ERW钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验

1、ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验焊管?第l7 卷第1期?1994年 1月ERW 钢管焊缝在线热处理 工艺及其质量检验 圭塑塑 宝鸡石油钢管厂 ,fc 下7S 一A 摘要在分析 ERw 钢管焊缝组成及性能特点的基础上 , 进而介绍了在线热处理工 艺种 热检军如甏 ,主题词电阻焊钢管焊缝热处理午敢 ERW 钢管的焊接是在高频电流为肤和 邻近效应的基础上 .利用高频电流或感生高 频电流的电阻热将管坯对接边缘加热熔化 , 并施以挤压而焊合的工艺过程 .ERW 焊缝 的最大特点是没有外来填充金属 ,加热速度 快 ,生产效率高 .这是其优点 ,也是其不足 .没 有填充金属 ,就不能利用填充合金元

2、素的办 法改善焊缝性能 ;加热温度高 ,时间短 ,焊接 温度梯度大 ,就使其在焊接过程中 ,对某些钢 种易于产生硬化相和组织应力 ,使焊缝脆性 增加,综合机械性能下降 .因此,对 ERW 焊 缝必须进行焊后补救措施焊缝热处理 , 以改善组织 ,消除应力 ,提高性能 . 1ERW 钢管的焊缝组成和性能特点 1.1ERW 焊缝组成 根据焊接热循环峰值温度的不同 ,可以将 ERW 焊缝划分为五个区域 : 熔化区 (> T 口);过热区 (1100<*); 完全正火区 (a << 】 100)i 不完全正火区 (A<T< A;);回火区 (<A). 人们一般将

3、熔化区以 外的其它区域总称为 焊接热影响区 (Heat AffectingZone, 简写为 HAZ), 即:与母材 相比 ,组织和性能发生变化的区域 . 1.2ERW 焊缝的性能特点 近年来 ,由于寒冷地区和海洋油田的开 发,为 ERW 钢管提供了更加广阔的发展前 景,这就要求 ERW 钢管具有良好的低温和 抗腐蚀性能但目前 ,许多厂家生产的 ERW 钢管焊缝低温韧性差 ,FATT 值偏高 ,大大 限制了其使用范围 .ERW 钢管焊缝低温韧 性的高低已成为这种钢管技术水平高低的重 要标志 -.2 焊缝在线热处理工艺2.1 在线热处理工艺种类 焊缝在线热处理工艺自 60 年代出现以 来 ,迄今

4、为止 , 工艺和技术日臻完善 .总的来 讲 ,加热方式一般为感应加热 ;为了保证感应 器对焊缝加热的准确性 ,先进机组大都装备 有光电焊缝自动跟踪系统 ;为了保证加热温 度的稳定性 ,并配有温度自动控制系统 .工艺 种类除了大多采用的焊缝正火 ,焊缝退火工 艺外 ,有的厂家为了提高焊缝冲击韧性 ,对于 高强度钢管 ,采用了调质热处理工艺 0jl., 调 质工艺使焊缝晶粒得到细化 ,提高了焊缝的 冲击韧性 .除此以外 ,还有正火 +回火 ,淬火+回火（包括调质 ）,以及新近研究开发的形 变热处理工艺等 .2.2 普通热处理工艺焊缝正火 目前 ,就世界范围来讲 ,焊缝热处理中应 用最多的还是焊缝正

5、火工艺 .美国石油学会第 l7 卷第 1 期李锦旗 :ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验 APISPEC5L管线钢管标准 1991年 6 月第 39 版第 2.1.C3 节电阻焊钢管制造工 艺 中,对此已有明确要求 .焊缝正火工艺般采用中频 （110kHz）电源 ,但综合考虑 振荡产生的噪声等因素 ,最好选用 1 3kHz.可以对 5O.8ram 上钢管进行焊缝正火处 理.正火处理可以明显地改善焊缝的压扁 性能 ,其工艺参数包括 :最高加热温度 ,加热 速度 ,保温时间和水冷起始温度等 .2.2.1最高加热温度 1Il5基建霜根据热模拟试验结果 j, 在不考虑内外 温差的前提下 （试验

6、用热模拟机采用直热式 电阻加热 ,而非在线的感应加热方式 ）,正火 最高温度可在较宽温度范围 （86O1010） 内变化,但最好选择 920950C.温度过高 , 会使焊缝 FATT.升高 ,焊缝韧性下降 .另 外,使用中 ERW 钢管焊缝存在一种称为 沟 腐蚀 （groovingcorrosion）的腐蚀现象 ,焊缝 热处理温度的高低 ,决定着沟腐蚀系数 a 的 大小,图 1 示.轻懈甚毽霜最高加热温度图 1 最高加热温度对淘腐蚀系数数 a 的影响 2.2.2加热速度般讲,加热速度的骤变将引起钢的相 变点的相就变化 ,对铁素体珠光体钢而言 ,过 热度 AT 与加热速度之间一般存在 ATcc

7、的关系.加热速度快 ,则使钢的相变点上 升 ,并引起相变动力学的变化 .但从焊缝的 热模拟结果看 ,在 65o950C 之间改变加热 时间（即改变加热速度 ）由 12s到37s,对焊缝 的韧性值 （FATT和冲击功 ）影响不大. 2.2.3保温时间 由于焊缝在线热处理设备和工艺的局 限 ,这方面在线研究不是很多 .但有文献 Do3 报导了采用在线热处理炉对小规格碳素钢钢 管的保温时间与焊缝性能的研究成果结果 表明 :碳素钢焊管短时间加热到 A 点上, 可使焊缝和母材的综合机械性能趋于一致 ; 延长保温时间 (o,5,10,15,30min),并不引起 焊缝机械性能的多大变化 .但对合金钢管来

8、讲 ,保温时间愈长 ,压扁性能愈好 ,这可能与 焊缝中合金元素的均匀化过程有关 .这些研 究工作是数年前完成的 ,由于历史的局限性 , 研究者并未进行保温时间与焊缝韧性关系的 研究.2.2.4冷速和水冷起始温度 正火工艺规范的冷却介质是静止的空 气,但由于在线焊缝感应热处理是在生产线焊昔 ?1994 年 L 月上进行的 ,其空冷过程是钢管在空冷辊递上 运行过程中完成的 ,因此 ,鉴于这种区别 , API 标准从第 39 版起,使用了类似正火热 处理 (SimiliarNormalisingHeat treatment)一词 .为了减少空冷辊道的长度 和提高冷却效率 ,在线正火热处理往往采用 空

9、冷和水冷相结合的工艺 . 空冷速度取决于最高加热温度 ,轧线速 度和钢管壁厚等诸因素 ,图 2 所示.空冷过程 必须等奥氏体转变为细小的铁素体和珠光体 组织后方能终止 .水冷起始温度的高低 ,影响 着焊缝韧性 ,图 3.从图中可看出 ,ERW 钢 管焊缝正火热处理水冷起始温度必须低于 5oooc,才能使焊缝具有良好的韧性 .也有人 认为 ,碳素钢的下临界温度为 1000F (371)左右,必须低于这个温度才能实施水 冷.圉 2 不同壁厚钢管的焊缝正火玲却曲线 水持起蛄堪鹿 ,图 3 术玲起始与焊缝 vTrs 关系 2.3正火+回火和淬火 +回火(包括调质) 工艺由于某些低台金高强钢 (HSLA

10、) 焊管正 火处理过程中 ,空冷时产生的硬化现象会使 焊缝塑性有所降低 ;普通碳素钢管经正火处 理后 ,焊缝的综台机械性能也比母材低 .为了 克服这些缺陷 ,有的厂家又使用了正火 +回 火和淬+回火工艺 .正火+回火工艺为 :奥氏体化后 ,不进行 保温,直接空冷 ,然后再进行不保温回火 .这 样 ,对一些高强度焊管来讲 ,可使其空冷过 程中产生的硬化相得回火 ,形成铁素体一 回火索氏体组织 .降低焊缝强度 ,提高韧性 . 对于一些特殊用途的 ERW 钢管 ,为了 进一步提高其强度 ,有的厂家采用了淬火 + 回火的强化处理工艺 ,效果良好 .此工艺的一 般规范为 :奥氏体化后立即对焊缝进行喷淋

11、淬火 ,然后再进行回火 ,达到回火温度后 ,立 即转入水冷 ,强制冷却 .这样 ,可扩大 ERW 钢管的使用范围 . 这种强化工艺与正火相比 ,具有下优 点:淬火后得到的马氏体具有很高的强 度 ,经高温回火得到的碳化物呈粒状分布 ,因 此 ,楞获得与正火相等或更高的强度性能 ,而 且 ,其塑性和冲击韧性比正火好得多 ;屈强比高 ; 钢管性能更趋均匀 ,且较易准确控制 . 2.4ERW 钢管的在线形变热处理工艺 对低碳 (O.O4c),低硫,磷(0.001S, 0.003P)的 Nb,V 微合金化轧钢而言 ,一次 正火,二次正火 ,淬火+回火,淬火等工艺对 其韧性的提高作用不大 .为了充分发挥钢

12、带 控制轧制的高韧性潜在优势 ,使 ERW 钢管 焊缝与母材达到等韧配合 ,日本有的厂家 将形变热处理技术应用于 ERW 钢管焊缝在 线热处理中 ,大大提高了 ERW 钢管焊缝韧 性 ,尤其是低温韧性 .此工艺特点为 :在普通 正火处理后 ,利用被加热焊缝区域的热软化 ,第 17 卷第 1 期李锦旗 :ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验 形变抗力比管体其它区域显着降低的特点 , 使用U&R(UpsettingandRolling) 法,使 焊缝区域产生一定压缩率的形变 ,然后空冷 , 以此提高焊缝韧性 .2.4.1形变温度的控制 形变温度不能过高 .否则 .易在形变过程 中使奥

13、氏体动态再结晶得以充分发展 ,产生 晶粒粗大 .所以 ,应将形变温度控制在钢的再 结晶温度以下 .在再结晶温度以下 .随着形变 量的增加 ,焊缝晶粒得以细化 ,其转变温度下 降 ,图 4 10.图 4 壁厚压缩率与焊缝晶粒度及转变温度的关系 2.4.2形变量的范围从趋势上看 ,随着形变量的增加 .转变温 度（vTrs）一直在下降 （图 4）.由于设备的限 制,文献只介绍到 6 压缩率下的韧性值 . 尽管 ERW 钢管焊缝在线形变热处理 后 .焊缝在性能上有其优势形变温度 85O 790,形变量 6 时,焊缝在一 6O时的吸 收功为 7J 但由于其内轧辊安装在长约 20m 的芯棒上 ,袄靠油压调

14、节其轧制力笔者根据 已有的经验认为 ,此种装置可操作性差 ,不易 准确控制 .因此 ,形变后的焊缝性能不易稳 定.必须寻求其它提高 ERW 钢管焊缝韧性 的途径3ERW 钢管焊缝热处理后的性能检验 ERW 钢管热处理后焊缝的质量检验 ,除 了压扁,焊缝拉伸等工艺性检验 ,以及夏比 j 巾 击断裂韧性试验 ,DwTT 试验 （管径大于 508ram,用户有要求 ）外,本文想就金相检验 和焊缝硬度检查进行论述 .3.1 正火焊缝的金相检验ERW 钢管焊缝热处理后 ,其金相检验包 括宏观和微观两部分内容 .宏观检验应测量 焊缝区域完全正火区和不完全正火区的宽度 （包括管壁内外两侧 ）,及其在焊缝熔合

15、线左 右的对称情况 .正常形貌应是 :熔合线两侧热 处理热影响区对称性良好 ,热处理后的完全 正火区将焊态焊接热影响区完全包容只有 这样 ,才能说明热处理过程中 ,加热感应器与 焊缝对中良好 ,热处理温度合适 （图 5）如果 热影响区在熔合线左右分布不对称 ,则说明 热处理时 ,加热感应器偏离焊缝中心 ,金相检 验人员应将此信息及时反馈给现场操作人 员 ,迅速进行调整 .图 5 正火热处理试样示意图A 一完全正火区 B 一不完全正业区 阴影部分为焊接热影响区 微观组织检查应对照标准测定母材 ,焊 缝脱碳区铁索体晶粒度级别 ,以及原焊接热 影响区处的晶粒度 ,辅助鉴定热处理温度的焊管?1994年

16、 1 月高低.如果欠热 ,则焊缝内侧仍为焊态组织 ; 如果过热 ,则产生晶粒粗大 ,甚至产生魏氏组 织3.2ERW 钢管焊缝的硬度检查 焊缝热处理后 ,其硬度大小对焊缝性能 至关重要 .硬度值影响着焊缝的转变温度 （图 6）和焊缝的抗腐蚀性能 .般检查方法是测量焊缝区硬度分布 . 硬度测量大都使用 lkg 载荷的维氏硬度 ,也 有用洛氏硬度或表面洛氏硬度的 ,测量位置 见图 7. 热处理质量良好的焊缝三条硬度曲线波 动不剧烈 ,且最高硬度值低 （图 7）.为了提高 ERW 钢管抵抗第二类硫化物应力腐蚀开裂 （SulfideStressCorrosionCracking,简写为 SSCC）,美国

17、防腐工程学会推荐 ,对于含硫气 体输送管 ,其焊缝硬度 Hv240 日本住友公 司亦有类似要求 .美国石油学会 API5CT 套管和油管规范中对管材最大硬度值和硬 度波动亦有明确要求 :L 一80和 c一 75钢级, 最大硬度为 HRC2223（相当于 Hv237 243）;c一9O钢级最大硬度应 <HRC25.4（相 当于 Hv258）若硬度超过 HRC27.0（相当于 Hv268）,则管子拒收 瑚 誊 诧 g Z 魁 :舞呲 050C, ?=扶加热I StddA/-/ stetlB/./.Y|警I/100150ZOOHv/IkBi圉 6 焊缝硬度值与转变温度关系至熔合线中心距离 /r

18、am图 7ERW 钢管焊缝热处理后硬度分布示意图?9?第 l7 卷第 1 期李锦旗 :ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验 参考文献1张文钺 .金属熔焊原理和工艺 (上册)机械工业 出版杜.1980一 O72潘家华.ERW 钢管的发展前景和面临的课题焊 管,1989(3)3 冯世功 . 中口径直缝焊管机组技术考察概况 .焊 管通讯 .1986(1)4卢茂探 .歇美直缝焊钢管机组考察报告 .焊管. 1987(4)5APISPEC5L 管线钢管 .1991年 6月,第 39版 6DavidA.Bel1.HeattreatingCarbonSteeltube, Mayl993,TUBEINTE

19、RNATIoNAL7高秀英 ,高国良 .焊后正火条件对焊缝韧性的影 响.焊管.1991(4)8SATsUMIMASAMURA,1wAoMATSUSHI MA 一一 GR00VINGoDRROSIONOFELEC TRICRESISTANCEWELDEDSTEELPIPE INWATERCASEHIsT()RIESANDEF_ FECTSOFALLOYINGELEMENTS.April6 lO,l981/SheratonCentrejToronto.Ontario.Canada9刘志懦 .卢锦宝 .金属感应热处理 (上册)机械工 业出版社 .1985一 O9l0 黑风梧 .国外高频直缝扞管生产

20、.冶金工业出版 社.1985(4) l1NKKTECHNICALBULLETIN,HEA VY WALLERWLINEPIPEFORLOWTEM PERATUREUSE(AT 一 46) l2TYazawatTSugauoshi,SKojlmatTYama da.TTakamataandToldake,NEWoil line processforERWpipes-May1991,TUBEIN TERNATIONAIl3 孙正国 .汽谈住友公司的高标准钢管 .焊管通 讯,1986(2)l4 美国石诎学会 .套管和油管规范 APISPEC 5CT.198803 一 l5(收稿日期 :l993 0727) 誉从信中来【本刊讯】保定市红星高频设奋厂 ,这个百奈人白 手起家的桌体 1 厂.何以能在激烈的市场竞争中 .短 短几年时间 t 蛊展成为有近千万元固定资产 ,年产值 五千万元 -利河几百万元的国内专业生产机娥 ,冶空 高频电气谴奋的高新技术企业 ?记者蒂着这个问题 ,采访了该厂厂长轩维克 ,他 说 :红星厂发展壮大 ,归纳起来有三条 ,一靠广纳人 才,二靠先进的技术 t 三靠产品质量及周到的售后服 鼻.红星厂的高 ,中趣技术干部占全厂人敷的 3O 以上 ,其中有不少退休的教授和专家 .厂领导信任他 们,依靠他们 .鼓励他们放手研制开发拳头新产品 . 建厂不欠的 1986 年