X70級(jí)HFW焊管在線中頻感應(yīng)熱處理工藝研究

顧亞光，張榮勝,2

（1.番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港222066；2.連云港市高性能能源管材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港222066）

X70級(jí)HFW焊管在線中頻感應(yīng)熱處理工藝研究

顧亞光1，張榮勝1,2

（1.番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港222066；2.連云港市高性能能源管材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港222066）

為了探究X70級(jí)HFW焊管在線中頻感應(yīng)熱處理工藝，通過采用不同的焊后在線正火熱處理工藝方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，比對(duì)了X70級(jí)HFW焊管熱處理后組織與性能的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，中頻感應(yīng)加熱正火溫度和加熱保溫時(shí)間對(duì)焊接區(qū)的金相組織和性能有顯著影響；910℃保溫17 s、950℃不保溫正火后，焊接區(qū)有硬質(zhì)相組織，焊縫抗拉強(qiáng)度高，但塑性韌性低；980℃正火后，金相組織粗大，焊縫抗拉強(qiáng)度降低；950℃保溫17 s正火后，金相組織為均勻細(xì)小的F+P，焊縫塑性韌性提高。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用950℃正火，在此溫度下適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)正火保溫時(shí)間，能夠獲得良好的金相組織和綜合力學(xué)性能。

X70；HFW焊管；在線熱處理；組織；力學(xué)性能

Abstract:In order to explore on-line mid-frequency induction heat treatment process of X70 HFW pipe，in this article，it conducted tests through adopting different online normalizing heat treatment process after welding,and compared the microstructure and properties change of X70 HFW pipe after heat treatment.The results showed that the normalizing temperature and heat preservation obviously affect the metallographic structure and properties of welding zone.After heat preservation for 17 s at 910℃or normalizing at 950℃without heat preservation，the hard phase microstructure appeared in welding area，the tensile strength of weld was high，and the plasticity and toughness were low.After normalizing at 980℃，the metallographic structure became coarse，and the tensile strength of weld decreased.After normalizing with heat preservation for 17 s at 950℃，the metallographic structure composed of even and fine F+P，and the plasticity and toughness of weld increased.The test results indicated that normalizing at 950℃with suitably prolonged heat preservation duration will achieve good metallographic structure and comprehensive mechanical properties.

Key words:X70 steel grade;HFW pipe；on-line heat treatment；microstructure；mechanical property

隨著流體輸送技術(shù)的發(fā)展，管道運(yùn)輸成本低廉、效率高，焊管的應(yīng)用也越來越多。相對(duì)于埋弧焊管，直縫高頻焊管（以下簡(jiǎn)稱HFW焊管）由于生產(chǎn)效率高、成本低，因此，被廣泛應(yīng)用于石油和天然氣輸送領(lǐng)域[1]。HFW焊管的焊縫及熱影響區(qū)是整個(gè)焊管質(zhì)量的最關(guān)鍵部位[2]，焊后熱處理工藝可使焊縫組織奧氏體化，得到晶粒較細(xì)的F（鐵素體）+P（珠光體）組織，使焊縫與母材組織相近[3-5]。本研究通過采用不同的焊后在線正火熱處理工藝方案，對(duì)比X70級(jí)HFW焊管熱處理后組織與性能的變化情況，研究X70級(jí)HFW焊管在線中頻感應(yīng)熱處理工藝。

1 試驗(yàn)及實(shí)施

1.1 生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)設(shè)備

本項(xiàng)目以番禺珠江鋼管（連云港）有限公司為國(guó)外某客戶生產(chǎn)的Φ323.9 mm×6.4 mm X70 HFW焊管為試驗(yàn)對(duì)象，執(zhí)行API 5L 45th標(biāo)準(zhǔn)[6]。

工藝流程：上料→銑邊→在線板探→粗成型→精成型→高頻焊接→刮內(nèi)外毛刺→在線管探→中頻熱處理→空冷→水冷→定徑→飛鋸鋸切→取樣。

生產(chǎn)設(shè)備：銑邊機(jī)，COE直縫焊管成型機(jī)組，易孚迪1 500 kW、160～240 kHz高頻焊機(jī)1臺(tái)及500～960 kW、1.4 kHz中頻熱處理機(jī)3臺(tái)。

1.2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)焊接熱處理速度14 m/min，焊接溫度 1 350～1 450 ℃，焊接頻率 184.1～184.5 kHz，焊接開口角4°～5°，焊接擠壓量4.5～5 mm，空冷速度101～110℃/min，水冷前溫度＜300℃，水冷后溫度＜50℃，定徑壓縮量5～6 mm。

焊后熱處理工藝?yán)?～3臺(tái)中頻熱處理感應(yīng)器、在線空冷段和水冷段對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行正火熱處理，單臺(tái)中頻感應(yīng)器有效長(zhǎng)度4 m，每2臺(tái)中頻感應(yīng)器之間間距1 m，第3臺(tái)中頻感應(yīng)器后空冷段長(zhǎng)度99 m。通過第1臺(tái)感應(yīng)器即可將焊縫溫度加熱到居里點(diǎn)溫度附近，第2臺(tái)和第3臺(tái)感應(yīng)器將焊縫在壁厚方向溫度加熱至均勻并獲得需要的正火溫度，每臺(tái)感應(yīng)器上自帶的紅外線光纖測(cè)溫儀測(cè)量并自動(dòng)控制熱處理溫度（測(cè)量誤差±15℃）。通過設(shè)定溫度和開啟感應(yīng)器臺(tái)數(shù)來控制焊縫正火溫度和保溫時(shí)間。4種方案熱處理參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用4種熱處理方案

1.3 試驗(yàn)材料

本項(xiàng)目試驗(yàn)原材料選用首鋼（遷安）生產(chǎn)的X70M 1 015 mm×6.4 mm熱軋卷板，要求具有良好的焊接性、抗延性斷裂以及抗應(yīng)力腐蝕等性能，鋼材為氧堿性轉(zhuǎn)爐或電爐工藝冶煉的細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼。原材料復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3。

表2 X70M熱軋卷板化學(xué)成分%

表3 X70M熱軋卷板力學(xué)性能

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

采用上述4種方案對(duì)試驗(yàn)鋼管進(jìn)行焊縫在線中頻感應(yīng)加熱正火熱處理。按照API 5L 45th對(duì)高頻焊接后未熱處理鋼管及4種方案處理后的試驗(yàn)管分別取樣進(jìn)行壓扁試驗(yàn)、管體及焊縫拉伸試驗(yàn)、焊縫V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)以及焊縫金相檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫組織及力學(xué)性能

原材料為X70M熱軋卷，屬于高級(jí)別管線鋼，熱軋后組織為F（鐵素體）+P（珠光體），平均晶粒度為12.5級(jí)，成型焊接后母材（管體）組織無變化。高頻焊接后，熔合區(qū)寬度約0.12 mm，顯微組織為M（馬氏體）+B（貝氏體）+F；熱影響區(qū)寬度約2.5～3 mm，顯微組織為M+B+F。高頻焊接時(shí)，在鋼板邊緣產(chǎn)生熔融并被擠壓形成焊縫過程中，受噴水冷卻，由熔融態(tài)凝固結(jié)晶并快速冷卻相變?yōu)轳R氏體，水冷時(shí)冷速在焊縫外表面最大，焊縫內(nèi)表面冷速通過熱傳遞過程稍慢，形成部分B組織，因M組織較多，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度很高，但塑性韌性很低，焊后焊縫Rm=685 MPa，比母材高45 MPa，沖擊性能極低，只有3～6 J。試樣金相組織如圖1所示。

圖1 試樣金相組織

2.2 熱處理后焊縫組織及力學(xué)性能

4種方案在線熱處理后，試樣焊縫金相組織如圖2所示。采用方案1、方案2獲得的熱處理后焊縫熔合線和熱影響區(qū)組織均為B+F+P[7]，晶粒度級(jí)別均為11級(jí)；通過提高熱處理溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，采用方案3、方案4獲得的熱處理后焊縫熔合線和熱影響區(qū)組織為均勻F+P，方案3晶粒度級(jí)別為11.5級(jí)，方案4晶粒度級(jí)別為9.5級(jí)。

在線焊縫正火熱處理使用中頻感應(yīng)加熱，電源頻率合適，輸出功率充足，能將焊縫快速加熱到需要的熱處理溫度。常規(guī)正火熱處理溫度一般選用Ac3+（50～100）℃，HFW在線熱處理通過中頻感應(yīng)加熱發(fā)生奧氏體化，然后迅速進(jìn)入空冷段發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變[8]，即A→F+P，F(xiàn)晶粒大小與本質(zhì)奧氏體晶粒大小有關(guān)。在焊接速度已定的情況下，通過設(shè)定第2臺(tái)感應(yīng)器加熱溫度來達(dá)到熱處理溫度，通過第3臺(tái)感應(yīng)器來適當(dāng)延長(zhǎng)正火保溫時(shí)間。

方案1中焊縫被快速加熱至910℃奧氏體化溫度，然后保溫17 s；方案2中焊縫被快速加熱至950℃進(jìn)行奧氏體化轉(zhuǎn)變。方案1由于轉(zhuǎn)變溫度較低，組織轉(zhuǎn)變速度較慢，組織轉(zhuǎn)變未完全奧氏體化。方案2提高轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變速度加快，但由于保溫時(shí)間過短，組織轉(zhuǎn)變未完全奧氏體化[9]，但隨著溫度升高，轉(zhuǎn)變速度加快，所以熱處理后方案2中B組織含量減少。表4為壓扁試驗(yàn)結(jié)果，表5為0℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果，表6為管體/焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由表4～表6可以看出，方案1、方案2的焊縫壓扁結(jié)果不理想，焊縫抗拉強(qiáng)度高，但塑性韌性低。

圖2 4種在線熱處理后焊縫金相組織

正火溫度提高至950℃并適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，提高了奧氏體化轉(zhuǎn)變速度和確保組織完全奧氏體化，奧氏體晶粒細(xì)化正常，當(dāng)溫度提高至980℃，超過了奧氏體正常長(zhǎng)大臨界點(diǎn)[10]，奧氏體晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大，晶粒隨溫度升高長(zhǎng)大，隨后空冷相變導(dǎo)致F晶粒更粗大。

表4 壓扁試驗(yàn)結(jié)果

表5 0℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果（試樣尺寸5 mm×10 mm×55 mm）

表6 管體/焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

方案1和方案2由于組織中存在部分硬質(zhì)相B，壓扁結(jié)果不理想，抗拉強(qiáng)度高，沖擊韌性低；隨著方案3熱處理溫度升高，組織轉(zhuǎn)變完全，焊縫塑性韌性提高，相對(duì)于方案1、方案2焊縫抗拉強(qiáng)度降低了20～30 MPa，焊縫沖擊功提高33～39 J；方案4由于F晶粒粗大，強(qiáng)度降低，造成焊縫抗拉強(qiáng)度不合格（表6）。因此批量生產(chǎn)X70M鋼級(jí)HFW焊管時(shí)，在線正火熱處理采用方案3，在950℃進(jìn)行正火熱處理，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）HFW焊管焊后焊縫組織以M+B等硬質(zhì)相居多，焊縫抗拉強(qiáng)度很高，但塑性韌性很低，沖擊性能極低。

（2）910℃正火溫度偏低，保溫時(shí)間不足時(shí)，未能實(shí)現(xiàn)焊縫組織完全F+P轉(zhuǎn)變，造成金相組織和力學(xué)性能差異。

（3）X70M管線鋼焊縫熱處理加熱溫度約為950℃，在此溫度下適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)正火保溫時(shí)間，能夠獲得良好的金相組織和綜合力學(xué)性能。

（4）當(dāng)熱處理溫度升至980℃時(shí)，奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致隨后空冷相變F晶粒更粗大，晶粒組織級(jí)別相比于950℃降低2級(jí)，焊縫抗拉強(qiáng)度降低。

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編輯：李紅麗

X70 Grade HFW Pipe On-line Mid-frequency Induction Heat Treatment Process Research

GU Yaguang1，ZHANG Rongsheng1,2
（1.Panyu Chu kong（Lianyungang）Steel Pipe Co.,Ltd.,Lianyungang 222066，Jiangsu，China；2.Lianyungang high-performance Energy Tubular Goods key laboratory，Lianyungang 222066，Jiangsu，China）

TG162.84

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.011

2017-01-19

作者介紹：顧亞光（1985—），男，工藝員，主要從事焊管技術(shù)管理工作。