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ERW 钢管焊缝在线热处理工艺及其质量检验

阅读次数[] 发布时间:2013-4-14 14:03:23

    ERW 钢管的焊接是在高频电流趋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,就不能利填充合金元素的办法改善其焊缝性能;加热温度高,时音短,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。
1 ERW 钢管的焊缝组成和性能特点
     根据焊接热循环峰值的不同,可以将ERW 焊缝划分为五个区域:熔化区(T>T熔);过热区(1100摄氏度 1.2 ERW 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20世纪60年代出现以来,迄今为止,工艺和技术日益完善。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,调质工艺使焊缝晶粒得到细化,提高了焊缝的冲击韧性。除此之外,还有正火加回火、淬火加回火,以及新近研究开发的形变热处理工艺。
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火工艺。焊缝正火工艺一般采用中频(1-10KHz)电源,但综合考虑振荡产生的噪声等因素,最好先用1-3KHz。可以对直径50.8mm以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
    根据热模拟试验结果,在不考虑内外温差的前提下,正火最高温度可在较宽温度范围(860-1010摄氏度)内变化,但最好选择920-950摄氏度。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(grooving crrosion)”的腐蚀现象,焊缝热处理温度的高低,决定沟腐蚀系统的大小。
2.2.2 加热速度
     一般讲,加热速度的骤变将引起钢的相变点的相就弯化。加热速度快,则使钢的相变点上升,并引起相变动力学的弯化。但从焊缝的热模拟结果看,在650-950摄氏度之间改弯加热时间由12S到37S,对焊缝的韧性值勤(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Ac3点以上,可使焊缝和母材的综合性能趋于一致。延长保温时间(0,5,10,15,30min),并不引起焊缝机械性能的多大变化,并不引起焊缝机械性能的多大变化。但对合金钢管来讲,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。这些研究者并未进行保温时间与焊缝韧性关系的研究。
2.2.4 冷却速度和水冷起始温度
    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(Similiar Normalising Heat-treatment)”一词。为了减少空冷辊的长度和提高冷却效率,在线正火热处理往往采用空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。空冷过程必须等奥氏体转弯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。ERW 钢管焊缝正火热处理水冷起始温度必须低于500摄氏度,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371摄氏度左右,必须低于这个温度才能实施水冷。
2.3正火+回火和淬火+回火
     由于某些低合金高强度钢(HSLA)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,焊缝的综合性能也比母材低。为了克服这些缺陷,有的厂家又使用了正火+回火和淬火+回火工艺。
    正火+回火工艺为:奥氏体化后,不进行保温,直接付之东流冷,然后再进行不保温回火。这样,对一些高强度焊管来讲,可以使其空冷过程中产生的硬化相得以回火,形成铁素体+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:奥氏体化后对焊缝进行喷淋淬火,然后再进行回火,达到回火温度后,立即转入水冷,强制冷却,这可扩大ERW 钢管的使用范围。
这种强化工艺与正火相比,具有以下优点:
(1)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,其塑性和冲击韧性相比正火好得多;
(2)屈强比高;
(3)钢管性能更趋均匀,且较准确控制。
2.4 ERW 钢管的在线形变热处理工艺
     对低碳(0.04%C)、低碳、磷(0.001%s、0.003%P)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,形弯抗力比管体其它区域显著降低的特点,使用U&R(Upsetting and Rolling)”法,使焊缝区域产生一定压缩率的形弯,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,易在形弯过程中使奥氏体动态再结晶得以充分发展,产生晶粒粒大。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,其转弯温度下降。
2.4.1 形变量的范围
    尽管ERW 钢管焊缝在线形变热处理后,焊缝在性能上有其优热:形变温度850-790摄氏度、形变量6%时,焊缝在-60摄氏度时的吸收功为7J。但由于其内轧辊安装在长约20m 的芯棒上,依靠油压调节其轧制力。笔者根据已有经验认为,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。
3 ERW 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,以及夏比冲击断裂韧性试验、DWTT试验外,本文想就金相检验和焊缝硬度检验进行论述。
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完全正火区和不完全正火区的宽度,及其在焊缝熔合线左右对称情况。正常形貌应是:熔合线两侧热处理影响区对称性良好,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。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。

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  产品分类: 大口径 结构 厚壁 管线 油管 套管