焊接鋼管感應(yīng)加熱快速熱處理

1、.焊接鋼管感應(yīng)加熱快速熱處理焊接鋼管是指用鋼板或鋼帶，經(jīng)彎曲成形后用焊接方法制成的鋼管，又稱為焊管。按照焊縫的形式焊管可以分為直縫焊管和螺旋焊管兩種。上前，直徑大于500mm以上的鋼管多數(shù)是采用焊接方法生產(chǎn)，其中包括部分油井套管。焊管在我國的產(chǎn)量已占鋼管總產(chǎn)量的50%以上，已成為重要的鋼材產(chǎn)品。焊管廣泛用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)各領(lǐng)域，其中用量最大的是石油天然氣工業(yè)。原油、天然氣長距離輸送管線建設(shè)，需要大量使用高強(qiáng)度、高韌性和具有優(yōu)良焊接性能的焊管。這就促進(jìn)了焊管的生產(chǎn)與發(fā)展，促進(jìn)了與此相關(guān)部門的技術(shù)進(jìn)步。焊管焊縫感應(yīng)加熱快速加熱處理工藝技術(shù)就是在這種形勢下發(fā)展起來的。為了提高油氣輸送能力和降低成本，要求提

2、高管道輸送壓力、提高鋼管的強(qiáng)度和韌性。為此，油氣輸送管線用鋼已從X60級提高到X80級，而更高鋼級X100-X120管線鋼正在研發(fā)之中。由此可見，隨著石油天然氣能源需求的不斷增長，對高強(qiáng)度焊管的需求量會迅速增大。焊縫熱處理工藝技術(shù)必將成為焊管生產(chǎn)中重要環(huán)節(jié)。在此簡要介紹焊管生產(chǎn)中，焊縫感應(yīng)加熱快速熱處理工藝的應(yīng)用與相關(guān)的技術(shù)。感應(yīng)加熱焊縫熱處理在焊管生產(chǎn)中的應(yīng)用概況焊接鋼管的冶金質(zhì)量和使用性能取決于管體鋼材的冶金質(zhì)量、制管焊接的工藝技術(shù)、焊縫的熱處理質(zhì)量三個因素。隨著油氣輸送壓力的提高，陸地天然氣輸送壓力將達(dá)到14MPa，海底輸送壓達(dá)25MPa，同時若管線穿越戈壁沙漠和凍土地帶還要加上氣溫的變

3、化等因素，對焊縫的冶金質(zhì)量要求會更為嚴(yán)格。因此國，必須通過嚴(yán)格的焊縫質(zhì)量來保證所需要的綜合力學(xué)性能。焊縫熱處理的重要性就在于此。感應(yīng)加熱焊縫熱處理的目的焊管的使用性能是由管體和焊縫兩部分金屬的性能綜合評定的，任何一方的最弱項將決定焊管的使用性能。焊管在焊接過程中，由于焊接高溫的作用，使焊縫和熱影響區(qū)金屬組織發(fā)生變化和晶粒粗化、同時還存在很大的內(nèi)蠻力。綜合這些變化的結(jié)果，使焊縫區(qū)金屬的性能與母材（管體）產(chǎn)生很大的差別。而且，焊縫金屬的綜合性能明顯低于管體。為此，必須通過焊縫熱處理來消除差別，使其成為綜合性能一致的“無縫焊管”。（1）消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，因焊接在焊縫兩側(cè)形成的熱影響區(qū)，與焊縫和管

4、體形成三個組織、晶粒大小、應(yīng)力分布完全不同的區(qū)域。由于焊縫、熱影響區(qū)、管體的加熱溫度和冷卻速度不同，其內(nèi)部存在的內(nèi)應(yīng)力不同，焊縫中內(nèi)應(yīng)力最大，熱影響區(qū)次之，管體內(nèi)最小。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過屈服極限時，會使金屬發(fā)生塑性變形，引起焊管彎曲；內(nèi)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時，全使金屬發(fā)生晶界裂紋，裂紋擴(kuò)展后會使焊縫產(chǎn)生裂紋。而焊縫區(qū)金屬晶粒粗大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低，最容易產(chǎn)生裂紋，其次是熱影響區(qū)與管體相比也容易產(chǎn)生裂紋。因此為了提高焊縫的綜合性能必須通過熱處理來消除焊接內(nèi)應(yīng)力。通常使用正火或高溫退火處理方法消除焊縫內(nèi)應(yīng)力。（2）改善焊縫和熱影響區(qū)金屬的組織結(jié)構(gòu)，制管用鋼帶多為熱軋控冷正火處理，具有細(xì)小 鐵素體+珠光

5、體組織；部分微合金化高強(qiáng)度鋼帶為細(xì)小針狀鐵素體組織。作為焊管用管線鋼的化學(xué)成分列于表6-1中，在焊接高溫作用下，給焊縫金屬帶來兩種不良的后果，其一是金屬的晶粒粗化，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度下降和金屬脆化；其二，由于焊后冷卻速度快慢不均，焊縫區(qū)冷速慢，鐵素體和珠光體組織粗大，熱影響區(qū)冷卻速較快，除鐵素體和珠光體外，還出粗大的馬氏體和殘余奧氏體。綜合上述情況，由于晶粒粗化和金屬顯微組織的變化使焊縫金屬脆化，并且與管體金屬的組織和性能產(chǎn)生很大的差別。因此，必須通過焊縫熱處理來達(dá)到細(xì)化晶粒和改變恢復(fù)金相組織，減少與管體的差別。表6-1 幾種管線鋼的化學(xué)成分鋼級化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%CMnSiPSVTiNbCrM

6、oNiCuAlNBX600.061.210.210.010.0010.010.020.020.200.15X650.041.500.210.0060.0030.0410.0140.040.0410.180.050.118X700.081.610.240.0150.0050.0320.0130.0570.0360.220.0160.122X800.041.800.190.0060.0030.0020.0140.0520.0200.250.250.1380.0340.0070.001（3）提高焊管的綜合力學(xué)性能，焊縫熱處理的最高目標(biāo)是使焊縫的冶金質(zhì)量完全達(dá)到母材的水平，實現(xiàn)“無縫焊管”。單獨對焊縫

7、進(jìn)行正火處理無法達(dá)到上述目標(biāo)，必須焊縫進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火+回火處理，才能使焊縫的綜合力學(xué)性能達(dá)到甚至超過母材，實現(xiàn)“無縫焊管”的目標(biāo)。感應(yīng)加熱焊縫熱處理方法焊縫需要通過熱處理來改善力學(xué)性能的鋼類中主要是管線鋼。不同強(qiáng)度鋼級使用的鋼類及其對室溫度的要求列表6-2中。以表6-2中所列的鋼類和力學(xué)性能可知，提高焊縫綜合性能的主要熱處理方法有正火處理、正火+回火處理、淬火+回火處理等方法。目前國內(nèi)焊管生產(chǎn)中多采用焊縫正火處理，其他熱處理方法尚未見采用。最先進(jìn)的焊縫熱處理是淬火+回火的調(diào)質(zhì)處理。國外大型焊管生產(chǎn)線中多采用正火處理，調(diào)質(zhì)處理只有日本和歐盟個別公司采用。感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)處理焊縫是今后發(fā)展的方向。表

8、6-2 管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)鋼級與室溫強(qiáng)度GB/T 9711.1-1997API spec 5L2004鋼級室溫力學(xué)性能鋼類/MPa/MPaA25172310碳素鋼L210A207413L245B241413L290X42289434普通低合金鋼L320X46317455L360X52358489L390X56386517低合金高強(qiáng)度鋼L415X60415530L450X65448560L485X70482565微合金化高強(qiáng)度鋼L555X80551620X100727837（1）焊縫感應(yīng)加熱正火處理，焊縫正火處理中包括退火處理，有時又稱為消除應(yīng)力退火。焊縫感應(yīng)加熱正火處理是將焊縫加熱到Ac3以上溫度，

9、900-950后空冷至400以下水冷到常溫。借此消除焊接內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化焊縫晶粒，改善顯微組織，提高焊縫的塑性和沖擊韌性。焊縫感應(yīng)加熱正火處理適用于普通低合金鋼和部分低合金高強(qiáng)度鋼，相當(dāng)于X60鋼級以下的焊管。焊縫感應(yīng)加熱退火處理是將焊縫加熱至700-750雙相區(qū)，隨后空冷至常溫，目的是消除焊接內(nèi)應(yīng)力和改善塑性。退火處理主要用于碳素鋼和部分普通低合金鋼焊管。這種工藝國內(nèi)焊管生產(chǎn)線很少采用。（2）焊縫感應(yīng)加熱正火+回火處理，正火處理后焊縫的硬度仍高而塑性還低時，可以采取高溫回火處理進(jìn)行補(bǔ)救。感應(yīng)加熱回火處理是將焊縫加熱到Ac1以下溫度，通常為650左右空冷。經(jīng)高溫回火處理后原鋼中馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗?/p>

10、索氏體和鐵素體，焊縫的塑性提高，硬度下降強(qiáng)度變化不大。（3）焊縫感應(yīng)加熱淬火+回火處理，這種熱處理方法又稱調(diào)質(zhì)處理，在線焊縫感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)處理是目前最先進(jìn)的熱處理技術(shù)。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后焊縫的綜合力學(xué)性能完全達(dá)到管體的水平，實現(xiàn)焊縫與管體性能均一化。實現(xiàn)這項熱處理工藝技術(shù)的核心就是必須掌握橫向磁場加熱技術(shù)，保證加熱溫度的均勻和準(zhǔn)確。對于低合金高強(qiáng)度鋼和微合化高強(qiáng)度鋼焊縫的淬火加熱溫度為900-950，回火加熱溫度為600-650，淬火采用噴淋式冷卻，回火采用空冷與水冷結(jié)合冷卻。淬火、回火溫度采用縱向磁場加熱時，控溫的準(zhǔn)確度可以達(dá)到±10，這是高強(qiáng)度焊管保持性能穩(wěn)定必需的控溫水平。利用橫向磁場

11、加熱焊縫同樣要求高的控溫精度，目前，國內(nèi)尚處于研發(fā)階段，距此精度相差較大。不過可以相信會很快攻克這項加熱技術(shù)，實現(xiàn)焊縫在線感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)處理。焊縫感應(yīng)加熱正火處理正火處理是目前國內(nèi)處應(yīng)用最多的焊管焊縫熱處理方法，有時還稱其為焊縫退火處理。兩者的區(qū)別是正火處理加熱溫度在Ac3以上，退火處理加熱溫度低，在Ac1附近。對于管線鋼焊管來說，焊縫正火處理是API標(biāo)準(zhǔn)中支付寶的熱處理方法之一。焊縫感應(yīng)加熱正火處理，按照其生產(chǎn)配置情況可分為在線式正火處理和離線式正火處理。產(chǎn)品規(guī)格多、批量小時可用離線式正火處理，產(chǎn)品規(guī)格少、批量大時應(yīng)選用在線式正火處理。焊縫感應(yīng)加熱正火處理主要用于以釩、鈮、鈦元素強(qiáng)化的低碳低合

12、金鋼焊管。這類鋼的化學(xué)成分列于表6-3中。焊縫正火處理的目的是消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化焊縫金屬的晶粒，提高金屬的塑性和韌性，縮小焊縫與管體性能的差別。焊縫感應(yīng)加熱正火處理溫度的選擇傳統(tǒng)低合金鋼正火處理溫度是在Ac3以上30-50。但是，感應(yīng)加熱升溫速度為20-50.s-1條件下，Ac3會隨時加熱速度的增大而上移。根據(jù)感應(yīng)加熱淬火溫度的經(jīng)驗，Ac3會升高20-50，因此，感應(yīng)加熱低合金鋼焊縫正火溫度應(yīng)選擇在Ac3以上50-100。鋼中含有Cr、V、Ti合金元素時取上限，不含這些合金元素時取下限。表6-3中所列正火鋼的Ac3在860-880，其感應(yīng)加熱正火溫度可選擇在910-980。表6-3 正

13、火處理鋼的化學(xué)成分鋼號化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%CSiMnPSVNbTiMo14MnNb0.12-0.180.20-0.600.8-120.0500.0450.015-0.0516Mn0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.04515MnV0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.0450.04-0.1215MnTi0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.0450.12-0.2018MnMoNb0.17-0.230.17-0.371.35-1.650.0500.0350.05-0.150.025-0.0500.45-0.651

14、4MnMoNV0.10-0.180.20-0.501.2-1.600.0500.0350.40-0.65正火加熱溫度不宜過高，通常加熱條件下低合金亞共析鋼自900起奧氏體初始晶粒開始長大，950以上迅速長大。因此，過高的正火溫度不利于細(xì)化焊縫的晶粒組織，降低正火處理的效果。另外，過高的正火溫度還會加重焊縫區(qū)金屬氧化，影響焊管的表面質(zhì)量和降低鋼材的收得率。同樣正火溫度過低，不得改善焊縫金屬的塑性和韌性，達(dá)不到正火處理的目的。焊縫感應(yīng)加熱正火保溫時間和冷卻方式焊縫感應(yīng)加熱正火保溫時間的選擇，淬火、固溶、正火處理都是將鋼加熱到奧氏體化溫度后，以不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻的熱處理方法。從奧氏體化的目的來看三種處理方法是相同的。感應(yīng)加熱低合金鋼淬火處理和奧氏體熱強(qiáng)鋼固溶處理，進(jìn)行取消奧氏體化保溫時間的試驗，其結(jié)果表明，只要把感應(yīng)加熱淬火和固溶溫度比傳統(tǒng)處理溫度高出50-100之后，無需保溫時間就可以取得相同的熱處理效果，強(qiáng)化元素的固溶量一致，回火與時效處理后的室溫和高溫力學(xué)性能還高于傳統(tǒng)處理工藝。由此可見，感應(yīng)加熱正火處理過程取消保溫時間，不會影響到后期的熱處理效果。表6-4給出了10鋼焊管縫感應(yīng)加熱無保溫時間退火后，其力學(xué)性能取得良好的效果。表