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HFW 焊管无缝化及实现

HFW 焊接钢管一直是伴随着与无缝钢管的竞争而不断发展的。焊接钢管要想逐步取代无缝钢管,关键是要有高的产品质量及较低的生产成本。当今随着钢铁冶炼技术、热轧钢带技术和制管技术的进步,以及工艺技术向专业化、差异化和节约化等方面延伸,这一切都为HFW焊管质量的提高和成本的降低创造了条件。

为了使HFW焊管发挥壁厚均匀、几何尺寸规整和生产成本低等优势,又能克服由于存在焊缝所带来的力学性能不一致和沟槽腐蚀等问题,进入传统无缝管所占领的高等级油气输送管和油井管等领域。随着制管技术不断时步与发展,提出了焊管无缝化的思想。与国外先进国家相比,我国HFW 焊管的市场占有率还很低,焊管无缝化将有很长的路要走。

焊管无缝化主要包括两个方面的内涵,一是几何无缝化,使机械方式,多用热刮,以清除焊缝内外焊缝毛刺;二是物理无缝化,应用热处理等工艺,使焊缝、热影响区的金相组织和力学性能与母材趋与一致。本研究主要涉及焊管物理无缝化原理及工艺。
1 HFW 焊管无缝化实现
1.1 HFW 焊接机理及焊缝特点

在高频焊接过程中,通过集肤效应、邻近效应和热传导的共同作用熔化钢带两侧的金属,通过挤压焊接成钢管。在这一过程中,从钢带边沿开始出现了熔化区及部分熔化区、过热组织区、正火区、不完全正火区和回火区等征区域,其中过热组织在焊接时的温度在1100摄氏度以上,奥氏体晶粒开始急剧长大,在化学成分和冷却速度适当的情况下,会出现一些硬而脆的相,主要是马氏体组织,使该区域的综合力学性能降低。

在API 和ASTM等有关标准中,都明确要求对焊缝进行热处理或焊缝中不能存在未回火的马氏体等。就是要对HFW 焊管进行焊缝热处理,消除马氏体,达到消除应力、均匀和细化组织、提高焊接热影响区综合力学性能的目的。
1.2 焊管无缝化实现

随着HFW焊管制造技术的进步和发展,目前主要采用以下3种方式进行焊管无缝化处理:
一是焊缝在线热处理;二是焊管整体加热张力减径轧制;三是焊管整体热处理。
处理方式:焊缝热处理 处理时间:在线 处理工艺:采用中频感应对焊缝进行快速加热。
处理方式:热张力减径 时间:在线 处理工艺:对焊管进行整体加热后,进行减径轧制 主要装备:加热设备、张力减径机和冷床等 无缝化效果:消除管体与焊缝金相组织与晶粒状态差异
处理方式:整体热处理 处理时间:离线 处理工艺:对焊管进行整体加热,进行正火处理 主要装备:何护气体加热炉、冷床等无缝化效果:基本消除管体与焊缝金相组织差异,但晶粒状态仍存在差异
从技术角度来讲,这3种无缝化方式都较为成熟。但从装备投入、运行成本和最终产品性能等方面考虑,应用广泛的是前两种方式,即焊缝热处理和热张力减径技术
2 焊缝在线热处理
2.1 焊缝在线模拟正火(N)热处理

采用中频感应加热将焊缝快速加热到奥氏体化温度,一般为(Ac3) 温度再加到30-50摄氏度,但要控制1010摄氏度以下,使焊缝中马氏体组织完全转换成奥氏体。焊缝将空冷到700摄氏度以下,以避免重新形成马氏体组织,此温度下进行水冷,虽不会发生金相组织变化,但可能会出现裂纹等不必要缺陷。为此要将焊缝空冷到370摄氏度以下, 才可进行水冷。工艺布置应保证焊缝在线空冷2min以上,为此要根据生产线速度设计足够长的空冷段。

主要装备为中频感应加热设备。根据所处理焊管的壁厚选择频率,一般为1-3KHZ。此工艺目前在国内已广泛采用。
2.2 焊缝隙在线淬火+回火(Q+T)热处理

将焊缝加热到正火温度后,喷水进行淬火,可形成极细的马氏体组织,然后再将焊缝加热到回火温度,一般为540-700摄氏度,进行空冷,完成淬火+回火(Q+T)热处理全过程。

焊缝淬火+回火与正火相比较可以得到更好的性能,特别是焊缝的韧性指标。这是由于淬火后得到的马氏体具有很高的强度,经高温回火得到的碳化物呈颗粒状分布,分布在细晶粒的马氏体基体中,可获得比正火更高的强度性能,而且其塑性和韧性比正火好得多。目前国内外诸如我国的宝钢、日本的新日铁和JEFE等多家HFW 机组选用此工艺,生产高钢级的油气输送管和搞腐蚀油井管等。

主要装备为两套中频感应加热设备,水喷淋设备等,需要占用较长的生产线,投资也较大。
3 焊管整体加热张力减径轧制

热张力减径工艺实际上就是对焊管进行正火+形变热处理。将母管整体加热到920-950摄氏度后,使焊缝和管体金相组织完全奥氏体化,然后通过张力减径机,进行多架次大变形量的轧制,一般终轧温度不低于850摄氏度,以满足焊管轧制结束后,内部形成微细均匀的晶粒组织。

焊缝经过相变后与母材又同时进行变热处理,并在同等条件下完全成再结晶过程,其金相组织与晶粒状态必将与母材趋于一致,同时也彻底消除了由于焊管成型所带来的内应力。

与焊缝热处理方式相比较,该技术合焊管无缝化最为彻底,技术指标也最为理想。主要装备为加热设备(天然气或中频感应加热设备)、张力减径机和冷床等。此工艺现已被重视,正在逐步推广应用,用于生产高级HFW焊管。
4 焊管整体热处理

将焊管整体加热到正火温度,使所有组织完全奥氏体化后,然后进行空冷。这样可基本消除管体与焊缝之间的金相组织差异,且彻底消除焊管由于成型和焊接等产生的内应力,但焊缝与管体的晶粒状态仍存在着差异,将带来力学性能与耐腐蚀方面的不足。

该工艺多采用离线方式,使用保护气体热处理炉来整体加热焊管,另外空冷也将需要较长时间,因此生产效率较低。实际上多应用焊管整体淬火+回火(Q+T)的调质热处理工艺,既可实现焊管的无缝化,又可改善焊管材质的性能。
5 结语

为了与无缝钢管相抗衡,HFW焊管无缝化将是必然发展趋势。因受诸多因素的制约,目前HFW焊管无缝化多采用焊缝在线热处理技术,但综合来讲,焊管整体加热张力减径将是一种理想的焊管无缝化技术。

 
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