焊接钢管感应加热快速热处理

东莞市力华机械设备有限公司焊接钢管感应加热快速热处理焊接钢管是指用钢板或钢带，经弯曲成形后用焊接方法制成的钢管，又称为焊管。按照焊缝的形式焊管可以分为直缝焊管和螺旋焊管两种。上前，直径大于500mm以上的钢管多数是采用焊接方法生产，其中包括部分油井套管。焊管在我国的产量已占钢管总产量的50%以上，已成为重要的钢材产品。焊管广泛用于经济建设各领域，其中用量最大的是石油天然气工业。原油、天然气长距离输送管线建设，需要大量使用高强度、高韧性和具有优良焊接性能的焊管。这就促进了焊管的生产与发展，促进了与此相关部门的技术进步。焊管焊缝感应加热快速加热处理工艺技术就是在这种形势下发展起来的。为了提高油气输送能力和降低成本，要求提高管道输送压力、提高钢管的强度和韧性。为此，油气输送管线用钢已从X60级提高到X80级，而更高钢级X100-X120管线钢正在研发之中。由此可见，随着石油天然气能源需求的不断增长，对高强度焊管的需求量会迅速增大。焊缝热处理工艺技术必将成为焊管生产中重要环节。在此简要介绍焊管生产中，焊缝感应加热快速热处理工艺的应用与相关的技术。感应加热焊缝热处理在焊管生产中的应用概况焊接钢管的冶金质量和使用性能取决于管体钢材的冶金质量、制管焊接的工艺技术、焊缝的热处理质量三个因素。随着油气输送压力的提高，陆地天然气输送压力将达到14MPa，海底输送压达25MPa，同时若管线穿越戈壁沙漠和冻土地带还要加上气温的变化等因素，对焊缝的冶金质量要求会更为严格。因此国，必须通过严格的焊缝质量来保证所需要的综合力学性能。焊缝热处理的重要性就在于此。感应加热焊缝热处理的目的焊管的使用性能是由管体和焊缝两部分金属的性能综合评定的，任何一方的最弱项将决定焊管的使用性能。焊管在焊接过程中，由于焊接高温的作用，使焊缝和热影响区金属组织发生变化和晶粒粗化、同时还存在很大的内蛮力。综合这些变化的结果，使焊缝区金属的性能与母材（管体）产生很大的差别。而且，焊缝金属的综合性能明显低于管体。为此，必须通过焊缝热处理来消除差别，使其成为综合性能一致的“无缝焊管”。（1）消除焊接产生的内应力，因焊接在焊缝两侧形成的热影响区，与焊缝和管体形成三个组织、晶粒大小、应力分布完全不同的区域。由于焊缝、热影响区、管体的加热温度和冷却速度不同，其内部存在的内应力不同，焊缝中内应力最大，热影响区次之，管体内最小。当内应力超过屈服极限时，会使金属发生塑性变形，引起焊管弯曲；内应力超过强度极限时，全使金属发生晶界裂纹，裂纹扩展后会使焊缝产生裂纹。而焊缝区金属晶粒粗大，屈服强度和抗拉强度最低，最容易产生裂纹，其次是热影响区与管体相比也容易产生裂纹。因此为了提高焊缝的综合性能必须通过热处理来消除焊接内应力。通常使用正火或高温退火处理方法消除焊缝内应力。（2）改善焊缝和热影响区金属的组织结构，制管用钢带多为热轧控冷正火处理，具有细小 铁素体+珠光体组织；部分微合金化高强度钢带为细小针状铁素体组织。作为焊管用管线钢的化学成分列于表6-1中，在焊接高温作用下，给焊缝金属带来两种不良的后果，其一是金属的晶粒粗化，导致屈服强度下降和金属脆化；其二，由于焊后冷却速度快慢不均，焊缝区冷速慢，铁素体和珠光体组织粗大，热影响区冷却速较快，除铁素体和珠光体外，还出粗大的马氏体和残余奥氏体。综合上述情况，由于晶粒粗化和金属显微组织的变化使焊缝金属脆化，并且与管体金属的组织和性能产生很大的差别。因此，必须通过焊缝热处理来达到细化晶粒和改变恢复金相组织，减少与管体的差别。表6-1 几种管线钢的化学成分钢级化学成分（质量分数）/%CMnSiPSVTiNbCrMoNiCuAlNBX600.061.210.210.010.0010.010.020.020.200.15X650.041.500.210.0060.0030.0410.0140.040.0410.180.050.118X700.081.610.240.0150.0050.0320.0130.0570.0360.220.0160.122X800.041.800.190.0060.0030.0020.0140.0520.0200.250.250.1380.0340.0070.001（3）提高焊管的综合力学性能，焊缝热处理的最高目标是使焊缝的冶金质量完全达到母材的水平，实现“无缝焊管”。单独对焊缝进行正火处理无法达到上述目标，必须焊缝进行感应加热淬火+回火处理，才能使焊缝的综合力学性能达到甚至超过母材，实现“无缝焊管”的目标。感应加热焊缝热处理方法焊缝需要通过热处理来改善力学性能的钢类中主要是管线钢。不同强度钢级使用的钢类及其对室温度的要求列表6-2中。以表6-2中所列的钢类和力学性能可知，提高焊缝综合性能的主要热处理方法有正火处理、正火+回火处理、淬火+回火处理等方法。目前国内焊管生产中多采用焊缝正火处理，其他热处理方法尚未见采用。最先进的焊缝热处理是淬火+回火的调质处理。国外大型焊管生产线中多采用正火处理，调质处理只有日本和欧盟个别公司采用。感应加热调质处理焊缝是今后发展的方向。表6-2 管线钢的标准钢级与室温强度GB/T 9711.1-1997API spec 5L2004钢级室温力学性能钢类/MPa/MPaA25172310碳素钢L210A207413L245B241413L290X42289434普通低合金钢L320X46317455L360X52358489L390X56386517低合金高强度钢L415X60415530L450X65448560L485X70482565微合金化高强度钢L555X80551620X100727837（1）焊缝感应加热正火处理，焊缝正火处理中包括退火处理，有时又称为消除应力退火。焊缝感应加热正火处理是将焊缝加热到Ac3以上温度，900-950后空冷至400以下水冷到常温。借此消除焊接内应力，细化焊缝晶粒，改善显微组织，提高焊缝的塑性和冲击韧性。焊缝感应加热正火处理适用于普通低合金钢和部分低合金高强度钢，相当于X60钢级以下的焊管。焊缝感应加热退火处理是将焊缝加热至700-750双相区，随后空冷至常温，目的是消除焊接内应力和改善塑性。退火处理主要用于碳素钢和部分普通低合金钢焊管。这种工艺国内焊管生产线很少采用。（2）焊缝感应加热正火+回火处理，正火处理后焊缝的硬度仍高而塑性还低时，可以采取高温回火处理进行补救。感应加热回火处理是将焊缝加热到Ac1以下温度，通常为650左右空冷。经高温回火处理后原钢中马氏体组织转变为回火索氏体和铁素体，焊缝的塑性提高，硬度下降强度变化不大。（3）焊缝感应加热淬火+回火处理，这种热处理方法又称调质处理，在线焊缝感应加热调质处理是目前最先进的热处理技术。经调质处理后焊缝的综合力学性能完全达到管体的水平，实现焊缝与管体性能均一化。实现这项热处理工艺技术的核心就是必须掌握横向磁场加热技术，保证加热温度的均匀和准确。对于低合金高强度钢和微合化高强度钢焊缝的淬火加热温度为900-950，回火加热温度为600-650，淬火采用喷淋式冷却，回火采用空冷与水冷结合冷却。淬火、回火温度采用纵向磁场加热时，控温的准确度可以达到10，这是高强度焊管保持性能稳定必需的控温水平。利用横向磁场加热焊缝同样要求高的控温精度，目前，国内尚处于研发阶段，距此精度相差较大。不过可以相信会很快攻克这项加热技术，实现焊缝在线感应加热调质处理。焊缝感应加热正火处理正火处理是目前国内处应用最多的焊管焊缝热处理方法，有时还称其为焊缝退火处理。两者的区别是正火处理加热温度在Ac3以上，退火处理加热温度低，在Ac1附近。对于管线钢焊管来说，焊缝正火处理是API标准中支付宝的热处理方法之一。焊缝感应加热正火处理，按照其生产配置情况可分为在线式正火处理和离线式正火处理。产品规格多、批量小时可用离线式正火处理，产品规格少、批量大时应选用在线式正火处理。焊缝感应加热正火处理主要用于以钒、铌、钛元素强化的低碳低合金钢焊管。这类钢的化学成分列于表6-3中。焊缝正火处理的目的是消除焊接产生的内应力，细化焊缝金属的晶粒，提高金属的塑性和韧性，缩小焊缝与管体性能的差别。焊缝感应加热正火处理温度的选择传统低合金钢正火处理温度是在Ac3以上30-50。但是，感应加热升温速度为20-50.s-1条件下，Ac3会随时加热速度的增大而上移。根据感应加热淬火温度的经验，Ac3会升高20-50，因此，感应加热低合金钢焊缝正火温度应选择在Ac3以上50-100。钢中含有Cr、V、Ti合金元素时取上限，不含这些合金元素时取下限。表6-3中所列正火钢的Ac3在860-880，其感应加热正火温度可选择在910-980。表6-3 正火处理钢的化学成分钢号化学成分（质量分数）/%CSiMnPSVNbTiMo14MnNb0.12-0.180.20-0.600.8-120.0500.0450.015-0.0516Mn0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.04515MnV0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.0450.04-0.1215MnTi0.12-0.180.20-0.601.2-1.60.0500.0450.12-0.2018MnMoNb0.17-0.230.17-0.371.35-1.650.0500.0350.05-0.150.025-0.0500.45-0.6514MnMoNV0.10-0.180.20-0.501.2-1.600.0500.0350.40-0.65正火加热温度不宜过高，通常加热条件下低合金亚共析钢自900起奥氏体初始晶粒开始长大，950以上迅速长大。因此，过高的正火温度不利于细化焊缝的晶粒组织，降低正火处理的效果。另外，过高的正火温度还会加重焊缝区金属氧化，影响焊管的表面质量和降低钢材的收得率。同样正火温度过低，不得改善焊缝金属的塑性和韧性，达不到正火处理的目的。焊缝感应加热正火保温时间和冷却方式焊缝感应加热正火保温时间的选择，淬火、固溶、正火处理都是将钢加热到奥氏体化温度后，以不同的冷却速度进行冷却的热处理方法。从奥氏体化的目的来看三种处理方法是相同的。感应加热低合金钢淬火处理和奥氏体热强钢固溶处理，进行取消奥氏体化保温时间的试验，其结果表明，只要把感应加热淬火和固溶温度比传统处理温度高出50-100之后，无需保温时间就可以取得相同的热处理效果，强化元素的固溶量一致，回火与时效处理后的室温和高温力学性能还高于传统处理工艺。由此可见，感应加热正火处理过程取消保温时间，不会影响到后期的热处理效果。表6-4给出了10钢焊管缝感应加热无保温时间退火后，其力学性能取得良好的效果。表6-4 感应加热退火对10钢焊缝金属力学性能的影响管材状态焊缝区热影响区母材焊后退火前76019.361520.059326.6700退火后51025.249025.148025.6综合所述，对于低合金亚共析钢而言，只要感应加热正火温度选择合适，焊缝加热温度均匀，完全可以取消正火保温时间，不会对热处理效果产生影响。因为，从金属组织相变变速率出发考虑，温度起决定性作用，而且温度的作用效果远大于时间因素，以温度换时间是感应加热快速热处理的特点。本文摘至焊接手册