冷卻速率對(duì)SEW管坯焊縫性能的影響研究*

何石磊,韋 奉,李遠(yuǎn)征,張 峰,梁 航,苑清英

（1.國家石油天然氣管材工程研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

冷卻速率對(duì)SEW管坯焊縫性能的影響研究*

何石磊1,2,韋 奉1,2,李遠(yuǎn)征1,2,張 峰1,2,梁 航1,2,苑清英1,2

（1.國家石油天然氣管材工程研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

為了研究不同冷卻速率對(duì)SEW管坯焊縫性能的影響規(guī)律，對(duì)兩種成分鋼管管坯在熱張減后不同冷卻速率下的管材力學(xué)性能和顯微組織，及管坯焊縫組織的優(yōu)化情況進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)HFW管坯進(jìn)行熱張力減徑后經(jīng)過12~18℃/s速率進(jìn)行冷卻處理，管材延伸率會(huì)降低7%，但屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度提升約30%和12%，可實(shí)現(xiàn)管材良好的強(qiáng)度和塑性配比。熱張力減徑后增加管坯冷卻速率，可細(xì)化焊縫及熱影響區(qū)晶粒尺寸，有效均勻化焊縫區(qū)域和母材的組織。

焊管；熱張力減徑；中頻感應(yīng)加熱；加速冷卻；熱影響區(qū)

Abstract:In order to study the influence rule of different cooling rate on SEW pipe billet weld performance,the mechanical properties and microstructure of pipe billet with two kinds of compositions under different cooling rate after hot stretch-reducing were studied respectively,as well as weld microstructure optimization of pipe billet.The study results indicated that after 12~18℃/s cooling process for HFW pipe billet,the elongation was reduced by 7%,but the yield strength and tensile strength of pipe billet was improved about 30%and 12%,it can realize good matching of strength and plasticity.Increasing the cooling rate of pipe billet after hot stretch-reducing can refine grains size of weld and HAZ,and effectively homogenize the microstructure of weld zone and base material.

Key words:welded pipe;hot stretch-reducing；medium-frequency induction heating；accelerated cooling;heat affected zone

隨著國內(nèi)油氣開采的主要區(qū)域從東部向西部轉(zhuǎn)移，易采油氣資源儲(chǔ)量減少，油氣井越來越深，工況越來越復(fù)雜，因此對(duì)油井管的質(zhì)量和性能提出了更高的要求[1-3]。石油管材作為油氣田開發(fā)的必要裝備和開采成本組成部分，如何在不增加成本或降低成本的情況下提高管材的綜合性能是石油管材產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到的主要問題?？刂栖堉坪涂刂评鋮s（TMCP）技術(shù)作為一種可有效提高鋼材綜合性能的生產(chǎn)方法，通過控制軋制工藝參數(shù)和冷卻制度，特別是控制軋后冷卻速率對(duì)相變溫度、鐵素體晶粒尺寸、位錯(cuò)密度及其后的碳化物沉淀過程的影響[4-6]，從而使材料獲得良好的強(qiáng)韌性配比，為提高石油管材的綜合性能提供了新思路。

SEW工藝是“HFW焊接成型+熱張力減徑工藝+全管體熱處理工藝”組合生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)稱，該工藝將無縫管生產(chǎn)工藝中的熱張力減徑工藝融合到HFW焊接鋼管生產(chǎn)過程中，不僅保留了HFW焊接鋼管管材內(nèi)在質(zhì)量好、管體尺寸精度高、高強(qiáng)高韌、抗擠毀強(qiáng)度高等特點(diǎn)，而且可顯著優(yōu)化焊縫的組織和性能，減小焊縫與母材的差異，使焊縫強(qiáng)度、韌性接近于母材的性能[7-9]，可較好地解決HFW焊管應(yīng)用于油氣開采行業(yè)所面臨的問題。

本研究通過對(duì)比分析兩種試驗(yàn)鋼在不同冷卻速率下管材力學(xué)性能、顯微組織，探討了SEW工藝對(duì)焊縫優(yōu)化情況，為進(jìn)一步優(yōu)化管材性能提供試驗(yàn)和技術(shù)理論支持。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為自主研發(fā)的兩種不同化學(xué)成分試驗(yàn)卷板，供貨狀態(tài)為熱軋，組織為鐵素體+珠光體組織，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)卷板的主要化學(xué)成分

生產(chǎn)線采用THERMATOOL高頻固態(tài)焊機(jī)以18 m/min進(jìn)行HFW焊接成型，分別將兩種試驗(yàn)卷板制成Φ193.7 mm×7.34 mm的試驗(yàn)管坯。將試驗(yàn)管坯以30℃/s的升溫速率采用中頻感應(yīng)全管體加熱至920~1 100℃后，采用德國KOCKS熱張力減徑機(jī)以28 m/min入口速度和36 m/min出口速度對(duì)管坯進(jìn)行熱張力減徑至Φ139.7 mm×7.72 mm。此時(shí)，管坯減徑量約28%（以管徑徑向尺寸的變化量表示）。之后在線空冷至800℃左右，再以12℃/s、15℃/s、18℃/s三種冷卻速率，對(duì)全管體進(jìn)行10 s的控制冷卻。三種冷卻速率下的管坯終冷溫度分別約為680℃、650℃和620℃。最后再將試驗(yàn)管坯經(jīng)過冷床空冷，降至室溫。

采用Zwick-1200拉力試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM E8標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)管坯進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。母材及焊縫金相試樣經(jīng)研磨拋光后，采用4%硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡和日立S3700N掃描電鏡上觀察顯微組織。加，兩種試制管坯的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有升高趨勢(shì)，基本呈線性規(guī)律變化。從圖2可以看出，熱張力減徑后兩種試制管坯的延伸率均呈下降趨勢(shì)。

圖1 不同冷卻速率下試制管坯的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷卻速率對(duì)管材力學(xué)性能的影響

圖1和圖2給出了熱張力減徑后不同冷卻速率下兩種成分試制管坯的力學(xué)性能和延伸率。從圖1可以看出，隨著熱張力減徑后冷卻速率的增

圖2 不同冷卻速率下試制管坯的延伸率

與空冷相比，兩種試制管坯隨著冷卻速率的增加，其屈服強(qiáng)度可增加10%~30%，抗拉強(qiáng)度可增加8%~12%，強(qiáng)度提升明顯；延伸率則隨著試制管坯含碳量的降低、冷卻速率的增加而減小，其中1#試制管坯的延伸率曲線的斜率大于2#試制管坯，這表明隨碳含量降低，卷板延伸率受冷卻速率的影響較明顯。這是因?yàn)樵诳焖倮鋮s過程中，增加奧氏體的過冷度，有效抑制了晶內(nèi)先共析鐵素體的析出，增加了組織中相應(yīng)珠光體體積分?jǐn)?shù)，有利于提高材料的強(qiáng)度但降低了材料塑性[9-11]，同時(shí)較多的晶界鐵素體的析出也不利于材料的塑性。

2.2 冷卻速率對(duì)顯微組織的影響

圖3和圖4為兩種成分試制管坯在不同冷卻速率下的顯微組織形貌?？梢詮膱D3和圖4看出，在空冷條件下，兩種試驗(yàn)鋼的組織均為多邊形鐵素體和珠光體，帶狀組織明顯。在快速冷卻過程中，隨著鋼含碳量的降低，同時(shí)添加極少量的微合金化元素，2#試制管坯的晶粒細(xì)化及均勻化的效果明顯優(yōu)于1#試制管坯。對(duì)于同一種成分鋼管，隨著冷卻速率的增加，珠光體體積分?jǐn)?shù)逐漸增多，同時(shí)鐵素體尺寸減小，特別是在高冷卻速度下鋼管可獲得較低終冷溫度，產(chǎn)生了少量的塊狀鐵素體和魏氏體鐵素體，這是因?yàn)樵谛巫兒驮黾永鋮s速率雙重作用下可提高奧氏體的過冷度，對(duì)C、Mn等合金元素的擴(kuò)散進(jìn)行了有效抑制，從而使得過冷奧氏體發(fā)生偽珠光體轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲得大量的“偽珠光體組織”[5,11]，同時(shí)還有效抑制了帶狀組織。

圖3 1#試制管坯不同冷卻速率下的金相組織

2.3 控制冷卻對(duì)焊縫組織的優(yōu)化作用

圖5為2#試制管坯分別經(jīng)空冷和加速冷卻后焊縫區(qū)域顯微組織低倍對(duì)比。從圖5中可以看出，空冷后焊縫區(qū)域存在明顯的焊縫流線和熱影響區(qū)；加速冷卻后焊縫區(qū)域的焊縫流線和熱影響區(qū)不明顯，焊縫區(qū)域組織明顯比空冷后組織尺寸細(xì)小。

圖4 2#試制管坯不同冷卻速率下的金相組織

圖5 2#試制管坯不同冷卻速率下焊縫區(qū)域的金相組織

圖6和圖7為2#試制管坯在空冷和12℃/s速率冷卻后焊縫、熱影響區(qū)與母材位置顯微組織。通過分析發(fā)現(xiàn)，空冷后焊縫、母材位置的鐵素體尺寸基本與原始尺寸相近，為10 μm左右，熱影響區(qū)鐵素體晶粒尺寸粗大，為15~20 μm。焊縫區(qū)域和母材顯微組織為鐵素體+少量珠光體，在熱影響區(qū)和母材位置可觀察到明顯的帶狀組織，珠光體呈現(xiàn)帶狀分布，珠光體區(qū)域尺寸相對(duì)較大，并且存在少量的混晶現(xiàn)象。加速冷卻后焊縫中心位置鐵素體尺寸顯著的得到細(xì)化，尺寸為6~8 μm，熱影響區(qū)和母材位置的鐵素體尺寸相近，為10 μm左右。焊縫區(qū)域和母材顯微組織仍為鐵素體+珠光體，在熱影響區(qū)和母材位置組織比較均勻一致，未出現(xiàn)空冷后明顯的帶狀現(xiàn)象，并且珠光體區(qū)尺寸細(xì)小。

圖6 2#試制管坯空冷后的金相組織

圖7 2#試制管坯以12℃/s冷卻速率冷卻后的金相組織

在組織相變過程中，空冷時(shí)因緩慢冷卻使析出的Nb、V、Ti碳化物量較少，對(duì)鐵素體組織尺寸和珠光體區(qū)的細(xì)化作用有限，從而對(duì)焊縫區(qū)域組織細(xì)化不明顯（見圖6）。加速冷卻時(shí)奧氏體過冷度增加，在奧氏體中析出相對(duì)空冷多的Nb、V、Ti碳化物量，對(duì)鐵素體組織尺寸和珠光體區(qū)的細(xì)化作用相對(duì)明顯[12-15]，因而熱影響區(qū)組織得到細(xì)化（見圖7）。由于管坯冷卻速率的差異，造成了兩種狀態(tài)下焊縫區(qū)域和母材的組織尺寸不同?？梢?，熱變形后增加管坯冷卻速率，實(shí)現(xiàn)了焊縫區(qū)域組織細(xì)化，減少了焊縫中心和熱影響區(qū)的差異，達(dá)到了優(yōu)化焊縫區(qū)域組織的目的。

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)熱張力減徑和不同加速冷卻后，兩種試制管坯的延伸率分別最多降低3%和7%，而屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度可分別提升10%~30%和8%~12%，實(shí)現(xiàn)了管材良好的強(qiáng)度和塑性配比。

（2）經(jīng)熱張力減徑后增大管坯的冷卻速率，可抑制先共析鐵素體析出、細(xì)化晶粒并提高珠光體體積分?jǐn)?shù)的效果較為明顯，同時(shí)有效抑制了帶狀偏析。在相同的工藝下，適當(dāng)降低含碳量，添加極少量的微合金化元素，對(duì)提升管材綜合性能更為顯著。

（3）在熱張力減徑后采用控制冷卻工藝增加管坯冷卻速率，可細(xì)化焊縫區(qū)域組織，減少焊縫中心和熱影響區(qū)的差異，優(yōu)化焊縫區(qū)域組織。

[1]楊秀琴.中國油井管的供求現(xiàn)狀與發(fā)展[J].金屬世界,2012（3）:1-10.

[2]李鶴林,韓禮紅.芻議我國油井管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[J].焊管,2009,32（4）:5-10.

[3]李鶴林,田偉,鄺獻(xiàn)任.油井管供需形勢(shì)分析與對(duì)策[J].鋼管,2010（1）:1-7.

[4]李遠(yuǎn)征，劉清友，賈書君，等.軋制工藝對(duì)中碳錳鋼的組織影響[J].材料熱處理技術(shù)，2011，40（12）：61-66.

[5]王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[6]田鵬，惠衛(wèi)軍，聶朝胤，等.中碳鋼在快冷過程中的組織演變[J].金屬熱處理，2009，34（8）：69-72.

[7]王軍,畢宗岳,張峰,等.SEW石油套管的開發(fā)[J].鋼管,2013（6）:39-45.

[8]何石磊,白鶴,張峰,等.HFW焊縫性能優(yōu)化工藝研究[J].焊管,2013,36（12）:39-44.

[9]畢宗岳,韋奉,王濤,等.快冷對(duì)中低碳鋼SEW管材組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2014（S1）:39-44.

[10]寧保群,劉永長,徐榮雷,等.形變熱處理對(duì)T91鋼組織和性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào),2008（2）:191-196.

[11]康煜平.金屬固態(tài)相變及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[12]余偉,陳雨來,陳銀莉,等.N80級(jí)石油套管在線形變熱處理工藝[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002（6）:643-646.

[13]林里.熱處理工藝對(duì)HFW焊縫顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].焊管,2012,35（6）:63-68.

[14]毛新平.薄板坯連鑄連軋微合金化技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[15]朱明原,魯澤凡,黃飛等.第二相粒子對(duì)V-Ti微合金油井管鋼力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理,2011（12）:70-73.

Research on Influence of Cooling Rate on SEW Pipe Billet Weld Performance

HE Shilei1,2,WEI Feng1,2,LI Yuanzheng1,2,ZHANG Feng1,2,LIANG Hang1,2,YUAN Qingying1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TG456

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.003

2017-02-03

編輯：張 歌

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“高性能SEW膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)2015KTCL01-15）。

何石磊（1983—），男，碩士，目前主要從事油井管的工藝研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作。