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在线热处理对HFW焊管焊缝组织及力学性能


HFW焊管生产效率高、成本低,外型美观。近年来被广泛用作石油天然气输送管、套管、配气管和油管等。HFW比SAW加热速度快、焊接热影响区小、能量集中、冷却时间短、环保、节能,但HFW焊管存在焊缝强度与冲击韧性偏低、耐腐蚀性不稳定等缺点。HFW焊管的焊缝及热影响区是整个焊管质量最薄弱环节,服役时也最易在焊缝处产生裂纹,焊缝的强韧性决定了整个焊管的力学性能[2]。为了改善焊缝与母材之间的力学性能差异,可采用在线热处理工艺使焊缝组织重新奥氏体化,并随后控制焊缝的冷速和温度获得与母材相近的组织。本文研究了不同的线热处理工艺对X65管线钢焊缝组织和性能的影响,对在线热处理工艺进行了优化,并得出了影响HFW焊管焊缝质量的主要热处理因素。
1 试验材料
试验材料选用武钢7.94*1600mm规格X65热轧板卷,其主要生产流程为:铁水脱硫→转炉顶底复合吹炼→真空处理→LF处理→连铸→加热→热连轧→控制冷却→检验入库,为了保证管线钢的强韧性和耐蚀性,采用脱硫、脱气、钙处理等炉外精炼手段达到超低硫和低碳,其化学成分见表1,热轧卷板力学性能见表2。    表2 X65管线钢母材的力学性能    2 制管工艺
采用高频直缝电阻焊管生产机组生产ø508×7.94焊管,主要制管流程如图1:
成型工艺采用德国SMS MEER公司的线性排辊,采用双半径、线性、带内成型辊的排辊下山法成型:在粗成型段(包括预成型和线性成型段),用弯边辊将带钢边部弯曲到近似挤压辊半径值,然后通过多组边部小排辊群和内辊形成三点弯曲,让带钢边部变形近似成为直线的连续成型,经精成型辊的归圆成型,最后使带钢弯曲成符合挤压条件的圆形管筒。
高频焊接工艺采用德国SMS ELOTHERM公司的1800 kW大功率感应/接触双功能固态高频焊机,利用集肤效应和邻近效应将已经成型的钢管沿焊缝焊接,本试验工艺采用相同成型及高频焊接工艺参数,高频焊接温度为1450-1455℃,功率680-690KW,高频频率140-145KHZ。
焊缝热处理工艺利用4架总额定功率为3200KW的中频感应器、空冷段和水冷段对钢管焊缝进行模拟正火热处理。每台感应器的长度为2.4 m,空冷段全长96 m,水冷段长14 m。第1-4台感应器的使用功率分别设为总输出功率的37%、27%、20%和16%,焊管通过第一台感应器后焊缝温度在居里点附近,通过第2台和第3台感应器可使整个焊缝在壁厚方向上温度均匀,通过第4台感应器后温度分别设定为930℃、950℃,在线轧制速度分别为10m/min及14m/min,各方案热处理参数见表3。过空冷段进入水冷前保证焊缝温度降至350 ℃以下。
表3 X65管线钢热处理工艺参数
方案
加热温度℃
在线轧制速度   3 检测方法
采用德国卡尔蔡司Axiovert 40 MAT高倍显微镜对试验原料、未热处理焊缝、热处理后焊缝进行取横截面样分析,比较未热处理和热处理后的焊缝组织,采用GP-TS2000M电子万能拉力试验机测试原料以及3种不同热处理方案下焊缝组织及性能变化。
4 试验结果及分析
4.1 未热处理焊缝组织及力学性能
试验管原料为X65级别热轧板卷,其母材组织为F+P,平均晶粒度12级,成型及高频感应焊接后母材(管体)组织无变化,焊缝分为熔合区和热影响区,熔合区宽度约0.11 mm、 组织为B+F+M,热影响区宽度约2.0mm、组织为B+F+M。钢板在高频焊接时边缘被加热至半熔融态,挤压形成焊缝,随后去除内外毛刺并水冷,焊缝由半熔融态凝固结晶,组织相变为B和M。焊缝外表面通过直接水冷,冷速最大;内表面通过热传递冷速稍慢。冷却速度较慢时易形成B,一般焊后组织以B+M居多,M为硬质相,此时焊缝的强度很高,但塑性韧性很低,未热处理焊缝Rm为705MPa,比原料提高了50MPa,冲击性能极低,-20℃冲击值KV2低于30J。
4.2 热处理后焊缝组织及力学性能
方案2


方案1


方案3


图1 不同在线热处理工艺下焊缝金相组织
采用3种热处理工艺后焊缝组织如图1,方案1、2、3的焊缝熔合线、热影响区、母材组织均为F+P,方案1、2焊缝处晶粒度级别相近,均为:熔合线11级,热影响区10.5级,方案3焊缝处晶粒偏大,熔合线10级,热影响区9.5级。
HFW焊管焊缝在线热处理一般采用模拟正火,常规正火温度选用Ac3+30-50℃,但HFW在线热处理采用中频感应加热,不同于常规膛式炉加热方式,其加热速度快(30-50℃/s)且保温时间极短,焊缝被加热到目标温度后即刻进入空冷段,组织奥氏体化须较大过热度,使得Ac3升高,因此HFW在线热处理时奥氏体化温度比常规温度更高。焊缝被快速加热至奥氏体化温度,然后迅速进入空冷段发生珠光体转变(γ→F+P)。F晶粒大小与本质奥氏体晶粒大小有关。
对比方案1、2,加热温度均为930℃,但由于轧速不同,焊缝奥氏体化时间分别为14.4s、10.3s,在较高温度下奥氏体形核和孕育所需时间极短,方案1、2焊缝均能完成奥氏体化且奥氏体晶粒大小相近,因此空冷相变后的F晶粒大小也相近。对比方案2、3,方案3焊缝被加热至更高950℃,超过了奥氏体正常长大临界温度,奥氏体晶粒长大速率明显加快,晶粒急剧生长,因此方案3空冷相变后的F晶粒更粗大。
方案1-3管体及焊缝力学性能见表4。方案3比方案1、2焊缝F晶粒度小一级,抗拉强度较方案1、2偏低约40-50MPa,方案3焊缝强度未达标准要求。方案1、2、3管体性能均无变化。
综上所述,方案2焊缝强度更高,轧制速度更快,生产上能降低能耗、提高效率,因此生产X65HFW焊管宜采用方案2。
HFW焊管的焊缝及热影响区质量是整个焊管的关键,焊缝的强韧性决定了整个焊管的力学性能。本文焊缝在线热处理工艺可使焊缝组织奥氏体化得到晶粒较细的F+P组织,使焊缝与母材组织相近。通过对比三种在线焊缝热处理方案焊缝组织及力学性能,形成结论如下:
1)HFW焊管未热处理焊缝组织以B+M居多,焊缝抗拉强度比原料提高,但冲击性能极低;
2)X65焊管焊缝热处理温度为950℃时,奥氏体晶粒长大速率明显加快,空冷后F晶粒粗大,焊缝抗拉强度不能满足标准要求。
3)X65焊管焊缝在线热处理温度为930℃时,采用不同轧速对空冷后焊缝F晶粒度影响不大,生产上为提高效率,可提高轧速。

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