層和結疤”。第二類，GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 6479—2000《高壓化肥設備用無縫鋼管》、GB 9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》等標準，對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層”，對低倍組織規定“連鑄坯或鋼錠直接軋制鋼管要求：無白點、夾雜、皮下氣泡、翻皮和分層”。第三類，GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標準對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層。”在美國石油學會（API）標準中，《缺欠術語》標在無縫鋼管的國家標準中，關于分層（或離層）缺陷規定的表述，大致分為3類：第一類，GB/T 5312—1999《船舶用碳鋼和碳錳鋼無縫鋼管》標準對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有裂紋、折疊、分層、結疤和軋折”；GB/T 15026—1994《一般用途高溫合金管技術條件》對表面質量規定“內外表面不得有裂紋、折疊、龜裂、分層和結疤”。第二類，GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB 6479—2000《高壓化肥設備用無縫鋼管》、GB 9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》等標準，對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層”，對低倍組織規定“連鑄坯或鋼錠直接軋制鋼管要求：無白點、夾雜、皮下氣泡、翻皮和分層”。第三類，GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標準對表面質量規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層。”

在美國石油學會（API）標準中，《缺欠術語》標準（API Std 5T1，國內對應等效標準SY/T 6445—2000《石油管材常見缺欠和缺陷術語》）列入了鋼管的分層缺陷而沒有列入鋼管的離層缺陷。該標準對鋼管分層缺陷的定義是：“通常平行于金屬表面的內部層狀分離”，并給出了一個實物照片（圖6）。在API Spec 5L—2007（44版）標準中，第9.10條“表面狀態、瑕疵和缺陷”的第9.10.1.2點規定：“所有鋼管應沒有裂紋、燒蝕和漏隙”；第9.10.4點“分層”規定：“所有延伸至鋼管表面或坡口處的外觀測定橫向尺寸超過6.4 mm（0.25 in）的分層或夾渣應判為缺陷。”

由上述API標準對分層缺陷的定義和實物照片可以認為，“通常平行于金屬表面的內部層狀分離”就是鋼管壁厚上平行內外表面并具有一定寬度的裂紋，它與《標準手冊》和文獻中的離層缺陷是同一種缺陷。根據上述API標準對表面狀態、瑕疵和缺陷的規定，可以理解為橫向尺寸小于或等于6.4 mm的分層是允許存在的，而這個允許存在的分層不應該是“層狀分離”，也不應該是裂紋（因為裂紋按該標準第9.10.1.2點規定是不允許的），而應該是異常的非金屬夾雜物，也就是由異常的非金屬夾雜物引起的分層。照此理解，API標準中所說的分層缺陷，又與《標準手冊》和我國目前某些無縫鋼管生產中出現的分層缺陷是同一種缺陷。綜上分析，API標準中的分層缺陷，包含了《標準手冊》和無縫鋼管生產中的離層與分層這兩種缺陷的概念；或者說，鋼管中的兩種缺陷———離層和分層，在API標準中使用了同一個名稱———分層。

3討論及建議

3.1討論

由上可知，無縫鋼管的離層缺陷是鋼管壁厚上平行于內外表面，呈環形或弧形并具有一定寬度的裂紋，是毛管在穿孔過程中變形不深透（低塑性難變形鋼和合金）或加熱溫度過高（軸承鋼）造成的；而無縫鋼管的分層缺陷主要是鋼管壁厚中存在異常的非金屬夾雜物，是冶煉、澆注過程中，鋼渣、被浸蝕的耐火材料和保護渣落入鋼中而沒有被排除所致，多發生在碳鋼和低合金鋼（特別是Cr-Mo鋼）中。無縫鋼管的離層和分層缺陷是鋼管生產中出現的兩種現象，是具有不同特征、不同性質的兩種缺陷。在漢語中可以認為離即是分、分即是離，分和離表達一個意思，但在鋼管早期的標準和文獻中離層和分層卻代表兩種缺陷。離層是離層，分層是分層。把離層和分層缺陷當作一種缺陷，“分層亦稱離層”，是一種誤解，與生產實際情況不符。在技術標準或有關研究文獻中，不要把離層叫作分層或把分層叫作離層，也不要把離層和分層統稱為分層，把分層稱為夾層。

無縫鋼管的離層缺陷有內離層和外離層兩種。內離層不表現為內、外表面缺陷。外離層不表現為內表面缺陷，只是有時表現為外表面缺陷。在鋼管切開的截面上目視可見內離層和外離層缺陷。無縫鋼管的分層缺陷不表現為內表面缺陷，只是有時表現為外表面、坡口和端面上的缺陷。因此，在無縫鋼管國家標準中規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層”或規定“鋼管的內外表面不允許有裂紋、折疊、分層、結疤和軋折”，顯然，這樣關于鋼管離層和分層缺陷規定的表述是不夠準確、不夠全面的。

有低倍組織檢驗要求的無縫鋼管國家標準規定“鋼管橫截面酸浸試片上不應有目視可見的白點、夾雜、皮下氣泡、翻皮和分層”。低倍組織檢驗的根據是GB/T 1979—2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》標準。但該評級圖中沒有“分層”這個缺陷名稱。如果鋼中有分層缺陷，在低倍組織上只能看到“非金屬夾雜物（目視可見的）及夾渣”缺陷。如果鋼中有分層缺陷，按GB/T 1814—1979《鋼材斷口檢驗方法》標準和GB/T 2971—1982《碳素鋼和低合金鋼斷口檢驗方法》標準檢驗，在縱向宏觀斷口上表現為“層狀斷口”或“非金屬夾雜物（目視可見的）及夾渣斷口”。

在無縫鋼管國家標準關于離層和分層缺陷規定的表述中，第一類只規定了不允許有分層缺陷。應該補充規定不允許有離層缺陷。因為離層缺陷實際上是大面積的裂紋，肯定是不允許存在的。第二類只規定了表面質量不允許有離層缺陷，沒有規定不允許有分層缺陷；雖然用低倍檢驗的方法規定了不允許有分層缺陷，但是在低倍組織缺陷評級標準中并沒有“分層”這個缺陷名稱。第三類只規定了不允許有離層缺陷，沒有規定不允許有分層缺陷，不知道當時是怎樣考慮的。如果當時把離層和分層當成一種缺陷，就應該補充規定不允許有分層缺陷。如果當時本意就是允許有分層缺陷，這里有一個問題需要討論，就是在這個國家標準中是允許還是不允許有分層缺陷。筆者認為，GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標準應該規定不允許有分層缺陷；用戶在鋼管檢驗中發現有分層缺陷時都不予以接受。因為在同類的鋼板、鋼帶和焊管國家標準中都規定了不允許有分層缺陷。目前，分層缺陷只在個別爐號部分坯料軋制的部分無縫鋼管中出現，隨著操作的熟練和生產管理的加強，煉鋼廠完全可以解決這個問題。

3.2建議

（1）制定一個類似API Std 5T1《缺欠術語》標準那樣的《無縫鋼管缺陷標準》，統一對無縫鋼管缺陷的認識和判定。

（2）現行的無縫鋼管國家標準中規定“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤、軋折和離層”或“鋼管的內外表面不允許有裂紋、折疊、分層、結疤和軋折”，建議改為“鋼管的內外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結疤和軋折，鋼管不允許有離層和分層”或“鋼管的內外表面不允許有裂紋、折疊、結疤和軋折，鋼管不允許有離層和分層”（本文討論只針對鋼管的離層和分層缺陷，不涉及其他缺陷）。

（3）在YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》標準中，建議補充規定“連鑄圓管坯軋制的鋼管不允許有冶煉因素引起的分層缺陷。分層缺陷可以用超聲波測厚儀測定”。

4結論

（1）無縫鋼管中的離層和分層是兩種缺陷。離層缺陷是平行于鋼管內外表面，呈環形或弧形并具有一定寬度的裂紋，發生在低塑性難變形的高溫合金和耐熱鋼以及軸承鋼的毛管中。分層缺陷主要是鋼中異常的非金屬夾雜物，多發生在碳鋼和低合金鋼（特別是Cr-Mo鋼）中。

（2）建議在無縫鋼管有關國家標準中規定“鋼管不允許有離層和分層缺陷”，在YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》標準中補充規定“連鑄圓管坯軋制的鋼管不允許有冶煉因素引起的分層缺陷。分層缺陷可以用超聲波測厚儀測定”。