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HFW 焊管無縫化及實現

HFW 焊接鋼管一直是伴隨著與無縫鋼管的競爭而不斷發展的。焊接鋼管要想逐步取代無縫鋼管,關鍵是要有高的產品質量及較低的生產成本。當今隨著鋼鐵冶煉技術、熱軋鋼帶技術和制管技術的進步,以及工藝技術向專業化、差異化和節約化等方面延伸,這一切都為HFW焊管質量的提高和成本的降低創造了條件。

為了使HFW焊管發揮壁厚均勻、幾何尺寸規整和生產成本低等優勢,又能克服由于存在焊縫所帶來的力學性能不一致和溝槽腐蝕等問題,進入傳統無縫管所占領的高等級油氣輸送管和油井管等領域。隨著制管技術不斷時步與發展,提出了焊管無縫化的思想。與國外先進國家相比,我國HFW 焊管的市場占有率還很低,焊管無縫化將有很長的路要走。

焊管無縫化主要包括兩個方面的內涵,一是幾何無縫化,使機械方式,多用熱刮,以清除焊縫內外焊縫毛刺;二是物理無縫化,應用熱處理等工藝,使焊縫、熱影響區的金相組織和力學性能與母材趨與一致。本研究主要涉及焊管物理無縫化原理及工藝。
1 HFW 焊管無縫化實現
1.1 HFW 焊接機理及焊縫特點

在高頻焊接過程中,通過集膚效應、鄰近效應和熱傳導的共同作用熔化鋼帶兩側的金屬,通過擠壓焊接成鋼管。在這一過程中,從鋼帶邊沿開始出現了熔化區及部分熔化區、過熱組織區、正火區、不完全正火區和回火區等征區域,其中過熱組織在焊接時的溫度在1100攝氏度以上,奧氏體晶粒開始急劇長大,在化學成分和冷卻速度適當的情況下,會出現一些硬而脆的相,主要是馬氏體組織,使該區域的綜合力學性能降低。

在API 和ASTM等有關標準中,都明確要求對焊縫進行熱處理或焊縫中不能存在未回火的馬氏體等。就是要對HFW 焊管進行焊縫熱處理,消除馬氏體,達到消除應力、均勻和細化組織、提高焊接熱影響區綜合力學性能的目的。
1.2 焊管無縫化實現

隨著HFW焊管制造技術的進步和發展,目前主要采用以下3種方式進行焊管無縫化處理:
一是焊縫在線熱處理;二是焊管整體加熱張力減徑軋制;三是焊管整體熱處理。
處理方式:焊縫熱處理 處理時間:在線 處理工藝:采用中頻感應對焊縫進行快速加熱。
處理方式:熱張力減徑 時間:在線 處理工藝:對焊管進行整體加熱后,進行減徑軋制 主要裝備:加熱設備、張力減徑機和冷床等 無縫化效果:消除管體與焊縫金相組織與晶粒狀態差異
處理方式:整體熱處理 處理時間:離線 處理工藝:對焊管進行整體加熱,進行正火處理 主要裝備:何護氣體加熱爐、冷床等無縫化效果:基本消除管體與焊縫金相組織差異,但晶粒狀態仍存在差異
從技術角度來講,這3種無縫化方式都較為成熟。但從裝備投入、運行成本和最終產品性能等方面考慮,應用廣泛的是前兩種方式,即焊縫熱處理和熱張力減徑技術
2 焊縫在線熱處理
2.1 焊縫在線模擬正火(N)熱處理

采用中頻感應加熱將焊縫快速加熱到奧氏體化溫度,一般為(Ac3) 溫度再加到30-50攝氏度,但要控制1010攝氏度以下,使焊縫中馬氏體組織完全轉換成奧氏體。焊縫將空冷到700攝氏度以下,以避免重新形成馬氏體組織,此溫度下進行水冷,雖不會發生金相組織變化,但可能會出現裂紋等不必要缺陷。為此要將焊縫空冷到370攝氏度以下, 才可進行水冷。工藝布置應保證焊縫在線空冷2min以上,為此要根據生產線速度設計足夠長的空冷段。

主要裝備為中頻感應加熱設備。根據所處理焊管的壁厚選擇頻率,一般為1-3KHZ。此工藝目前在國內已廣泛采用。
2.2 焊縫隙在線淬火+回火(Q+T)熱處理

將焊縫加熱到正火溫度后,噴水進行淬火,可形成極細的馬氏體組織,然后再將焊縫加熱到回火溫度,一般為540-700攝氏度,進行空冷,完成淬火+回火(Q+T)熱處理全過程。

焊縫淬火+回火與正火相比較可以得到更好的性能,特別是焊縫的韌性指標。這是由于淬火后得到的馬氏體具有很高的強度,經高溫回火得到的碳化物呈顆粒狀分布,分布在細晶粒的馬氏體基體中,可獲得比正火更高的強度性能,而且其塑性和韌性比正火好得多。目前國內外諸如我國的寶鋼、日本的新日鐵和JEFE等多家HFW 機組選用此工藝,生產高鋼級的油氣輸送管和搞腐蝕油井管等。

主要裝備為兩套中頻感應加熱設備,水噴淋設備等,需要占用較長的生產線,投資也較大。
3 焊管整體加熱張力減徑軋制

熱張力減徑工藝實際上就是對焊管進行正火+形變熱處理。將母管整體加熱到920-950攝氏度后,使焊縫和管體金相組織完全奧氏體化,然后通過張力減徑機,進行多架次大變形量的軋制,一般終軋溫度不低于850攝氏度,以滿足焊管軋制結束后,內部形成微細均勻的晶粒組織。

焊縫經過相變后與母材又同時進行變熱處理,并在同等條件下完全成再結晶過程,其金相組織與晶粒狀態必將與母材趨于一致,同時也徹底消除了由于焊管成型所帶來的內應力。

與焊縫熱處理方式相比較,該技術合焊管無縫化最為徹底,技術指標也最為理想。主要裝備為加熱設備(天然氣或中頻感應加熱設備)、張力減徑機和冷床等。此工藝現已被重視,正在逐步推廣應用,用于生產高級HFW焊管。
4 焊管整體熱處理

將焊管整體加熱到正火溫度,使所有組織完全奧氏體化后,然后進行空冷。這樣可基本消除管體與焊縫之間的金相組織差異,且徹底消除焊管由于成型和焊接等產生的內應力,但焊縫與管體的晶粒狀態仍存在著差異,將帶來力學性能與耐腐蝕方面的不足。

該工藝多采用離線方式,使用保護氣體熱處理爐來整體加熱焊管,另外空冷也將需要較長時間,因此生產效率較低。實際上多應用焊管整體淬火+回火(Q+T)的調質熱處理工藝,既可實現焊管的無縫化,又可改善焊管材質的性能。
5 結語

為了與無縫鋼管相抗衡,HFW焊管無縫化將是必然發展趨勢。因受諸多因素的制約,目前HFW焊管無縫化多采用焊縫在線熱處理技術,但綜合來講,焊管整體加熱張力減徑將是一種理想的焊管無縫化技術。

 
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