彎管熱煨過程中的工藝問題探討*

黎劍峰，任 靜，徐 亮，吳少龍，黃佑賢，張光輝

（1. 番禺珠江鋼管（珠海）有限公司，廣東 珠海 519050；2. 帕博檢測技術(shù)服務有限公司，廣東 珠海 519050）

管線在鋪設過程中，根據(jù)地形的變化，經(jīng)常需要改變管道的方向，因而需要使用大量的彎管，而且彎管可以緩沖底層地質(zhì)移動、地震及外界溫度變化等施加于管道上的拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等作用，因此彎管部位將會成為管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)而被重點關(guān)注［1］。隨著近20年國內(nèi)管道建設的高速發(fā)展，管線設計的壓力、鋼級、直徑、壁厚在不斷提高，使用的環(huán)境也日趨苛刻，設計溫度愈來愈朝更低溫度方向發(fā)展，彎管作為管道的一個重要部件也需要與之配套和升級。從西氣東輸一線用X70鋼級彎管尚需要進口［2］，到當前國內(nèi)甚至已可以配套提供-45 ℃低溫環(huán)境用X80 鋼級厚壁母管和彎管的技術(shù)與產(chǎn)品［3-5］，我國彎管的制造技術(shù)取得了長足的進步。然而根據(jù)資料顯示，在已建成的運行管道中，與彎管有關(guān)的失效事故在整個的問題管道事故中占有相當高的比例，所以彎管質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性問題值得關(guān)注［1］。

影響彎管質(zhì)量的環(huán)節(jié)和因素較多，包括母管性能、設備及熱煨工藝、熱處理工藝等。現(xiàn)探討母管熱模擬試驗和熱煨工藝過程中遇到的幾個問題，以供參考。

1 熱煨彎管的基本工藝過程

熱煨彎管的基本過程如圖1 所示［6］?；竟に囘^程是：將母管套進與之匹配的環(huán)形感應圈內(nèi)，環(huán)形感應圈通入中頻電流，感應圈下的鋼管環(huán)形區(qū)金屬被中頻電流加熱到塑性狀態(tài)便可進行彎制。彎制時母管圍繞固定軸心，通過機械轉(zhuǎn)臂上的夾頭裝置以既定半徑抱緊管頭，以液壓油缸為彎制驅(qū)動力，從后部以既定速度勻速向前推動母管，此時處于高溫熱塑狀態(tài)下的加熱區(qū)金屬在機械臂的帶動下，以同樣的速度被勻速彎曲并移出感應圈，隨后被周向布置的冷卻劑（一般是水，從感應圈中以一定的角度和壓力噴出）連續(xù)噴淋，快速冷卻至100 ℃以下，如此對母管不間斷地重復推管、加熱、彎曲、冷卻4 個過程，直到形成一個完整的熱煨彎管。根據(jù)工程要求，可能還需要對整根彎管進行全管體回火熱處理，以獲得合適的金相組織和彎管性能。

圖1 熱煨彎管的基本過程示意

從上述制造過程來看，彎管的加工過程實質(zhì)上就是一個動態(tài)的形變熱處理過程。母管通過中頻感應器加熱，步進式地將感應圈下的環(huán)形區(qū)金屬快速加熱到奧氏體化溫度以上（加熱過程只需2～5 min），然后又步進式地被淬火到常溫（冷卻時間基本與加熱過程一致，亦是2～5 min），如此邊加熱、邊形變、邊淬火，直到整根彎管形成，由此完成了彎管形變淬火處理過程。由于管線鋼母管的碳含量一般較低，其淬火后的正常金相組織一般是：低鋼級者多為粒狀貝氏體，高鋼級者多為板條狀貝氏體+少量M-A 組織。如果是后者，還需要進一步進行整體回火處理，目的是降低組織應力并獲得良好的強韌性匹配，以滿足工程要求。

2 工藝問題探討

以某項目用大直徑X70 鋼級彎管為例，現(xiàn)探討母管性能、煨制等工藝環(huán)節(jié)對彎管性能的影響。該彎管母管的規(guī)格為Φ1021.8 mm×20.2 mm，彎曲半徑R=5D（D 為鋼管外徑），制造依據(jù)為ISO 15590-1：2018《石油和天然氣工業(yè) 管道運輸系統(tǒng)的感應彎管、管件和法蘭 第1 部分：感應彎管》和技術(shù)規(guī)格書要求。

2.1 母管成分及熱模擬問題

母管的成分對彎管的力學性能和熱處理有著決定性影響。在重要工程用彎管的設計上，往往要求母管成分必須添加適量的Cr、Mo、V 等淬硬元素，并規(guī)定最低保證值，以保證母管具有足夠的淬硬性和抗回火軟化能力，滿足彎管的制管需求。DECOGP-S-PL-002-2020-1《油氣管道工程感應加熱彎管母管通用技術(shù)規(guī)格書》對母管的相關(guān)成分作了要求，主要元素的含量要求見表1。

表1 彎管母管主要元素的含量（質(zhì)量分數(shù)）要求 %

從表1 可看出，對于X70 鋼級，為保證彎管母管具有一定的淬透性，成分除需保證具有一定的碳當量CE 外，宜加入適量的Mo 以強化基體和提高淬硬性。某項目采用的是ISO 15590-1，該標準中沒有明確規(guī)定具體合金化元素的下限要求，鋼廠在起初設計彎管母管成分時采用以C-Mn 強化為基礎(chǔ)，并添加適量Cr、Cu 元素的設計，沒有加Mo，其他成分和碳當量均可滿足DEC-OGP-S-PL-002-2020-1 標準要求的下限，主要化學成分見表2，力學性能見表3，可見母管的力學性能滿足X70M鋼級的要求。

表2 初始設計的X70 鋼級彎管母管的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表3 初始設計的X70 鋼級彎管母管的力學性能

為考察初始設計的X70 鋼級彎管母管的熱煨性能，筆者設計了6 種方案進行了兩個方面的熱模擬性能試驗：一是針對彎區(qū)段性能的模擬，即母管淬火+回火的模擬；二是針對直管段回火后性能的模擬，即直管熱機械控制工藝（Thermo Mechanical Control Process，TMCP）狀態(tài)下的抗回火性能模擬。X70 鋼級彎管母管熱模擬試驗結(jié)果見表4。

表4 初始設計的X70 鋼級彎管母管熱模擬試驗結(jié)果

（1） 方案1 和方案2 考察了彎管母管經(jīng)常規(guī)淬火和淬火+回火后的性能，結(jié)果顯示：材料在常規(guī)工藝淬火后的屈服強度合格但偏低，回火后屈服強度下降，不能滿足要求。

（2） 方案3 和方案4 模擬了實際彎制過程中奧氏體化溫度和保溫時間對彎管母管熱煨性能的影響。根據(jù)資料介紹［7-8］，推制X70 鋼級彎管母管時加熱區(qū)最高溫度不宜超過1100 ℃，由于中頻加熱存在集膚效應，假定母管內(nèi)外表面溫差為100～150℃，則此時的加熱區(qū)平均溫度在975～1000 ℃，故將熱模擬溫度選為980 ℃；對于保溫時間，假定彎管速度為20～30 mm/min，加熱帶寬為60～100 mm，則奧氏體化溫度下的保溫時間為2～5 min，故模擬保溫時間選為3 min。模擬結(jié)果顯示，此材料的彎曲淬火性能和回火后性能均不能滿足項目要求。

（3） 方案5 和方案6 模擬了直管段回火后的強度變化，結(jié)果顯示：回火溫度高于450 ℃時，材料強度軟化嚴重，直管段的強度已不能滿足要求。

上述結(jié)果表明，該彎管母管不適宜用于彎管推制。但鋼板廠對此提出異議，并要求適當提高彎制溫度進行一次試推；隨后管廠制定了如下推制工藝：加熱功率770 kW，加熱頻率550 Hz，熱煨溫度1080 ℃，推制速度30 mm/min，冷卻水壓0.30 MPa，冷卻水溫度為20 ℃（常溫）。為排除起彎區(qū)和止彎區(qū)的影響因素，僅針對彎曲段的強度進行了評價，結(jié)果與模擬結(jié)論基本一致，彎曲段水淬后的強度整體偏低，450 ℃回火后存在部分強度低值，不能完全滿足彎管的強度要求。因此，正式彎制前，管廠重新對母管的化學成分進行了設計，改進后的彎管母管的化學成分及性能見表5～6。

表5 成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表6 成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管的力學性能

對比表2 和表5，成分優(yōu)化后的X70 鋼級母管的化學成分中添加了Ni、Mo，并適當提高了C 含量和降低了Mn、Cr 含量，并取消了Cu 元素，與DEC-OGP-S-PL-002-2020-1 技術(shù)規(guī)格書推薦的成分思路一致。對比表3 與表6，鋼板的力學性能，強度與硬度均有所提升。因此從成分與性能上看，成分優(yōu)化后材料更有利于保證母管熱煨性能。

為衡量成分優(yōu)化后的X70 鋼級母管材料的彎曲性能，按上述思路采用短時間保溫工藝對其進行了熱模擬評定試驗，結(jié)果見表7。

表7 成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管熱模擬試驗結(jié)果

從表7 模擬結(jié)果看出，成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管的熱煨性能明顯改善，特別是淬火后的X70 鋼級材料，經(jīng)過回火后屈服強度提升，抗拉強度下降，伸長率升高，這是符合淬火組織經(jīng)回火后的一般規(guī)律的。同時，成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管在TMCP 狀態(tài)下450 ℃回火60 min 后，強度沒有明顯降低，說明其具有一定的抗回火軟化能力。因此，采用與上述熱煨參數(shù)基本一致的鋼管直推評價試驗，試驗結(jié)果見表8，與熱模擬結(jié)論基本一致。

表8 成分優(yōu)化后的X70 鋼級彎管母管直推試驗結(jié)果

由此可見，母管的成分設計對最終的彎管性能具有決定作用，熱模擬試驗是評價母管熱煨彎曲性能的有效手段，而熱模擬試驗能否準確評估材料的性能在于模擬參數(shù)設置是否合理。上述一系列試驗結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)的淬火工藝參數(shù)并不能準確地評估母管的中頻熱煨性能，而是應根據(jù)中頻快速加熱的特點修正其參數(shù)，以提高其準確性，從而節(jié)省時間，減少資源浪費。筆者認為，實施母管熱模擬試驗結(jié)果準確的關(guān)鍵，在于奧氏體化溫度的保持時間不宜過長，以不超過5 min 為宜。

2.2 溫度及其控制問題

眾所周知，熱處理工藝過程中的溫度及其控制對工件的最終組織及性能具有決定作用。而熱煨彎管工藝過程實質(zhì)是一種形變淬火熱處理，因此如何控制熱煨溫度，保證工件組織均勻和性能穩(wěn)定，一直被業(yè)內(nèi)關(guān)注。文獻［6］提出了一種溫度檢測及其控制方法，即在彎管的內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)分別設立測溫點，采用抗干擾能力較強的雙色紅外線測溫儀，并在基座上加入擺動機構(gòu)對加熱區(qū)域進行動態(tài)掃描，以捕捉最高溫度點，再用特定程序剔除因水霧或氧化皮等外界因素造成的溫度失真數(shù)據(jù)，從而達到對加熱區(qū)溫度的準確獲取，由此提高了設備的可靠性和工藝的穩(wěn)定性。然而，紅外線測溫儀檢測的溫度的準確性一直是一個令人困擾的問題，測試結(jié)果的準確度與選擇的波段和待測發(fā)熱體的發(fā)射率及測溫槍的入射角（盡量垂直入射）等因素密切相關(guān)［9-10］。

由此可見，完全采用紅外線測溫儀來控制溫度不一定可靠，加之水霧、氧化皮、感應圈的固有阻擋，往往不能準確地獲得加熱區(qū)域的實際溫度。此外，如果母管壁厚不均勻，或者鋼管橢圓度變化造成感應圈距離存在細微改變等，亦或者測試位置變化，均有可能使動態(tài)溫度發(fā)生改變。如果此時完全依據(jù)溫度對熱煨推制工藝進行調(diào)整，這顯然不太合適。筆者經(jīng)過現(xiàn)場反復觀察和實踐，認為采用以功率控制為主、溫度控制為輔的控制方式能較好地解決現(xiàn)場溫度難控制的問題。

根據(jù)資料介紹，中頻加熱電源所需功率可以按公式（1）計算：

式中 P—— 加熱電源所需功率，kW；

C —— 工件材料的平均比熱容［11］，低碳鋼取0.46 kJ/（kg·℃）；

T —— 工件表面加熱溫度，℃；

T0—— 加熱前溫度，℃，可以取室溫；

M —— 加熱的金屬質(zhì)量，kg；

S —— 加熱節(jié)拍，s；

η —— 效率系數(shù)，取0.5～0.7。

將母管和推制工藝等參數(shù)代入公式（1），并稍作變換，可得彎管熱煨功率P 的計算公式（2）：

式中 t —— 母管壁厚，mm；

V —— 煨制速度，mm/min；

K0—— 溫度修正系數(shù)。

溫度修正系數(shù)K0主要與頻率有關(guān)，取0.94，將K0代入公式（2）可得：

由此看出，公式（3）將熱煨功率P 與主要煨制工藝參數(shù)（T、D、t、V）巧妙地結(jié)合在一起，在其他邊界條件一定的情況下，加熱功率與加熱溫度具有一一對應關(guān)系。

需要指出的是，運用好公式（3）的前提是一定要把加熱設備的效率系數(shù)測定出來。根據(jù)筆者經(jīng)驗，在同臺設備條件下，效率系數(shù)與感應圈規(guī)格密切相關(guān)，在彎制同外徑、不同壁厚的彎管時，其效率系數(shù)基本一致。也就是說，一種感應圈對應一種效率系數(shù)。因此，需要分別測定效率系數(shù)，并記入設備和工藝檔案。

關(guān)于對溫度的控制公差要求，在SY/T 5257—2012《油氣輸送用感應加熱彎管》和ISO 15590-1 中均有明確規(guī)定，要求不超過±25 ℃。然而，筆者考察了整個彎管過程的溫度變化，發(fā)現(xiàn)是不能全程滿足上述要求的。因為在開始起彎的一小段區(qū)域需要低溫起彎，以改善過渡區(qū)的平緩過渡，然后彎制溫度逐步達到設定溫度，這個過程大約需要在過渡區(qū)持續(xù)0.5°的范圍。如果起彎溫度過高，在內(nèi)弧起彎處極容易產(chǎn)生褶皺而造成廢品，尤其是彎制徑壁比較大的母管和彎曲半徑較小時更易出現(xiàn)。離開此段后，加熱溫度場基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，易控制溫度。

盡管如此，僅靠溫度控制來完全保證批量產(chǎn)品的性能均勻仍不易。因為即便是母管規(guī)格一致，但不同的母管之間，其尺寸、管型、表面質(zhì)量和氧化皮程度不盡相同，每一根母管在彎制時測溫槍測溫位置的改變以及水霧的存在，均可能會影響到彎管溫度的實際測量結(jié)果。若納入功率控制，可降低不穩(wěn)定因素對彎管溫度測量值的影響。

現(xiàn)以Φ1021.8 mm×20.2 mm 規(guī)格彎管的功率控制進行說明，該彎管的彎曲半徑R=5D，效率系數(shù)為0.64，具體見表9。

表9 Φ1021.8 mm×20.2 mm 規(guī)格X70 鋼級彎管的彎制溫度與功率控制

從表9 可以看出，如果溫度出現(xiàn)波動，但又不能及時查明溫度波動原因，筆者認為此時可以以功率控制為準，因為功率相對穩(wěn)定可靠，由此消除現(xiàn)場操作人員的盲動，有利于保證整批產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。筆者統(tǒng)計了以功率控制為主、溫度控制為輔進行彎制的彎管力學性能，具體見表10，彎管的各項數(shù)據(jù)滿足工程要求，且具有較大的安全富裕量，整體性能分布也比較均勻穩(wěn)定。

表10 Φ1021.8 mm×20.2 mm 規(guī)格X70 鋼級彎管回火后的橫向力學性能

2.3 彎管的回彈與補償問題

回彈產(chǎn)生的根本原因是母管在彎制過程中的變形屬彈塑性變形，因此彎制結(jié)束后一旦松開夾具必然會產(chǎn)生回彈。回彈意味著彎管半徑的變大和彎管角度的變化，這兩個變化都會影響到最終產(chǎn)品的外形尺寸和角度，因此如何控制回彈需重點關(guān)注。

胡忠等［12］對彎管過程中產(chǎn)生的回彈進行了深入研究和計算，認為彎管的回彈量與材料在高溫塑形區(qū)的屈服強度成正比，同時隨彎管角度和相對彎曲半徑（R/D）的增大而增加。文獻［13］給出了低碳鋼和超低碳鋼的拉伸塑性變形強度與形變溫度的關(guān)系，如圖2 所示，低碳鋼在850～900 ℃時的塑變強度相對處于高點，溫度超過1000 ℃時，材料的塑變強度明顯降低。因此熱煨溫度是決定彎管回彈量的最重要因素。

圖2 低碳鋼和超低碳鋼的塑性變形強度與變形溫度的關(guān)系

實際上，彎管在熱煨過程中的平均溫度大都在980 ℃或更高，因此其塑變應力很小，所以其回彈量應當非常有限。筆者統(tǒng)計了生產(chǎn)Φ1021.8 mm×20.2 mm 規(guī)格彎管時回彈情況，角度偏差見表11。

表11 Φ1021.8 mm×20.2 mm 規(guī)格X70 鋼級彎管的角度偏差

從表11 可看出，如果加上對彎管的角度補償，同規(guī)格所有角度彎管產(chǎn)品的實際回彈角度基本一致，平均約為0.65°，與彎管的推制角度幾乎無關(guān)。通過考察彎管工藝過程，彎管回彈主要由3 段回彈構(gòu)成，即夾頭至起彎區(qū)的直管段（含起彎區(qū)）回彈、彎曲段回彈、前輥至止彎區(qū)的直管段（含止彎區(qū)）回彈。筆者認為，彎曲段的熱煨溫度最高、塑變應力最低，故彎曲段的回彈可以忽略不計；因此彎管的回彈量實際上決定于起彎區(qū)的直管段和止彎區(qū)的直管段的回彈程度，而這兩段的回彈程度又分別取決于各自的熱煨溫度和直段長度。由于起彎區(qū)的熱煨溫度相對更低，所以起彎區(qū)的回彈量將占有更大比例。

通過上述討論，如果不考慮設備的剛性和起止彎區(qū)的直段長度，改善回彈有3 種方法：

（1） 喂料補償。此方法是糾正彎管角度的常用方法。因為彎管回彈主要集中在起彎區(qū)，因此起彎過渡區(qū)的曲率與其他位置相比偏小，從而引起最終彎管角度的偏小，所以喂料補償?shù)膶嵸|(zhì)就是通過補料達到彎管的最終設計角度。但補料角度不宜超過1°，否則會影響母管的成材率。如果補料角度超過2°，則可以考慮按以下兩種方法進行調(diào)整，或者分析管頭夾具的剛度是否足夠，夾具與母管之間是否存在間隙，直管段距加熱區(qū)的長度是否過長等。

（2） 提高熱煨溫度。如果設備的剛性和夾具間隙沒有問題，選擇的彎制半徑也合理，但回彈量仍然較大，則需要適當提高熱煨溫度，通過降低塑變強度來降低回彈。

（3） 減小彎制半徑。如果工藝需要采用低溫彎制，則宜選擇較小的彎制半徑以降低回彈。

3 結(jié)語

探討了彎管熱煨彎制過程中的工藝問題，認為彎管的熱模擬試驗不宜采用傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)工藝，關(guān)鍵在于模擬彎管過程的奧氏體化溫度的保持時間不宜過長，原則上不超過5 min；推導了熱煨功率與彎管工藝參數(shù)的關(guān)系式，提出如果溫度出現(xiàn)波動，可以以功率控制為主、溫度控制為輔，由此消除現(xiàn)場操作人員的盲動，以利于保證整批產(chǎn)品的性能；熱煨溫度是決定彎管回彈量的最重要因素，如果不考慮設備的剛性和起止彎區(qū)的直段長度，可通過喂料補償、提高熱煨溫度、減小彎制半徑的措施改善回彈現(xiàn)象。雖然目前彎管的制造過程還存在一些問題，但隨著技術(shù)進步，有些問題已得到解決。