CN115786682A - 一种双相不锈钢焊缝热处理方法 - Google Patents

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宋红兵
刘云
张锦刚
余晗
王维东
鲜林云
赵坤
刘玉栋
罗源
李红智
赵博
白耀岗
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Cnpc National Petroleum And Natural Gas Pipe Engineering Technology Research Center Co ltd
China National Petroleum Corp
Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
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Cnpc National Petroleum And Natural Gas Pipe Engineering Technology Research Center Co ltd
China National Petroleum Corp
Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
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Abstract

本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别涉及一种双相不锈钢焊缝热处理方法。一种双相不锈钢焊缝热处理方法，首先将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1；然后在到达设定温度T1后对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温；最后将双相不锈钢焊缝冷却至室温，双相不锈钢焊缝在整个加热、保温、冷却过程中始终处于惰性气体保护环境中。本发明双相不锈钢焊缝热处理方法可以有效地改变双相不锈钢连续管钢带对接焊缝组织，避免焊缝微观组织产生金属间析出物及氧化物形成，使焊缝在使用过程中不会产生脆性开裂，有效提高焊缝塑韧性和耐腐蚀能力，含焊缝的连续管的疲劳寿命可达母管疲劳寿命的90％以上，适用于各种级别双相不锈钢焊缝处理。

Description

一种双相不锈钢焊缝热处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别涉及一种双相不锈钢焊缝热处理方法。
背景技术
我国油气资源大部分含有CO2或H2S，且多数油气井同时含有CO2和H2S。在H2S、CO2和Cl-等介质以及井下高温、高压、多项流环境的共同作用下，会造成连续管严重的腐蚀破坏，导致穿孔、断裂。目前，常规的碳钢连续管已经不能满足H2S和CO2 共存条件下的油气田开发需求。H2S和CO2共存条件下的腐蚀防护已经成为石油、天然气行业亟待解决的关键问题之一。由于H2S和CO2复杂的交互作用，导致缓蚀剂、电化学保护等方式的应用有很大局限性，且需要作业环境处于严格受控。因此，采用双相不锈钢材质制备连续管，从提高自身抗腐蚀能力，是解决连续管在H2S和CO2共存条件下抗腐蚀性的有效、可靠的途径。
双相不锈钢连续管产品单根长度在数千米，在生产过程中必须首先进行带钢对接，使钢带具有足够的长度，才能生产出相应长度的连续管。而双相不锈钢钢带对接焊缝接头成分、组织和性能对连续管的服役安全性具有重要影响。双相不锈钢钢带对接接头在焊接加工过程中由于Cr等合金元素易于氧化，形成夹杂物，并且与C元素形成金间碳化物析出。在350～975℃加热后易产生Cr2N、б相等脆性相，会影响焊缝的力学和耐蚀性能。同时，双相不锈钢由于焊缝中两相比例的失调，进一步使焊缝性能降低，导致焊缝接头无法应用于高承压、耐蚀环境。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种双相不锈钢焊缝热处理方法，可以有效地改变双相不锈钢连续管钢带对接焊缝组织，避免焊缝微观组织产生金属间析出物，避免焊缝夹杂和氧化物形成，使焊缝在使用过程中不会产生脆性开裂，有效提高焊缝塑韧性和耐腐蚀能力，含焊缝的连续管的疲劳寿命可达母管疲劳寿命的90％以上。
本发明的技术方案在于：一种双相不锈钢焊缝热处理方法，包括以下步骤：
S1：将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1；
S2：到达设定温度T1后对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温；
S3：在步骤S2中对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温后，将双相不锈钢焊缝冷却至室温。
所述步骤S1中，双相不锈钢焊缝壁厚为1.9mm~6.4mm。
所述步骤S1中，将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1所采用的加热方式为中频感应加热，加热速度≥10℃/s。
所述步骤S1中，所述的设定温度T1范围为1040℃～1120℃。
所述步骤S2中，对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温，保温时间t1的范围为40s～150s。
所述步骤S2中，保温时在距双相不锈钢焊缝的焊趾距离D=5mm处增加水冷压板。
所述步骤S3中，所述的冷却过程中，采用惰性气体或氢气同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面，冷却速度≥10℃/s。
所述步骤S1、S2、S3中，双相不锈钢焊缝均处于密封的氢气气氛环境中。
本发明的有益效果在于：1、本发明通过对双相不锈钢焊缝快速加热、保温、快速冷却，可以有效地改变双相不锈钢连续管钢带对接焊缝组织，避免焊缝微观组织产生金属间析出物，避免焊缝夹杂和氧化物形成，使焊缝在使用过程中不会产生脆性开裂，有效提高焊缝塑韧性和耐腐蚀能力，含焊缝的连续管的疲劳寿命可达母管疲劳寿命的90％以上；2、本发明通过对双相不锈钢焊缝热处理过程中增加水冷压板，实现对焊缝区域局部热处理，对双相不锈钢母材不造成过宽的热影响；3、本发明中焊缝在加热、保温、冷却环境中均处于氢气气氛保护环境中，避免了焊缝接头氧化，保证了焊缝耐蚀性能，同时氢气具有还原作用，使焊缝接头具有良好的光亮效果；4、本发明的热处理方式工艺简单快捷，成本较低，易实现工业化。
附图说明
图1是本发明实施例一种双相不锈钢焊缝热处理方法中使用的水冷压板示意图。
图2是本发明实施例一种双相不锈钢焊缝热处理方法在处理等离子填丝工艺焊接接头对接焊缝前的组织照片。
图3是本发明实施例一种双相不锈钢焊缝热处理方法中双相不锈钢母材组织照片。
图4是本发明实施例2中一种双相不锈钢焊缝热处理方法在处理等离子填丝工艺焊接接头对接焊缝后的组织照片。
图5是本发明实施例3中一种双相不锈钢焊缝热处理方法在处理等离子填丝工艺焊接接头对接焊缝后的组织照片。
图6是本发明实施例4中一种双相不锈钢焊缝热处理方法在处理等离子填丝工艺焊接接头对接焊缝后的组织照片。
图7是本发明对比例1中一种双相不锈钢焊缝热处理方法在处理等离子填丝工艺焊接接头对接焊缝后的组织照片。
附图标记：1-双相不锈钢试板；2-水冷压板；3-双相不锈钢焊缝。
具体实施方式
实施例1
一种双相不锈钢焊缝热处理方法，包括以下步骤：
S1：将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1；
S2：到达设定温度T1后对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温；
S3：在步骤S2中对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温后，将双相不锈钢焊缝冷却至室温。
所述步骤S1中，双相不锈钢焊缝壁厚为1.9mm~6.4mm。
所述步骤S1中，将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1所采用的加热方式为中频感应加热，加热速度≥10℃/s。
所述步骤S1中，所述的设定温度T1范围为1040℃～1120℃。
所述步骤S2中，对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温，保温时间t1的范围为40s～150s。
所述步骤S2中，如图1所示，保温时在距双相不锈钢焊缝3的焊趾距离D=5mm处的双相不锈钢试板1上增加水冷压板2。从而保证中频感应加热对母材不造成过宽的热影响区。其中，焊趾是焊缝表面与母材交界处。
所述步骤S3中，所述的冷却过程中，采用惰性气体或氢气同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面，冷却速度≥10℃/s。
所述步骤S1、S2、S3中，双相不锈钢焊缝均处于密封的氢气气氛环境中。
在下面实施例2~4中，采用本发明一种双相不锈钢焊缝热处理方法，对实际生产中的双相不锈钢焊缝进行热处理。热处理的双相不锈钢，按照质量百分比，成分为：C≤0.03、Si≤1.00、Mn≤2.00、Cr 22.00～23.00、Ni 4.50～6.50、N 0.14～0.20、Mo 3.00～3.50，并限制P、S为P≤0.020、S≤0.030，余量为Fe和不可避免的杂质元素。热处理的双相不锈钢焊缝采用等离子焊接+填充焊丝工艺进行焊接，其中焊丝的成分包括：C≤0.03、Si≤0.90、Mn0.5～2.0、Cr 21.50～23.50、Ni 7.5～9.5、Mo 2.5～3.5、Cu≤0.75、N 0.08～0.20、P≤0.03、S≤0.03，余量为Fe和不可避免的杂质元素。焊丝直径为1.0mm。
图2为双相不锈钢连续管用原材料钢带对接焊缝的显微组织照片，焊接采用等离子填丝工艺进行焊接。如图2所示，在未对焊缝进行组织性能优化处理前进行检测，焊缝微观组织是由铁素体母相与晶界奥氏体和侧板条状奥氏体条组成，两相组织比例不平衡，铁素体相明显多于奥氏体相，同时微观组织从存在少量金属间析出物。由于焊缝中铁素体比例增多和金属间析出物的存在，导致焊缝显微硬度HV1.0高达330以上，塑性和韧性降低，耐蚀性能也会明显下降。
实施例2
本发明采用中频感应快速加热法，以15℃/s的加热速度将厚度为3mm的双相不锈钢焊缝加热至1080℃；到达设定温度后，对双相不锈钢焊缝保温70s；保温后，采用氢气同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面。以15℃/s的冷却速度，使焊缝冷却至室温。双相不锈钢焊缝在整个加热、保温、冷却过程中始终处于氢气气体保护环境中。
其中，中频感应加热过程是：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (300-300000Hz或更高)的空心铜管，产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热。
如图4所示，采用本发明方法处理后的双相不锈钢焊缝，铁素体组织向奥氏体组织转变充分，奥氏体相比例增多，两相组织达到平衡，奥氏体相：铁素体相 =43.11∶56.89，与母材微观组织，如图3中所示的两相比例基本一致，焊缝微观组织中未发现明显的金属间析出物，同时焊缝显微硬度HV1.0降低为286，接头塑韧性增加。
实施例3
本发明采用中频感应快速加热法，以20℃/s的加热速度将厚度为3mm双相不锈钢焊缝加热至1050℃；到达设定温度后，对双相不锈钢焊缝保温90s；保温后，采用氢气全位置、同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面。以20℃/s的冷速，使焊缝冷却至室温。双相不锈钢焊缝在整个加热、保温、冷却过程中始终处于氢气气体保护环境中。
如图5所示，采用本发明方法处理后的双相不锈钢焊缝，铁素体组织向奥氏体组织转变充分，奥氏体相比例增多，两相组织达到平衡，奥氏体相：铁素体相 =46.20∶53.80，与母材微观组织，如图3中所示的两相比例基本一致，焊缝微观组织中未发现明显的金属间析出物。同时焊缝显微硬度HV1.0降低为282，接头塑韧性增加。
实施例4
本发明采用中频感应快速加热法，以12℃/s的加热速度将将厚度为5.2mm双相不锈钢焊缝加热至1110℃；到达设定温度后，对双相不锈钢焊缝保温50s；保温后，采用氢气全位置、同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面。以12℃/s的冷速，使焊缝冷却至室温。双相不锈钢焊缝在整个加热、保温、冷却过程中始终处于氢气气体保护环境中。
如图6所示，采用本发明方法处理后的双相不锈钢焊缝，铁素体组织向奥氏体组织转变充分，奥氏体相比例增多，两相组织达到平衡，奥氏体相：铁素体相 =45.37∶54.63，与母材微观组织，如图3中所示的两相比例基本一致，焊缝微观组织中未发现明显的金属间析出物。同时焊缝显微硬度HV1.0降低为285，接头塑韧性增加。
对比例1
本实施例中对实际生产中的双相不锈钢焊缝进行热处理。热处理的双相不锈钢同实施例2~实施例4中的一致。
本实施例中采用中频感应快速加热法，以20℃/s的加热速度将双相不锈钢焊缝加热至1020℃/s,；到达设定温度后，对双相不锈钢焊缝保温30s；保温后在未有气体保护下自然冷却至室温。
本实施例未在氢气气氛保护下焊接接头的宏观形貌，双相不锈钢焊缝表面已经全部氧化，会造成焊缝接头耐蚀性能降低。如图7所示，焊缝组织两相相比严重失调，奥氏体相沿铁素体晶界边沿未长大，奥氏体相占比小于15%，组织中存在部分金属间析出物，焊缝接头耐蚀性将受到影响。焊缝显微硬度HV1.0高达335，在对焊缝开展正反弯弯曲试验时，焊缝开裂，焊缝接头塑韧性明显降低。
实施例2~实施例4中，采用本发明方法处理后的双相不锈钢焊缝，焊缝微观组织中铁素体相向奥氏体相转变充分，奥氏体相比例增多，两相组织基本达到平衡，与母材组织如图3中所示的两相比例基本一致，微观组织中未见明显金属间析出物。显微硬度较热处理前明显降低，焊缝正反弯试验无裂纹，焊缝接头具有良好的塑韧性。对焊缝接头开展拉伸试验，所有实施列拉伸断口位置均为母材，延伸率高达25%以上，说明本发明方法处理后的焊缝接头在保证良好塑性韧性的情况下，还具有良好的强度。同时焊缝接头宏观形貌无氧化，接头光泽度较好。具体试验性能对比如表1所示。
表1实施例2~4、对比例1中热处理后的双相不锈钢焊缝性能对比
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采用本发明方法处理双相不锈钢焊缝后的对接钢带制成的双相不锈钢连续管产品，疲劳寿命高达1350~1650次，与不带对接焊缝的母管疲劳寿命基本相当。而不采用焊缝优化处理的钢带制成的双相不锈钢连续管，疲劳寿命仅为300次左右，并且由于焊接接头组织性能的不均匀性，在使用中存在很大的安全隐患。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1；
S2：到达设定温度T1后对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温；
S3：在步骤S2中对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温后，将双相不锈钢焊缝冷却至室温。
2.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S1中，将双相不锈钢焊缝加热至设定温度T1所采用的加热方式为中频感应加热，加热速度≥10℃/s。
3.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述的设定温度T1范围为1040℃～1120℃。
4.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S2中，对双相不锈钢焊缝进行一定时间t1的保温，保温时间t1的范围为40s～150s。
5.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S2中，保温时在距双相不锈钢焊缝的焊趾距离D=5mm处增加水冷压板。
6.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述的冷却过程中，采用惰性气体或氢气同时、均匀吹扫双相不锈钢焊缝正、反表面，冷却速度≥10℃/s。
7.根据权利要求1所述一种双相不锈钢焊缝热处理方法，其特征在于：所述步骤S1、S2、S3中，双相不锈钢焊缝均处于密封的氢气气氛环境中。
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CN116140809A (zh) * 2023-04-04 2023-05-23 浙江工业大学 一种双相不锈钢焊接在线调整相比例的方法

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