CN103276187A

CN103276187A - 提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法

Info

Publication number: CN103276187A
Application number: CN2013102286776A
Authority: CN
Inventors: 王剑; 陈钊; 黄雷
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103276187B

Abstract

本发明公开了一种提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法，该方法包括以下步骤：1）中频加热；2）水雾冷却：焊缝经中频加热保温后，沿辊道运行1~3米后，进行水雾冷却，所述水雾冷却的水压为0.4～0.6Mpa，焊缝的冷却速度为80～100℃/s，终冷温度为400～600℃；3）空气吹扫：经水雾冷却后，随即用压缩空气进行吹扫，所述压缩空气的压力为0.1～0.3MPa；4）却及水冷处理：经压缩空气吹扫后，焊管随着辊道前行进行自然冷却，，待焊管管体温度下降到不高于350℃时，然后对焊管整体进行水冷处理，即完成对焊缝的热处理工艺。经本发明方法处理后的焊缝力学性能好、表面质量高、处理方便，成本低廉。

Description

提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法

技术领域

本发明属于高频直缝焊管热处理技术领域，具体涉及一种提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法。

背景技术

随着我国热轧技术的不断进步，目前管线钢热轧卷生产均采用控温控轧（TMCP）技术，这种热轧技术的飞越使我国在管线钢生产中，特别是高钢级（如X70及以上钢级）管线钢生产中，从原来通过添加大量贵重合金（如Mo等）成份来提高钢的强度和性能，转变到用适量的微合金成份保证性能而通过控制轧制的工艺提高钢的强度。但是，在X70级高频直缝焊管生产时，焊缝在焊接后需进行模拟正火热处理，由于将钢加热到 Ac3(或Acm)点以上30～50℃，保温一定时间后，在空气中冷却的正火工艺空冷冷却速度较慢，晶粒在空冷的过程中还会聚集长大，导致焊缝强度降低，不能使焊缝区域组织状态和力学性能达到母材性能要求，即常规的模拟正火工艺在X70级高频直缝焊管的生产中不能满足需要。

选择比空冷较快的冷却速度进行冷却，获得更加细化的组织，焊缝的综合力学性能能够得以提高。因此，在焊缝区域组织加热到奥氏体化温度后，选择一种合适的冷却工艺对于改善钢管焊缝的组织和综合力学性能具有十分重要的意义。

目前，解决正火后钢管焊缝强度偏低的方法主要是淬火机cooling模式的开发。在现有正火机基础上，通过关闭淬火机部分水冷段，精确的设置其它水冷段的水流量、水气比和焊接速度等参数，使淬火机的强力水冷变为弱水冷，以实现钢管焊缝正火后的加速冷却，达到控制焊缝内部组织的转变，提高强度的目的。这种方法是目前解决焊缝正火热处理后强度偏低的主要方法，但是这种方法在实施的过程中存在着一些问题。（1）生产时，淬火高低压水系统同时正常运行，生产成本高。（2）喷嘴的设计，冷却方式的搭配要求较高；水气配比稳定才能确保冷却均匀，冷却范围窄，采用这种方法冷却时会冷却不均。（3）淬火后，由于热影响区或焊缝内形成了淬火组织，在高应力作用下会产生严重的应力集中，最易产生冷裂纹。（4）淬火后焊缝强度提升但冲击韧性明显降低。基于以上原因，目前热处理方法处理后的高频直缝焊管的焊缝区域组织为马氏体组织，综合力学性能差，不能很好地满足石油天然气用管的标准要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案主要包括以下步骤：

（1）中频加热：采用中频感应加热设备对焊缝进行在线热处理，将焊缝温度提高到Ac3+20~30℃后保温2~5 s，所述中频感应加热设备为两种不同频率的加热器，其中频率较高的设置在前，频率较低的设置在后；

（2）水雾冷却：焊缝经中频加热保温后，沿辊道运行1~3米后，进行水雾冷却，所述水雾冷却的水压为0.4～0.6Mpa，焊缝的冷却速度为80～100℃/s，终冷温度为400～600℃；

（3）空气吹扫：经水雾冷却后，随即用压缩空气进行吹扫，压缩空气的压力为0.1～0.3MPa；

（4）自然冷却及水冷处理：经压缩空气吹扫后，焊管随着辊道前行自然冷却，待焊管管体温度下降到不高于350℃时，然后对焊管整体进行水冷处理，即完成对焊缝的热处理工艺。

综上所述，本发明具有以下优点：

（1）通过中频感应加热器快速加热，控制保温时间，可以减少焊管的加热时间，有效地控制焊缝奥氏体晶粒的长大，为正火后得到细小均匀的组织提供了条件。

（2）在水雾冷却之前使焊管沿轨道运行1～3m后进行空冷，可使焊缝上的温度逐步传导到整个焊管管体，在使焊缝温度降低到Ac3温度的同时也使整个焊管管体的温度得到提升，有利于产生自回火效应；由于水雾冷却能力范围大，压力稳定，可以提高焊缝的组织转变的过冷度和实现焊缝纵向冷却的均匀性，以充分发挥焊缝热处理过程中的组织细化提高强度的作用，有效阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，使强化元素弥散析出，提高焊缝强度，改善焊缝的综合力学性能。

（3）水雾冷却后利用压缩空气进行吹扫，可以有效的避免残留的水在焊管上晃动使管体冷却不均。

（4）本发明方法处理的高频直缝焊管焊缝综合力学性能得到极大提高，焊缝抗拉强度由原正火工艺550-575 MPa提高到595-635 MPa，平均提高40-60MPa，同时焊缝的低温0°冲击功值平均为230J，完全达到并高于标准要求值。

（5）本发明方法处理的焊缝不仅具有很好的表面质量，而且还能降低能耗，节约成本，综合效益较高。

（6）本发明的工艺方法和其前一道焊接工序同在线上进行，不需额外在线下进行处理。

附图说明

图1 为本发明工艺方法的示意图。

图2为本发明工艺方法处理后远离焊缝的母材显微组织。

图3为本发明工艺方法处理后熔合区、热影响区显微组织。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明首先利用Andrews经验公式计算焊管材料的Ac3温度。本具体实施方式中，焊管的钢种为X70，规格为∮406.4mm×8.1mm，计算得到的Ac3温度为912℃。中频加热在加热房（即设置有中频感应加热设备对焊缝进行加热的房间）中进行，加热房长度为10000mm，沿焊管运行方向依次划分为小功率加热区，其长度为2500mm；大功率加热区，其长度为7000mm；保温区，其长度为500mm。小功率加热区设置有2台频率为685～695Hz、功率分别为150KW和175KW的加热器，大功率加热区设置有2台频率为385～405Hz、功率分别为230KW和405KW的加热器，保温区未设置任何加热器，仅利用加热房房内本身的温度使焊管保温。其中焊管通过速率为12m/min（即200mm/s），保温时间为500mm/（200mm/s）=2.5s。

实施例1

对高频直缝焊管焊缝进行热处理：

（1）中频加热：在加热房中采用中频感应加热设备对焊缝进行在线热处理，将焊缝温度提高到935℃后保温2.5s时间。

（2）水雾冷却：焊管出加热房沿辊道运行1~3米后，进行水雾冷却，水雾冷却装置共有3组，水雾冷却的水压为0.5Mpa，焊管的冷却速度为80℃/s，终冷温度为550℃。水雾冷却的水雾通过全锥型水雾喷嘴喷出，喷射角为67°，呈1-1-3进行分布，这样的水雾喷嘴可使水形成0.01~0.15mm的自然颗粒。水雾冷却迅速将焊管从奥氏体化温度冷却到550℃后，经形变淬火而细化了的未溶铁素体可阻止晶粒长大，沿淬火前原粗大奥氏体晶界形成极细的奥氏体晶粒，晶粒细化，且置换出一定的粒状贝氏体，有利于增加强韧性，降低缺口敏感性。

（3）空气吹扫：经水雾冷却后，随即用压缩空气进行吹扫，压缩空气的压力为0.2MPa；压缩空气吹扫可以有效避免有水残留在焊管上晃动使管体冷却不均。

（4）自然冷却及水冷处理：经压缩空气吹扫后，焊管随着辊道前行进行自然冷却，待焊管管体温度下降到不高于350℃时，然后对焊管整体进行水冷处理，即完成对焊缝的热处理工艺。由于焊缝以及管体自身携带温度，在空冷过程中形成自回火工艺，将焊缝区域中的极少量残余马氏体转换成回火马氏体，极大的减少了焊缝的脆性和淬火应力。对焊管整体进行水冷处理水冷处理与现有技术相同。

实施例2

对高频直缝焊管焊缝进行热处理：

（2）水雾冷却：焊管出加热房沿辊道运行1~3米后，进行水雾冷却，水雾冷却装置共有3组，水雾冷却的水压为0.6Mpa，焊管的冷却速度为90℃/s，终冷温度为500℃。水雾冷却的水雾通过全锥型水雾喷嘴喷出，喷射角为67°，呈1-1-3进行分布，这样的水雾喷嘴可使水形成0.01~0.15mm的自然颗粒。水雾冷却迅速将焊管从奥氏体化温度冷却到500℃后，经形变淬火而细化了的未溶铁素体可阻止晶粒长大，沿淬火前原粗大奥氏体晶界形成极细的奥氏体晶粒，晶粒细化，且置换出一定的粒状贝氏体，有利于增加强韧性，降低缺口敏感性。

（3）空气吹扫：经水雾冷却后，随即用压缩空气进行吹扫，压缩空气的压力为0.3MPa；压缩空气吹扫可以有效避免有水残留在焊管上晃动使管体冷却不均。

（4）自然冷却及水冷处理：经压缩空气吹扫后，焊管随着辊道前行进行自然冷却，，待焊管管体温度下降到不高于350℃时，然后对焊管整体进行水冷处理，即完成对焊缝的热处理工艺。由于焊缝以及管体自身携带温度，在空冷过程中形成自回火工艺，将焊缝区域中的极少量残余马氏体转换成回火马氏体，极大的减少了焊缝的脆性和淬火应力。对焊管整体进行水冷处理水冷处理与现有技术相同。

本发明实施例1和实施例2处理后焊管性能见表1：

表1 按本发明方法处理的X70焊管性能

而常规正火处理（即将带钢弯曲变形后进行高频焊接成钢管，随后对焊缝进行热处理：即中频加热后，在经过空冷一段距离，最后到对焊管整体进行水冷处理，而不包括焊缝热处理后的水雾冷却和空气吹扫阶段）后X70焊管性能见表2:

表2 常规正火处理后的X70焊管性能

根据表1、表2可以看出，经本发明方法处理后的焊管焊缝对比常规正火后的焊管焊缝性能得到显著提升，尤其是焊缝拉伸强度，接近于管体母材抗拉强度值。从图2和图3可以看出，在经过本发明方法处理后的远离焊缝的母材显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体，钢管焊缝熔合区和热影响区显微组织为铁素体+珠光体+少量颗粒状贝氏体+少量回火马氏体，熔合区平均晶粒度约11-11.5级，热影响区平均晶粒度约11级。即经过本发明热处理后，焊缝中少量颗粒状贝氏体的存在，使焊缝具有较好的韧性，而回火马氏体的存在，不仅使焊缝具有高的硬度和高的耐磨性，还能有效的减少内应力，提高焊缝的韧性；又由于铁素体强度低、质软、延展性好，珠光体强度、硬度适中，塑性和韧性好，这四种组织结合起来，在保证焊缝强度和硬度的同时，提高了其韧性和塑性。

Claims

1.一种提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法，其特征在于：它包括步骤如下：

1）中频加热：采用中频感应加热设备对焊缝进行在线热处理，将焊缝温度提高到Ac3+20~30℃后保温2~5s，所述中频感应加热设备为两种不同频率的加热器，其中频率较高的设置在前，频率较低的设置在后；

2）水雾冷却：焊缝经中频加热保温后，沿辊道运行1~3米后，进行水雾冷却，所述水雾冷却的水压为0.4～0.6Mpa，焊缝的冷却速度为80～100℃/s，终冷温度为400～600℃；

3）空气吹扫：经水雾冷却后，随即用压缩空气进行吹扫，所述压缩空气的压力为0.1～0.3MPa；

4）自然冷却却及水冷处理：经压缩空气吹扫后，焊管随着辊道前行进行自然冷却，，待焊管管体温度下降到不高于350℃时，然后对焊管整体进行水冷处理，即完成对焊缝的热处理工艺。

2.根据权利要求1所述的提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述水雾冷却的水压为0.45～0.55Mpa，焊缝的冷却速度为80～90℃/s，终冷温度为500～550℃。

3.根据权利要求1或2所述的提高高频直缝焊管焊缝综合力学性能的工艺方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述压缩空气的压力为0.15～0.25MPa。