大直徑薄壁不銹鋼焊管固溶處理加熱方法探討

劉明洲，劉憲坤，吉 海，許全光

（1. 浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313009；2. 浙江省核電用高性能管材成形工程技術(shù)研究中心，浙江 湖州 313009）

不銹鋼焊管具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，廣泛用于不同工業(yè)項(xiàng)目。但是，隨著項(xiàng)目和設(shè)備的大型化發(fā)展，要求不銹鋼焊管的直徑越來(lái)越大，使用不銹鋼焊管主要是看重其耐腐蝕性能，通常管道設(shè)計(jì)的壓力不高；因此，相對(duì)而言其壁徑比較小。焊接不銹鋼焊管時(shí)，其焊縫和熱影響區(qū)容易析出有害相和產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道耐腐蝕性能降低；同時(shí)鋼板成型為鋼管的過(guò)程中易存在殘余應(yīng)力和冷加工硬化［1-6］。為了保證不銹鋼焊管產(chǎn)品的使用性能，焊后需要進(jìn)行熱處理，其目的是重新分解焊接導(dǎo)致的焊縫和熱影響區(qū)析出的有害相，消除冷成型和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和加工硬化。

由于不銹鋼固有的物理特性，如熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)大、不同溫度下強(qiáng)度差異大等，同時(shí)不銹鋼焊管熱處理工藝要求溫度高，并且需要快速加熱和急速冷卻，這些因素導(dǎo)致大直徑薄壁不銹鋼焊管在熱處理過(guò)程中非常容易變形，如果熱處理方式選擇不當(dāng)，不但不能提高產(chǎn)品的性能，反而會(huì)使其性能變得更差，給現(xiàn)場(chǎng)施工和管道使用壽命造成很大的影響。

不銹鋼焊管焊后熱處理的加熱方式主要有燃?xì)饧訜?、電阻加熱和感?yīng)加熱3 種形式?，F(xiàn)對(duì)比3 種不同熱處理加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，得出適合的固溶處理加熱方式，并給出加熱時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 不銹鋼物理特性

評(píng)價(jià)不銹鋼冷、熱加工特性的參數(shù)主要是線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和強(qiáng)度。奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)比碳鋼約大50%，熱導(dǎo)率卻只有碳鋼的1/2 左右，室溫強(qiáng)度與高溫強(qiáng)度相差很大。以316 不銹鋼為例，其0~816 ℃時(shí)的平均線膨脹系數(shù)為20×10-6℃-1，500 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率為21.48 W/（m·K）［7］，27 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度約為579 MPa，1 038 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度約為39 MPa。不銹鋼固有的特性導(dǎo)致不銹鋼焊管在焊接和熱處理過(guò)程中容易發(fā)生變形，尤其是對(duì)于大直徑薄壁不銹鋼焊管（直徑D≥168.3 mm，壁徑比S/D≤3%［8］）來(lái)說(shuō)，過(guò)大的變形給熱處理后的整形造成很大困難，不但效率低，而且還增加了成品焊管的殘余應(yīng)力。

2 不銹鋼固溶熱處理

根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)、牌號(hào)和目的，不銹鋼采用的熱處理工藝不同。奧氏體不銹鋼常采用的熱處理有固溶處理、穩(wěn)定化處理、去應(yīng)力處理等，但不銹鋼焊后主要進(jìn)行固溶處理。

2.1 固溶處理

工業(yè)用奧氏體不銹鋼焊管的固溶處理是將焊管加熱到固溶溫度，保溫一段時(shí)間后再快速冷卻的一種工藝。固溶處理的主要目的是使焊縫和熱影響區(qū)的有害析出物重新固溶到基體組織中，有害析出物主要有（FeCr）23C6和σ 相，固溶后的金相組織為奧氏體+少量δ 鐵素體，并且充分地消除應(yīng)力和冷加工硬化的影響，以此保證產(chǎn)品的機(jī)械性能和耐腐蝕性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)要求。

不銹鋼焊管的固溶處理溫度高，300 系列奧氏體不銹鋼焊管的固溶處理溫度≥1 040 ℃，熱處理后直接采取水冷或其他方式快速冷卻［9-11］，加熱和冷卻時(shí)大直徑不銹鋼焊管不同部位的溫度有差異，管子很容易發(fā)生變形，尤其是薄壁管。

2.2 工藝要求

為了防止在加熱和冷卻過(guò)程中析出有害相，要求對(duì)不銹鋼焊管快速加熱和冷卻，特別是對(duì)于超級(jí)奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼材料，要求爐溫達(dá)到工藝溫度并且保溫一定時(shí)間后直接把管子放入爐中進(jìn)行加熱，保證管子具有較高的升溫速率，待管體達(dá)到工藝溫度且保溫一定時(shí)間后出爐直接水冷，并且入水前管體溫度不能下降太多，因此需要嚴(yán)格控制從出爐到入水冷卻的距離和時(shí)間。例如，挪威國(guó)家石油標(biāo)準(zhǔn)NORSOK M-650［12］中明確規(guī)定，固溶處理超級(jí)奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼時(shí)，管子從出爐到入水冷卻的時(shí)間要控制在1 min 內(nèi)。不銹鋼焊管焊后固溶處理溫度-時(shí)間關(guān)系如圖1 所示。

圖1 不銹鋼焊管焊后固溶處理溫度-時(shí)間關(guān)系

為了滿(mǎn)足工藝要求，選擇熱處理方式時(shí)需要考慮以下兩點(diǎn)：①盡量縮短0~t1加熱時(shí)間段和t2~t3冷卻時(shí)間段，特別是停留在T2~T3敏化溫度區(qū)間的時(shí)間；②在保溫時(shí)間段內(nèi)，鋼管不同位置的溫度都要在工藝溫度范圍，并且溫度差異盡量小。

3 熱處理加熱方式

通常，工業(yè)用不銹鋼焊管的直徑大、壁厚薄，大部分的壁徑比S/D≤3%，單支長(zhǎng)度一般為6 m或12 m，隨著企業(yè)制造能力的提高，為了減少現(xiàn)場(chǎng)施工量，目前以12 m/支交貨為主。采用不同的熱處理加熱方式時(shí)，同規(guī)格、同牌號(hào)的不銹鋼焊管的加熱時(shí)間相差很大，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，加熱和冷卻過(guò)程中不同部位的溫差就越大，其變形量也越大。

3.1 燃?xì)饧訜?/h3>

燃?xì)饧訜嵬ǔ２捎孟涫綘t，燃?xì)鈴臓t膛不同位置進(jìn)入并燃燒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐膛和爐內(nèi)焊管的加熱，爐內(nèi)焊管達(dá)到工藝溫度后進(jìn)行保溫，保溫結(jié)束立即出爐水冷。箱式燃?xì)鉅t結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 箱式燃?xì)鉅t結(jié)構(gòu)示意

采用燃?xì)饧訜岱绞綍r(shí)，管子是水平放入箱式爐爐膛中的，大直徑薄壁不銹鋼焊管的變形大，熱處理后整形困難，整形時(shí)又會(huì)增加其應(yīng)力；此外，開(kāi)爐前必須提前對(duì)爐膛進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，小批量生產(chǎn)的成本高。因此，燃?xì)饧訜岱绞讲贿m合大直徑薄壁不銹鋼焊管的固溶處理，但較適合穩(wěn)定化熱處理或消除應(yīng)力處理。

3.2 電阻加熱

為了減少管子變形，并避免燃?xì)饧訜釋?duì)材料性能的影響，可以采用井式電阻爐進(jìn)行加熱。井式電阻爐中，電阻絲布置在整個(gè)爐膛內(nèi)壁，利用電阻熱來(lái)加熱爐膛和管子。井式電阻爐結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井式電阻爐結(jié)構(gòu)示意

采用井式電阻爐加熱時(shí)，由于焊管是垂直放入爐中，焊管的熱處理變形??；加熱后的管子從爐中先提起，再移到冷卻水池上方，隨后慢慢放入水池中冷卻，整個(gè)過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是單支長(zhǎng)度∧6 m 的管子，管子上端最先出爐，但卻是最后入水冷卻的，入水時(shí)管子上端溫度降低較多。

電阻加熱方式的熱處理，開(kāi)爐前也必須提前預(yù)熱，預(yù)熱和加熱時(shí)間長(zhǎng)；在熱處理加熱過(guò)程中，焊管不同部位升溫速率不一樣，不適合用于交貨長(zhǎng)度∧6 m/支的不銹鋼焊管的固溶處理。

3.3 感應(yīng)加熱

感應(yīng)熱處理的基本原理是將工件放入感應(yīng)線圈內(nèi)，感應(yīng)線圈中通入一定頻率的交變電流時(shí)，周?chē)串a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流，電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而?shí)現(xiàn)焊管加熱。感應(yīng)加熱爐結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

在管理之前，有三張藥方在聯(lián)合用藥方面使用不合理。三張藥方重復(fù)使用了藥物，有五張藥方不合理的使用了抗生素，還有三張時(shí)由于給藥的方法不正確。進(jìn)行合理的管理之后，有一張藥方在聯(lián)合用藥方面使用不合理。一張藥方重復(fù)使用了藥物，有一張藥方不合理的使用了抗生素，還有一張時(shí)由于給藥的方法不正確。使用管理方法之后合理使用藥物的概率從81.33%提升到了93.33%。差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

圖4 感應(yīng)加熱爐結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)焦耳定律可知，電流通過(guò)回路的一段時(shí)間內(nèi)電阻所消耗的功率轉(zhuǎn)變成的熱量Q=I2Rt。其中，I 為感應(yīng)電流，R 為回路電阻，t 為加熱時(shí)間。奧氏體不銹鋼的電阻率約為碳鋼的5 倍，因此感應(yīng)加熱速度快，而且容易控制，可以縮短加熱時(shí)間。

焊管采用旋轉(zhuǎn)前進(jìn)方式通過(guò)感應(yīng)線圈，整個(gè)截面溫度均勻，可以很好地控制變形量，管子達(dá)到工藝溫度并保溫一定時(shí)間后立即入水冷卻。冷卻裝置采用環(huán)形噴淋圈，其各噴水孔以一定的角度傾斜，以保證冷卻水不會(huì)流入感應(yīng)線圈和影響紅外測(cè)溫儀對(duì)溫度的測(cè)量。環(huán)形噴淋圈可設(shè)計(jì)成單環(huán)多孔多角度或多環(huán)多孔多角度的形式，水流最終噴向指定的區(qū)域。因?yàn)樗鲊娤蚝腹苡幸欢ǖ慕嵌群途嚯x，為使焊管離開(kāi)感應(yīng)線圈后盡可能快地得到冷卻，噴淋圈與爐體出口距離可以根據(jù)管子實(shí)際前進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保管子出爐后在1 min 內(nèi)開(kāi)始噴淋冷卻。噴淋冷卻使焊管整個(gè)截面同時(shí)冷卻，溫度基本一致，進(jìn)一步控制了焊管的變形量。與前兩種加熱和冷卻方式相比，感應(yīng)加熱及其采取的噴淋冷卻形式可以使焊管在敏化溫度區(qū)間的時(shí)間最短，冷卻速率最快。

感應(yīng)加熱的主要參數(shù)為電源功率、電源頻率、感應(yīng)線圈匝間間隙、感應(yīng)線圈與焊管的間隙［13］。

（1） 電源功率P 可按公式（1）計(jì)算［14］：

式中 c —— 材料的平均比熱容，kJ/（kg·℃）；

T0—— 初始溫度（環(huán)境溫度），℃；

M —— 焊管質(zhì)量，kg；

η —— 電源效率，s。

（2） 電源頻率f 直接影響感應(yīng)加熱過(guò)程中的集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量主要集中在電流透入深度里，電源頻率與電流透入深度可按公式（2）進(jìn)行計(jì)算［15］：

式中 δ —— 電流透入深度，m；

ρ——導(dǎo)體材料的電阻率，Ω·m；

μ —— 導(dǎo)體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m。

（3） 感應(yīng)線圈匝間間隙關(guān)系到功率密度，不銹鋼固溶處理時(shí)需要快速?gòu)氖覝厣焦に嚋囟龋虼思訜岫蔚脑验g間隙較小，保溫區(qū)域只需要補(bǔ)償熱量輻射帶來(lái)的損失，因此保溫段的匝間間隙較大。

（4） 感應(yīng)線圈與焊管的間隙為30~50 mm。通常，感應(yīng)加熱線圈是在焊管外面，如果焊管材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，材料為非磁性材料，加上管體在熱處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定變形，該間隙可取上限；如果材質(zhì)為雙相不銹鋼，該間隙可取下限；當(dāng)電源功率較大，焊管壁厚較大，為了增加電流透入深度δ，該間隙也可以適當(dāng)再取大一些。

此外，感應(yīng)加熱用的是敞開(kāi)式爐體，其保溫效果相對(duì)較差，焊管通過(guò)爐膛時(shí)不能停止，工藝溫度下的保溫時(shí)間短，而且感應(yīng)加熱具有以下兩個(gè)特性，需要采取對(duì)應(yīng)措施：①集膚效應(yīng)，感應(yīng)線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在導(dǎo)體中感應(yīng)出渦旋電場(chǎng)，導(dǎo)致渦旋電流的產(chǎn)生，渦旋電流的分布是不均勻的，越往表面其密度越大，產(chǎn)生的熱量也越多，對(duì)于壁厚∧20 mm 的焊管，其內(nèi)壁溫度要靠熱傳導(dǎo)達(dá)到工藝溫度，因此需要較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，可采用雙爐體或其他的方式來(lái)延長(zhǎng)保溫時(shí)間；②端部效應(yīng)，采用平板單支成型制造的焊管通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)，其頭尾電流密度會(huì)較大，這使得焊管端部的溫度比中間的溫度高，易導(dǎo)致端部燒損，可采用增加引管和自動(dòng)控制輸出功率的辦法來(lái)降低端部效應(yīng)的影響。

3.4 加熱方式對(duì)比

選擇加熱方式必須優(yōu)先考慮產(chǎn)品性能，其次是經(jīng)濟(jì)效益。上述3 種加熱方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其中感應(yīng)加熱由于加熱速度快，加熱和冷卻過(guò)程中對(duì)不銹鋼性能負(fù)面影響小，尤其是大直徑薄壁管變形小，并且適合用于鋼帶連續(xù)生產(chǎn)焊管的在線熱處理，因此比其他兩種方式更加適合大直徑薄壁不銹鋼焊管的固溶處理。

固溶處理是不銹鋼焊管生產(chǎn)工藝中的一道特殊工序，加熱方式的選擇需要同時(shí)考慮整形、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、批量制造等綜合影響因素。不同加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

大直徑薄壁不銹鋼焊管的焊后固溶處理宜采用感應(yīng)加熱方式，該加熱方式可以很好地控制因熱處理導(dǎo)致的變形；感應(yīng)加熱方式的加熱時(shí)間最短，冷卻速度最快，能減少熱處理對(duì)金相組織的負(fù)面影響，防止有害相的二次析出。針對(duì)壁厚≥20 mm 的不銹鋼焊管感應(yīng)加熱內(nèi)、外溫差大的問(wèn)題，建議采取延長(zhǎng)保溫時(shí)間的方法。建議后續(xù)對(duì)減少感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)和端部效應(yīng)的措施進(jìn)行研究，以擴(kuò)大感應(yīng)加熱方式的適用范圍，并完善熱處理工藝。