熱 彎管推制工藝與熱處理制度

■肖春景，王陸軍

熱 彎管推制工藝與熱處理制度

■肖春景，王陸軍

熱揻彎管由于管口圓度好，必要的熱處理消除了殘余應(yīng)力，且減薄率可以控制到≤10%，保證質(zhì)量符合設(shè)計要求，更重要的是彎曲角可以在0～90℃之間任意變化，同時熱揻彎管生產(chǎn)效率高，因而熱揻彎管得到廣泛使用。下面重點研究熱揻彎管的推制工藝及其熱處理制度。

1. 熱 彎管的推制方法

熱揻彎管的制造方法是利用彎管機先把直管放在彎管機的推制臺上，通過液壓系統(tǒng)推動母管勻速前進，推制前進時母管經(jīng)過電感應(yīng)加熱圈位置時那一段母管加熱到奧氏體狀態(tài)軟化，然后噴水冷卻，經(jīng)過旋臂后母管出來就成為設(shè)定好彎曲角度的彎管了。焊縫鋼管在熱揻推制成彎管時，由于外側(cè)受拉應(yīng)力內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力的作用，縱焊縫通常要求放置在中性面附近10?以內(nèi)且焊縫位置朝上便于觀察與檢查。熱揻彎管加熱溫度根據(jù)鋼種材質(zhì)、厚度、曲率半徑、角度等不同有所差別，通常是加熱到950℃左右奧氏體化，邊推進邊加熱邊冷卻，推進速度（30±10）mm/min，加熱帶寬20～30mm，水溫控制在30℃左右，保持水壓0.2MPa左右，以保證冷卻速度。這樣的二次加熱必然會造成彎管與母管的組織不同。為了消除熱揻彎管時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，熱揻彎管制成后通常要進行一次整體回火，以消除應(yīng)力，穩(wěn)定組織。

直管從推制臺通過彎管機在母管待彎部位套上感應(yīng)圈，用機械旋轉(zhuǎn)臂卡住管頭，在感應(yīng)圈中通入中頻電流加熱母管，當(dāng)母管溫度加熱到塑性狀態(tài)，母管奧氏體化軟化時，液壓系統(tǒng)把母管往前推進進行彎制，彎制出來的彎管（這時是彎的）迅速噴水冷卻，這樣邊加熱，邊推制，邊彎制，邊冷卻，一環(huán)接一環(huán)，不斷把彎管推制出來。

2. 熱 彎管的推制工藝

熱揻彎管的推制工藝技術(shù)主要是控制彎曲角度、焊縫位置、推制速度、加熱溫度、冷卻速度等。彎曲角度由旋臂旋轉(zhuǎn)的角度來決定，可通過旋臂表盤讀數(shù)顯示。焊縫位置縱焊縫通常要求放置在中性面附近10?以內(nèi)，目視觀察及測量。推制速度由液壓系統(tǒng)控制勻速前進，彎管推制過程應(yīng)連續(xù)進行，不允許中斷。當(dāng)獲得需要的彎曲角度時停止彎制，但冷卻系統(tǒng)應(yīng)保持2min，確保加熱位置的溫度均勻下降。加熱溫度及加熱帶寬決定了彎管加熱溫度，加熱溫度由輸入功率、電流、電壓控制及監(jiān)測，測溫儀可以測量及監(jiān)控，加熱帶寬由電感應(yīng)加熱圈的寬度決定。冷卻速度由水溫、水壓、水量，以及噴嘴口的大小、位置、角度、距離等決定。

熱揻彎管推制工藝參數(shù)主要是彎曲角度、推制速度、加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。彎曲角度決定彎管形狀，而加熱溫

度、保溫時間、冷卻速度決定彎管內(nèi)部組織變化，連同隨后的回火工藝共同決定了彎管的最終組織及力學(xué)性能，其他過程參數(shù)、設(shè)備參數(shù)是直接或間接控制這5個重要工藝參數(shù)的指標。

熱揻彎管的推進速度通常為（30±10）mm/min，加熱帶寬20～30mm，利用純凈水作為冷卻介質(zhì)，噴嘴離感應(yīng)線圈中心線45°，噴水口的距離為16mm，水壓為0.15～0.20MPa。加熱溫度900～1150℃。具體的工藝參數(shù)的數(shù)值在彎管試制階段需要根據(jù)母管的化學(xué)成分，力學(xué)性能檢測結(jié)果，通過結(jié)合隨后的回火工藝，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計，匹配最適化達到彎管性能的最佳化來滿足相關(guān)技術(shù)標準和客戶的技術(shù)要求。

3. 熱 彎管的熱處理工藝

熱揻彎管母管材料通常采用低碳微合金鋼軋制，其組織通常是鐵素體和珠光體、粒狀貝氏體（高級鋼-控冷控軋），彎管二次加熱成奧氏體后噴水冷卻轉(zhuǎn)變成上貝氏體，少量粒狀貝氏體和少量馬氏體，高溫回火后馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體，其他轉(zhuǎn)變產(chǎn)物統(tǒng)稱回火貝氏體組織，表現(xiàn)在彎管的韌性與母管韌性相比將會有所降低。熱揻彎管的沖擊韌度與剪切力的依存關(guān)系和母管也有所不同，如何協(xié)調(diào)韌性指標的合理關(guān)系，提出嚴密性和自洽性的彎管技術(shù)條件標準有待試驗驗證和科學(xué)總結(jié)?？紤]到彎管與母管性能的差異，對于熱揻彎管的金相組織通常提出更高的晶粒度要求，即要求彎管的母管晶粒度高半級或高一個級別以策應(yīng)安全。

鋼板或鋼卷微合金化和控軋控冷，高頻焊管在線正火，去應(yīng)力退火，鋼管直接淬火+回火（通常適用于無縫鋼管），熱揻彎管的回火對于彎管成品的質(zhì)量提高起著非常重要的作用。彎管的熱處理應(yīng)用首先體現(xiàn)在從源頭控制入手，母管原材料的控冷控軋技術(shù)和低碳微合金化技術(shù)。

熱揻彎管由于進行加熱冷卻過程，組織轉(zhuǎn)變后的亞穩(wěn)組織對彎管的性能帶來不確定性，相關(guān)國際標準、國家標準及行業(yè)標準也強制要求熱揻彎管必須進行回火處理，以穩(wěn)定其力學(xué)性能。熱處理工藝通常對加熱速度、加熱溫度、保溫時間及冷卻速度提出規(guī)定要求，以使彎管達到熱處理技術(shù)要求，如金相組織、硬度、力學(xué)性能。根據(jù)爐型及彎管大小確定裝爐量及擺放方式，確定使用工裝也是熱處理工藝的一個重要內(nèi)容。

熱處理工藝的回火溫度與保溫時間是兩個重要而關(guān)鍵參數(shù)，在彎管試制階段，根據(jù)彎管母材的性能及彎管技術(shù)標準，需要通過與彎制推制工藝的不同組合，經(jīng)正交試驗，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。實際生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行，出現(xiàn)問題時查找原因，重新確認工藝的合理性。由于彎管使用場合及材質(zhì)不同，有時用戶也會提出加熱速度、冷卻速度方面的控制要求，以保證其使用性能。

制訂熱揻彎管熱處理工藝首先要對彎管母管的化學(xué)成分、工藝、組織、性能之間的關(guān)系有一個全面的了解，然后結(jié)合鋼種特點、設(shè)備條件、標準規(guī)定和用戶要求，再制訂合理的熱處理工藝制度。在生產(chǎn)過程中根據(jù)反饋的質(zhì)量信息不斷優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，既要保持工藝的相對穩(wěn)定，又要針對不同鋼種、不同規(guī)格產(chǎn)品制訂有針對性的詳細工藝，以提高產(chǎn)品合格率和內(nèi)在品質(zhì)，增加產(chǎn)量，降低成本，促進節(jié)能減排，這正是熱處理工作者永恒的課題。

4. 熱 彎管的質(zhì)量評定與質(zhì)量控制

熱揻彎管的質(zhì)量檢測內(nèi)容與直管的質(zhì)量評定一樣主要包括化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、金相組織檢查、晶粒度檢查、硬度試驗、無損檢測、水壓試驗、幾何尺寸和外觀質(zhì)量檢查，以及針對石油套管和螺紋的檢查、測量等。當(dāng)然由于彎管的特殊性，抽樣方法、取樣位置與直管也有不同，相關(guān)國際標準、國家標準及行業(yè)標準都作了明確規(guī)定。

熱揻彎管的化學(xué)成分檢驗和硬度檢驗及金相組織檢查既是對彎管力學(xué)性能的保證，也是彎管工藝性能的保證。彎管材質(zhì)化學(xué)成分檢測和維氏硬度試驗（標準通常規(guī)定硬度上限值）主要是對于焊縫鋼管制造和現(xiàn)場使用安裝中重要的焊接工序進行材質(zhì)保證，焊接冷裂紋敏感性與化學(xué)成分主要是含碳量或碳當(dāng)量和材料硬度有關(guān)。彎管金相組織進行低倍組織和高倍組織的檢查主要是檢查是否有組織缺陷，防止組織缺陷對于彎管性能的破壞作用。晶粒度檢查是彎管力學(xué)性能的基礎(chǔ)保證，晶粒過大、過粗，不僅直接影響彎管力學(xué)性能，還對彎管的制造過程產(chǎn)生不利的影響，甚至有可能在制造過程中直接失效。

熱揻彎管對裂紋缺陷是實行零缺陷管理。除彎管母管在線X射線自動拍照、渦流自動檢測、超聲波自動檢測外，母管彎制后還應(yīng)進行如下無損檢測以保證實際使用壽命：焊縫100%超聲波檢測；彎管端部50mm長度范圍內(nèi)用手動超聲波進行分層檢查；彎管坡口制備后應(yīng)對整個坡口面和管端50mm長度的焊縫進行磁粉檢測；每根彎管外弧250mm寬度范圍內(nèi)的母材應(yīng)在回火后采用手動超聲波檢測橫向裂紋缺陷，每根彎管整個外弧面母材應(yīng)進行磁粉檢測；管端剩磁檢測，剩磁超標的彎管要退磁處理；修磨部分應(yīng)進行磁粉檢測。

熱揻彎管的精整主要包括彎管的切斷、端面加工（管端車螺紋，倒坡口）、表面質(zhì)量和幾何尺寸的檢查（幾何尺寸精度主要指厚薄不均和橢圓度）、質(zhì)量檢驗、缺陷修磨和鋼種鑒定等工序。有特殊要求的彎管還需要經(jīng)過噴拋丸、機加工和防腐涂層處理等。全部合格的彎管經(jīng)過測長、稱重、噴印標簽后包裝入庫。

5. 熱 彎管力學(xué)性能

熱揻彎管除進行常規(guī)力學(xué)性能檢測外，根據(jù)使用條件和用戶要求，有些還需進行斷裂韌度試驗，以定量或半定量地評估彎管的安全性與使用壽命。對于油氣彎管輸送管還需要進行抗腐蝕性能試驗，必要時加涂防腐層，以防止應(yīng)力腐蝕造成的早期破壞。

熱揻彎管力學(xué)性能試驗依據(jù)國家標準制作標準試樣進行檢測。管線鋼管由于是鋼板卷軋制、卷管成形、彎管以及制造過程中鋼板內(nèi)外層冷卻速度不同，成分擴散速度不同導(dǎo)致組織分布不均勻，鋼管彎制成形時應(yīng)力分布不同，彎管推制時的內(nèi)外側(cè)受力不同，以及內(nèi)外層加熱速度加熱溫度冷卻速度不同，從而導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變不同，最終影響力學(xué)性能包括強度、韌性產(chǎn)生不均勻性，工業(yè)應(yīng)用中雖然關(guān)注到這點卻未充分研究這些差異。

為評價和保證彎管實際使用工況真實服役條件下的彎管整體質(zhì)量和工程結(jié)構(gòu)的安全性，彎管管體力學(xué)性能試驗是指直接用彎管實物模擬服役工況進行檢驗，主要有彎管液壓試驗（水壓試驗）檢驗彎管基體和焊縫的強度以及是否滲漏。彎管靜水壓爆破試驗（也可不爆破）主要測定彎管承壓過程中的變形情況、管體性能及斷裂擴展等。彎管管體拉伸試驗與常規(guī)的拉伸試驗基本原理相同，加載力根據(jù)鋼管管體大小需要調(diào)整。通常由于彎管的使用數(shù)量不多，這類試驗較少進行，甚至直管類采用實物模擬服役工況檢驗的也不多。

6. 結(jié)語

熱揻彎管從母管原材料的控制到生產(chǎn)制造全過程控制，以及交貨檢驗的工藝評審，都是為了保證制造出符合使用要求的合格管線彎管。為便于評定鋼管管線的合格與否，美國材料與試驗協(xié)會ASTM 總結(jié)制定了相關(guān)材料標準和制作過程規(guī)范，美國石油學(xué)會API 5L 也制定了石油管道的相關(guān)規(guī)范。參照國際標準，我國也制定和修定了對應(yīng)的國家標準、行業(yè)標準，如石化管線、石油管線、電力管線、壓力管道等相關(guān)標準或規(guī)范，這些標準的制定促進了行業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展。

根據(jù)彎管的使用場合及使用條件，依據(jù)國際標準主要是美國標準，以及我國國家標準與行業(yè)標準和客戶特殊要求，制成客戶技術(shù)要求規(guī)格書，以此為依據(jù)確定選材、工藝流程及過程參數(shù)，先進行彎管試驗試制，檢驗合格后進行工藝評審，經(jīng)用戶或監(jiān)理認可后制作生產(chǎn)工藝卡和檢測指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)生產(chǎn)和檢驗。

20150515

作者簡介：肖春景，番禺珠江鋼管有限公司五分廠，廠長；王陸軍，番禺珠江鋼管有限公司裝備工藝部，熱處理高級工程師。