具体实施方式
图1所示为本发明N80级ERW油井套管的制造方法的生产工艺流程:
1、原料检验。对热轧钢卷板进行检验,控制碳、锰及其它合金元素的含量。所述热轧钢卷板的化学成分重量百分比为:C≤0.12%,Mn≤1.85%,S≤0.010%,V+Nb+Ti≤0.15%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2、开卷对焊。热轧钢卷板经纵剪机组剪切至预定的宽度,复卷后储存。纵剪钢带开卷后,经过矫平,将头尾切断,采用惰性气体保护焊进行对焊,并送入活套。
3、活套储料。采用外进内出,下进上出式螺旋活套,长达2000余米的储料量,可以保证供料,满足焊管连续生产。
4、钢板铣边。钢带进入成型前,两侧边经铣边机铣至设定的宽度和坡口,以满足高质量成型和焊接工艺要求。根据成型方式和轧辊设计孔型,板宽的计算按设定的公式进行,公式如下:
b=(d×3.14)+(3×a×3.14)+c-(2.37×e)
其中b为板宽,d为焊后管径,a为精成型减径量,c为焊接余量,e为壁厚。
5、钢管成型。将钢带通过一系列主动和被动轧辊,以连续的方式使钢带弯曲变形成圆形钢管。
6、钢管焊接。采用固态高频焊机对成型后的钢管采用高频直缝电阻焊进行焊接。N80级ERW油井套管的焊接方式采用高频直缝电阻焊,焊接速度为15m/min,焊接功率为610KW。焊接时加保护气氩气,减少熔融金属的氧化。开口角为3°,开口宽度12-13mm。焊接挤压量为6-8mm,保证焊缝融合线宽度0.20-0.02mm,金属流线角度控制在60-85度,焊接磁棒采用日本TDK磁棒。中频热处理采用4架中频热处理机进行焊缝热处理,其中1#出口温度为810±30℃,2#出口温度为920±10℃,3#出口温度为920±10℃,4#出口温度为920±10℃。为了掌握焊接最佳参数,分别对焊接功率、挤压量、中频热处理温度进行调整试验。一是在其它条件相同的情况下,调整焊接功率,经试验分析,功率过低会产生冷焊现象,造成压扁试验开裂并且焊缝冲击韧性很差。二是在功率610KW的条件下,调整挤压量,经试验分析,较大的挤压量提高了焊缝的质量。较大的挤压量有利于夹杂物的挤出,提高焊缝的纯净度也提高了焊缝的质量,较小的挤压量不利于夹杂物的挤出,残留在焊缝中的夹杂物大大影响焊缝的冲击韧性。三是在其它焊接条件不变的情况下进行开口角度的调整,经试验分析,大开口角的焊缝质量更趋于稳定,但过大的开口角度大大提高了焊接功率,高频焊接设备不能满足,同时焊缝质量下降。
如图2所示,焊缝开口角α是指挤压辊2前管坯1两边缘的夹角,通常采用3度,开口角大小与烧化过程的稳定性有关,它对焊接质量的影响很大。减小开口角时,边缘之间的距离也减小,从而使邻近效应加强。这样,在其他条件相同的情况下,便可增大边缘的加热温度,从而提高了焊接速度。但开口角不能过小,如过小会使会合点到挤压辊中心线的距离加长,从而导致边缘并非在最高温度下受到挤压,这样焊接质量降低。如果开口角过大,则邻近效应减小,焊接速度降低,功率消耗增加。在实际生产中,确定移动导向辊3的纵向位置来调整开口角大小,在导向辊3不能纵向调整的情况下,可用导向环厚度或压下封闭孔或导向辊3来调整开口角的大小。最佳的开口角度控制5度。
7、焊缝热处理。为获得高强度、高韧性的ERW油井套管,应该对焊缝进行充分热处理,以此改善焊缝及其热影响区(HAZ)内的显微组织。热处理的关键在于两个方面,一是热处理的温度选择,研发过程围绕不同热处理温度区间进行对比分析,确定在950℃热处理试样中形成细小的铁素体晶粒,而在1050℃热处理试样中形成粗晶粒的贝氏体。当热处理温度为950℃时,扩散的碳化Nb-Ti能在热处理阶段保持奥氏体晶粒的存在。而大部分的碳化Nb和Ti在奥氏体中处于不溶状态,奥氏体晶粒在热处理阶段迅速长大,因此温度在1050℃以上时,冷却时要形成粗晶粒的奥氏体。二是焊缝内外表面热处理区域的宽度。经调整热处理温度,试验结果表明热处理温度低于900℃,外表面金相组织良好,但内壁热处理区域过窄,内表面焊缝的硬度高并且冲击韧性差;热处理温度高于1050℃,内壁热处理充分,但钢管外壁晶粒粗大。最佳的热处理范围在920-1050℃。采用4台焊缝中频热处理装置,完全满足焊缝退火和正火等热处理要求。
8、空冷水冷。经过热处理后的焊缝采用60米空冷段进行空冷,此工艺为模拟正火工艺,因为正火定义为在静止的空气中冷却,而钢管是在运动的在空气中冷却,因此定义为模拟正火工艺。为了保障焊缝不存在未回火马氏体组织,还要进行水冷,进入水冷槽前的焊缝温度保持在350度以下。为了保障钢管的几何尺寸不因温度影响过大,焊缝出水冷槽的温度控制在80度以下。
9、钢管定径。钢管的直径、椭圆度和直度靠定径段来实现和保障。定径段采用4架整径辊来调整钢管的直径和椭圆度,采用一架矫直辊进行矫直,每架次均采用4辊式。由于N80钢级强度高,较小的定径量容易导致钢管发生弯曲,因此N80级钢管的定径量控制在6mm。每架次的减径量控制在1.5mm,过大的减径量会导致设备超负荷运行。
为检验本发明N80级ERW油井套管的制造方法,进行试验和分析如下:API5CT标准只规定了S、P的含量,其它元素没有要求,由于ERW仅适用于低碳钢或低合金钢的焊接,因此选择原料的化学成分应为低碳合金钢,用于ERW焊接的N80原料化学成分为:C≤0.12%;Si≤0.35%;Mn≤1.85%;P≤0.025%;S≤0.010%;Mo≤0.40%;Cu≤0.30%;Ni≤0.40%;B≤0.0005%;V+Nb+Ti≤0.15%。
钢的焊接碳当量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.45%;焊接裂纹敏感性系数Pcm=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+V/10+Mo/15+5B≤0.23%。
试验选择钢管的规格为244.48X10.03mm,工作板宽通过计算公式确定为758mm。经过粗成型和精成型后周长为784mm。焊接首先按常规工艺参数进行设定,焊接速度确定15m/min,焊接功率设定为610KW,开口角控制3°,开口宽度12-13mm。焊接挤压量在5mm,保证焊缝融合线宽度0.20-0.02mm,金属流线角度控制在60度,焊接磁棒采用日本TDK磁棒。高频直缝焊的三大要素为焊接挤压力,焊接功率和开口角度,在常规工艺参数下对以上三要素进行改变,找出最佳参数。
在其它工艺参数不变条件下,改变焊接挤压量,挤压量分别为5mm,6.5mm,8mm三种情况,对焊缝进行拉伸和冲击韧性试验。在三种挤压力情况下,焊缝抗拉强度变化不大,但焊缝冲击韧性变化较大,9mm挤压量过大,将熔融金属全部挤出,导致冲击功降低。5mm挤压量在焊缝中还存在少量夹杂物,影响焊缝冲击功。7mm挤压量最为合适,冲击功平均为95J,熔合线宽度为0.10mm,金属流线上升角为78度,内侧和外侧、左右两侧均匀对称分布,冲击试验结果最为理想。不同挤压量条件下冲击试验结果如下:
冲击试验温度为0℃,试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm。
在其它工艺参数不变的前提下,改变焊接功率,焊接功率分别为580KW,610KW,640KW,680KW四种情况,分别对不同功率下的焊缝进行拉伸试验和冲击试验,试验结果见下表。在功率580KW焊接时属第一种焊接现象,在焊接时不可避免的会出现波动,容易造成冷焊,焊缝冲击韧性差。在功率680KW焊接时属第三种焊接现象,内外毛刺较大,功率过大易产生回流夹杂的现象,降低了焊缝的冲击韧性。在功率610KW和640KW焊接时属第二种焊接现象,焊接点波动小焊缝质量稳定。试验结果见下表:
冲击试验温度为0℃,试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm。
在其它工艺参数不变条件下,改变开口角度,开口角分别为3°,4°,5°,6°三种情况,对焊缝进行拉伸和冲击韧性试验。在三种开口角情况下,焊缝冲击韧性变化较大。由于开口角增大,两带钢边缘临近效应降低,达到同样的焊接温度所需要接功率就要增加。因此开口角增大功率应相应增加功率,否则起不到增大开口角的作用。从检验结果来看,开口角为5°时焊缝冲击韧性值最高。说明大开口角有利于焊接质量。检验数据见下表:
中频热处理采用4架500KW的中频加热设备,分别以出口温度890℃,920℃,950℃,980℃,1030℃,1080℃进行试验,根据试验结果,热处理温度低于920℃,内壁热处理不充分,冲击试验结果不理想;在920℃-1030℃之间的热处理温度均能保证热处理充分,内外表面晶粒度能满足技术要求;但超过1030℃试样冲击不稳定,主要是晶粒粗大造成冲击不稳定。试验结果见下表:
对热处理后的试样按ASTM E112规定的平均晶粒度测量方法进行测量,热影响区和焊缝处的晶粒度达10级以上。如图3所示,金相组织为B粒+PF+P(其中B粒为粒状贝氏体,PF为多边形铁素体,P为珠光体)。