高合金钢管穿孔顶头的失效分析

1概述穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一．由于穿孔顶头的工作条件恶劣，顶头是在高温、高压和急冷急热的条件下工作，经受着机械疲劳和热疲劳的作用，故顶头常以塌鼻、粘钢、开裂等失效形式报废。

在GCr15钢无逢管穿管中，顶头的平均穿钢管寿命在～50根。

由于现用顶头材料的热强性能、热处理质量等原因所限，使得它的使用寿命不高，由此影响钢管生产效率和质量。

顶头是热轧无缝钢管生产主要模具，也是主要易损件。

穿管过程中，经加热温度约1060℃的高温下进入钢棒穿孔，每根管子的平均轧制时间约15s，顶头表面温度可能上升至1300 ～1600℃。

顶头推出后被喷淋水冷却到400℃以下，准备进入下一根管子的穿孔。

顶头不仅承受强烈的摩擦和挤压作用，而且还周而复始的承受着激热激冷作用，工况条件极其恶劣。

现在多数厂家使用H13钢、球墨铸铁材料制作的顶头，其主要失效形式是因热强性不足，而不能满足生产要求。

对GCr15钢一类高强度材料的无缝钢管的穿管顶头的寿命问题更为突出，仅在冶炼材料中添加铝元素来提高顶头的高温抗氧化性的技术途径方面见研究报道，对现有H13钢的合金成分的改进需要投入大量资金，有大量的研究和工程化难题需要解决。

因此开发新的顶头材料技术，研究优化现有顶头材料的热强性，低成本提高使用寿命的技术途径是投入资金少、研发周期短、经济效益突出的有效方法。

2国内外研究现状2.1 国内情况目前，国内生产普通碳素钢管应用较多的顶头材料为3Cr2W8V和20Cr2Ni4W钢。

在使用前，顶头进行挂高温氧化铁膜处理。

这类顶头在使用中常因出现塌鼻、粘钢和开裂等缺陷而报废。

生产不锈钢管常用钼基合金顶头，但其高温氧化严重，需要不断地进行高温润滑，生产效率低，而且钼材价格一再提高，造成顶头昂贵。

金州得胜钢管厂采用了一种新型复合顶头，即以3Cr2W8V钢为主体，制成空心顶头，然后在顶头鼻部堆焊钴基耐热合金，构成新型复合顶头。

钴基耐热合金的高温强度高，热疲劳性能好，满足了提高顶头高温性能的需要。

无缝钢管的表面缺陷汇集一、热轧无缝钢管1、裂缝（又称裂纹）：特征：钢管的内外表面呈直线或螺旋形的开裂，有的呈网状的且裂纹的两端和底部都是尖角状的。

产生原因：1)钢质不良，有皮下气孔和皮下夹杂。

2)管坯加热不当。

3)变形压力过大。

2、发纹：特征：在钢管的外表面上呈连续或不连续的发状细纹，多为螺旋形，螺旋方向与穿孔机旋转方向相反，螺距较大，也有的近似于直线形。

产生原因：1)钢质不良，有皮下气孔和皮下夹杂。

2)管坯表面清理不彻底。

3、内折（俗称内且）特征：在钢管的内表面上呈直线或螺旋形的锯齿状缺陷。

对于高合金钢管，这种缺陷呈不规则的块状，分布在进口处。

如果由于定心产生的内折，一般为半圈到一圈，且在头部。

产生原因：1)顶头前压下量过大。

2)顶头磨损严重。

3)在穿孔过程中，坯料中心部分的金属承受强烈的交变应力作用，因而在碾轧时荒管内壁易出现内折。

4)高合金钢管进口处的内折则由于穿孔时轧辊受力不均所致。

4、外折迭特征：钢管的外表面上呈螺旋形的折迭，其螺旋的方向与荒管在穿孔机上的螺旋方向相反，且螺距较大。

产生原因：1)管坯表面上残存着裂纹或者耳子等缺陷。

2)钢质不良，有夹杂物或者严重的疏松。

5、轧制折迭：特征：钢管的外表面上呈规律性的折迭缺陷。

产生原因：主要是由于穿孔机轧辊或轧管机轧辊的损伤造成的。

6、扎折：特征：轧制中，金属进入轧辊的间隙或管子失去稳定性，使之形成曲折，经定径后在钢管的表面上呈局部的凸起、凹入的皱折。

产身原因：1)均整机出口管径大于定、减径机孔型。

2)调整不正确，轧辊错位，中心线不一致等。

3)定径机架次安装颠倒。

7、直道内折：特征：钢管的内表面呈对称或单条的直线形折迭，分布在钢管的全长或局部。

产生原因：1)顶头磨损严重或粘上金属。

2)毛管的外径大于轧槽孔型宽度，内径过于大或管壁太薄。

3)穿孔机、轧管机的压下量分布不合理。

4)轧制的第二道前，90°之翻转未翻好。

8、直道：特征：钢管的内外表面呈具有一定宽度和深度的直线形划痕，分布在钢管的全长或局部。

无缝钢管穿孔顶头的研究进展郑成明;袁荷平;田青超【摘要】总结无缝钢管穿孔顶头材质和表面处理工艺的研究现状,分析不同材质顶头和表面处理工艺的优点与不足,提出今后研究穿孔顶头的方向.分析认为:目前合金钢顶头的应用最为普遍,钼合金顶头主要用于穿制高镍铬不锈钢钢管;表面制备氧化膜是常用的顶头表面处理工艺,此外表面功能镀覆层技术和表面渗氮技术也是应用较多的顶头表面处理手段.顶头材质和合适的表面处理工艺是提高顶头寿命的关键,穿孔顶头应逐渐向表面处理周期短、保护层均匀且致密、能耗低、绿色经济的方向转变.【期刊名称】《钢管》【年(卷),期】2018(047)006【总页数】6页(P14-19)【关键词】穿孔顶头;材质;合金钢;钼合金;表面处理工艺;镀覆层技术;渗氮技术【作者】郑成明;袁荷平;田青超【作者单位】上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海200444;宜兴市和平冷拔模具有限公司,江苏宜兴214237;上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TG333.8我国无缝钢管产量经过十多年持续增长，虽然在2016年首次下降，但纵观全球抗酸、抗寒、抗高压、抗CO2等高品质无缝钢管仍然是供不应求［1-3］。

穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，在穿孔过程中，穿孔顶头承受着极大的轴向力、压应力、切应力以及表面摩擦力。

此外，不同的厂家无缝钢管生产的工况不同，如有的厂家穿孔完成一次后穿孔顶头需要水冷后再使用，有的厂家不需要水冷，这样在急冷急热以及轧制力的作用下，使其容易发生早期鼻部塌腔、变形黏钢和开裂等失效［4-6］。

穿孔顶头的质量、使用寿命，直接影响无缝钢管的品质、生产效率以及工厂效益。

从穿孔顶头的材质、表面处理工艺等方面进行更加深入的探究。

1 无缝钢管穿孔顶头的材质研究穿孔顶头的工作环境相当恶劣。

这就要求顶头材质具备如下的性能：在高温下具有足够的强韧性和硬度，良好的淬透性、耐磨性及耐热疲劳性，良好的导热性，材料的价格经济合理［7］。

热穿孔顶头的失效分析及改进措施建议
曹鹏军
【期刊名称】《上海金属》
【年(卷),期】1998(020)003
【摘要】对无缝钢管热穿热孔顶头的失效机制和使用状况进行了分析论述，认为穿孔顶头的失效形式主要表面为顶头塌鼻，粘钢，开裂。

【总页数】4页(P20-23)
【作者】曹鹏军
【作者单位】重庆钢铁高等专科学校
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.8
【相关文献】
1.无缝钢管穿孔顶头失效形式分析及提高使用寿命的研究进展 [J], 王斌;易丹青;吴伯涛;刘会群
2.穿孔机顶头失效形式分析与对策 [J], 王增海;李鹏;张文亮
3.15Cr2Ni3MoW钢穿孔顶头的失效分析及改进 [J], 吴伯涛;易丹青;程圣泓;王斌;张霞;袁均平
4.穿孔顶头失效形式及改进措施研究的现状 [J], 王庆文;李琼;胡新星
5.热穿孔顶头的失效分析及改进措施研究 [J], 曹鹏军;仵海东;周安若
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基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法摘要：高钢级管道环焊接头是一种典型的焊接结构，其局部材质主要可划分为母材、焊缝和热影响区（HAZ）。

由于高钢级管道的母材强度较高，环焊接头就极易出现强度低匹配焊接，这与以往低钢级管道环焊接头强度高匹配焊接不同。

强度低匹配焊接是导致管道环焊接头局部出现应力或应变集中的主要原因之一，而焊接缺陷、环焊缝韧性差、变壁厚或错边、附加外载等因素也会进一步加剧环焊接头局部的应力或应变集中程度，这些因素是近年来高钢级管道环焊缝事故多发的主要原因。

基于此，对基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法进行研究，以供参考。

关键词：天然气管道；环焊接头；断裂评定；应变承载能力引言随着中国在高压、大口径、高档钢管材料、焊接、施工等领域的技术突破。

,迅速建立了运输量大的天然气管道干线网络,以满足国民经济发展对天然气的需求。

然而,随着高档钢管的推广和应用,主要材料的性能逐渐接近Ashby图纸中较低水平的安全设计水平,低压脆性断裂的风险更高。

近年来,国内外X70、X80钢管道环焊缝出现故障,表明高等级钢管道焊接结构存在较高的故障风险。

1基本定义符合性是指一致性,用来描述同一结构的相关部分之间是否一致,是否满足一般功能要求,分为比较差异,比较值两种方式。

设计中的大多数结构仅对结构匹配提出原则性要求,即一般意义上的结构匹配或理论匹配,主要从金属材料和焊接材料的工艺指标来看,要求达到等效匹配或强标称值匹配,没有明确的试验方法,要求对取样结果进行匹配;同时,对确定强度的实际符合性、测试方法、质量指标等没有要求。

显然,在定义和测试方法不一致的情况下,设计的一致性和从不同维度描述结构的实际的一致性不可避免地会导致不同的结果。

当使用强度比率来描述匹配时,可以定义匹配系数、匹配系数、匹配比率校正系数等。

设计符合性系数或理论符合性系数是指设计文件中对结构符合性的定义和要求,主要是通过比较基本金属和焊接材料性能指标的额定值来计算的;实际合格系数是指实际结构符合的实际状态,应根据基本金属和焊接材料性能指标的实际值与结构的比例计算。

提高穿孔机顶头寿命的途径闫柱威,张延东,石满鹰(内蒙古包钢钢联股份有限公司无缝钢管厂,内蒙古 包头 014010)摘 要:穿孔顶头是无缝钢管生产中最重要的模具之一,文章通过分析穿孔机顶头的失效形式,并从顶头外形、材质、表面氧化等方面探索提高顶头使用寿命的方法。

关键词:穿孔顶头;失效形式;提高使用寿命中图分类号:TG335 7 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2008)02-0007-03Improve the Service Life of Piercing PlugY AN Zhu-wei,ZHANG Y an-dong,SHI Man-ying(Seamless Tube Plant o f Steel Union Co.Ltd.o f Baotou Steel(G roup)Corp.,Baotou014010,Nei Monggol,China)Abstract:The piercing plug is one of the most i mportant tools used for the seamless steel tube prod uction.The invalid forms of piercing plugs are analyzed.The methods to i mprove the service life of piercing plug is expounded from the differen t aspects such as plug appearance,material,outer oxidation,and so on.Key words:piercing plug;invalid forms;improve service life钢管生产在国民经济中有重要的地位,世界各国都十分重视钢管生产技术的发展。

据有关资料显示,目前世界钢管年产量已超过7000万t,在发达国家的钢材消耗中,钢管的比例约占6%~11%,而且随着经济的发展,还将显著增加。