HFW焊縫性能優化工藝研究

何石磊白　鶴張　峰韋　奉王　軍李周波黨　濤李遠征

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西寶雞721008）

0　前言

目前，國內外采用高頻焊管機組生產HFW焊接油套管，主要生產工藝有定徑工藝和張力減徑工藝[1]。兩種工藝特點不同，對焊縫的處理手段也不同，在定徑工藝中普遍利用在線焊縫熱處理，采用正火、正火+回火和離線調質等熱處理工藝；在張力減徑工藝中利用全管體中頻感應加熱和熱張力減徑設備，采用在線控制冷卻、離線調質等熱處理工藝。雖然對生產HFW焊接油套管中采用兩種工藝都可實現對焊縫組織和性能的優化[2-9]，但兩種工藝對焊縫性能的優化效果對比，還鮮有人報道。

本研究以J55鋼級HFW焊接套管的生產試驗為例，通過設計并模擬不同焊縫熱處理工藝，對HFW管坯焊縫性能進行優化，并對比試驗結果，從而為生產線HFW焊接油套管焊縫質量控制、焊縫性能優化和工藝選擇提供參考。

1　試驗材料

試驗用J55綱級卷板化學成分見表1，供貨狀態為熱軋態。其常溫下力學性能見表2，顯微組織如圖1所示，顯微組織為鐵素體+珠光體。將卷板縱剪后，采用FFX成型方式粗成型、精成型，再經過HFW高速連續焊接制成管坯。

表1　試驗材料化學成分　%

表2　試驗材料力學性能檢測結果

圖1　試驗材料顯微組織

2　試驗方法

采用高頻固態焊機進行HFW焊接成型制成試驗管坯，然后將管坯進行相應熱處理，其詳細熱處理工藝方案及焊縫優化工藝見表3。

從焊縫位置取20 mm×18 mm尺寸塊狀金相試樣，用3%硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用DMI 5000M金相顯微鏡進行組織觀察。硬度檢測采用HXD-1000TMC顯微硬度計，沿鋼管內壁、中間和外壁位置，在焊縫中心、熱影響區和母材分別取3個點測試硬度值，求平均值。沖擊試驗采用PSW 750示波沖擊試驗機，分別采用6件尺寸為55 mm×10 mm×5 mm的焊縫和母材的橫向試樣，試驗溫度為21℃，測定后轉換成全尺寸沖擊功。

表3　中頻熱處理工藝方案

溝槽腐蝕試驗采用恒電位電化學極化方法，腐蝕環境為3.5%NaCl中性水溶液，采用HDV7C型恒電位儀，利用三電極系統施加-550 mV（極化時間為144 h）。試驗后分別測量焊縫的腐蝕深度h2和母材的平均腐蝕深度h1，根據溝槽腐蝕敏感性系數α=h2/h1公式，評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。

3　試驗結果及分析

3.1　顯微組織

圖2顯示了不同熱處理工藝下HFW焊縫區域的顯微組織。在HFW高頻焊接后，毗鄰焊縫的顯微組織轉變為硬質相，如在快速冷卻下產生的馬氏體和貝氏體或魏氏體組織，如圖2（a）所示。經過局部焊縫中頻感應熱處理后，其焊縫區域顯微組織如圖2（b）所示；焊縫熱處理后，再進行全管體中頻感應加熱，并空冷，其焊縫區域顯微組織如圖2（c）所示；不進行局部焊縫熱處理，直接采用全管體中頻感應加熱后進行熱張力減徑，其焊縫區顯微組織如圖2（d）所示。在工藝2和工藝3的基礎上，將焊縫進行控制冷卻，其焊縫區域組織形貌如圖2（e）和圖 2（f）所示。

通過金相組織對比可以看出，局部焊縫熱處理后，HFW焊接過程中因高溫存在脫碳，使焊縫中心位置鐵素體含量較多，鄰焊縫熔合線位置珠光體含量較多，其組織形態和分布明顯不均勻，焊接流線明顯；局部焊縫熱處理后，再進行全管體中頻加熱，因二次加熱使焊縫區域組織趨于均勻化，但因冷卻速度緩慢，使焊接流線存在；而全管體中頻感應加熱再進行熱張力減徑，因熱機械軋制作用，使焊縫的組織分布均勻化增強，焊接流線改善；在熱張力減徑后再引入控制冷卻，因增加奧氏體過冷度可細化組織，改善組織分布和焊接流線。未引入控制冷卻容易形成少量魏氏體組織，組織分布不均勻，因而對焊縫的性能不利。

分析其原因，局部焊縫感應熱處理利用中頻感應快速加熱時間短、速度快的特點[10]，重新奧氏體化焊縫區域的組織，從而實現了焊縫性能優化；焊縫熱處理后再進行全管體中頻感應加熱并空冷，利用中頻感應加熱特點，對焊縫雙重加熱，細化組織和降低殘余應力，從而實現焊縫性能提升；在中頻感應加熱后僅引入控制冷卻，雖然保留了中頻感應熱處理的優點，降低了相變溫度Ar3，同時增加了α相的形核率，阻止或推遲了Nb，V和Ti等合金元素的組織轉變析出行為[11-13]，但可能因冷卻不均勻而造成性能波動；而熱張力減徑工藝的引入，對管坯進行高溫熱機械軋制，盡管可增加鐵素體形核的有效晶界面積，提高鐵素體形核率，細化鐵素體晶粒[11,14]，但因三維軋制使奧氏體變形量存在差異，因而容易造成組織分布或尺寸大小波動；而中頻感應加熱后熱張力減徑，并控制冷卻，利用中頻感應加熱保留原料卷板性能優點，通過熱張力減徑和控制冷卻，控制組織轉變和發揮合金元素Nb，V和Ti等的作用，使焊縫組織分布均勻化，有效改善焊接流線，從而提高焊縫性能。可見，HFW焊接管坯生產中引入中頻感應加熱、熱張力減徑技術和在線控制冷卻，可有效優化焊縫組織和性能。

3.2　顯微硬度

圖3顯示了不同熱處理工藝下HFW焊縫中心、熱影響區和母材的硬度分布規律。與焊態組織（如圖3（a）所示）相比，焊縫局部熱處理雖然可明顯降低焊縫硬度差異，但焊縫和熱影響區硬度仍略高于母材，并且熱影響區硬度波動較明顯，如圖3（b）所示。隨著對焊縫熱處理后管坯進行二次全管體中頻加熱并空冷，焊縫硬度略降低，較單純的焊縫硬度均勻性提高，如圖3（c）所示；但增加控制冷卻后，焊縫硬度均勻性降低，略低于其他位置，如圖3（e）所示。

圖3　不同工藝狀態下焊縫顯微硬度分布規律

采用熱張力減徑工藝，管坯焊縫區域的硬度分布均勻性明顯提高，焊縫中心、熱影響區和母材的硬度趨于一致， 如圖3（e）和圖3（f）所示，特別是熱張力減徑后增加控制冷卻，不僅可保持硬度的均勻性，而且可以提高管材硬度，從而實現良好的強度和韌性配比。分析其原因主要在于采用中頻感應加熱、熱張力減徑和控制冷卻綜合技術，有效控制了組織的形核位置和形核率，使鐵素體和珠光體分布均勻化，細化了組織。

3.3　沖擊韌性

圖4顯示了不同工藝狀態對HFW焊縫沖擊韌性的影響。從圖中工藝1和工藝2與焊態結果對比可以看出，單純的局部焊縫中頻感應處理和經全管體中頻加熱+熱張力減徑后空冷處理均可在一定程度上提高焊縫沖擊韌性，但引入熱張力減徑可顯著提高母材的沖擊韌性。對比工藝3、工藝5和工藝1可看出，局部焊縫中頻感應熱處理后再經全管體中頻加熱，可提高母材和焊縫的沖擊功，引入在線控制冷卻工藝后可進一步提高母材和焊縫的沖擊功。工藝4和工藝5對比可看出，在控制冷卻前增加熱張力減徑工藝，可有效提高焊縫與母材的橫向沖擊功值，顯著提高管材的焊縫沖擊韌性。可見，通過中頻感應加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻工藝的優化組合，比局部焊縫熱處理的焊縫韌性提高2～3倍，有效提升了焊縫的沖擊韌性。

圖4　不同工藝狀態對焊縫沖擊韌性的影響

3.4　溝槽腐蝕

表4列出了不同工藝處理后HFW焊縫溝腐蝕試驗結果。從表中可以看出，5種焊縫處理工藝均可使HFW焊管焊縫溝腐蝕系數α＜1.3，使焊縫對溝槽腐蝕不敏感。但經工藝5的中頻感應加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻綜合處理可使HFW焊接管坯溝槽腐蝕系數最低；單純的局部焊縫在線熱處理（工藝1）、局部焊縫+全管體中頻感應加熱并空冷（工藝2）、控制冷卻（工藝4）和全管體中頻感應加熱后熱張力減徑并空冷（工藝3）對降低焊縫的溝槽腐蝕系數作用相近，但低于工藝5試驗結果。原因在于:采用中頻感應加熱+熱張力減徑+控制冷卻工藝可使焊縫和母材組織成分差異減小，組織均勻化，殘余應力降低，從而降低溝槽腐蝕敏感性[15]；而單純的在線焊縫中頻感應熱處理因局部加熱容易增加焊縫殘余應力，全管體中頻感應加熱后空冷或缺少熱減徑的控制冷卻容易遺傳焊態奧氏體組織特點，造成焊縫區域組織尺寸波動，從而使溝槽腐蝕敏感性有所降低。而中頻感應加熱+熱張力減徑后空冷，因冷卻速度慢使溝槽腐蝕敏感性增加。

表4　不同工藝狀態下焊縫溝腐蝕敏感性系數

4　結論

（1）采用中頻感應加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻組合工藝對HFW焊接套管管坯焊縫進行處理，可優化焊縫組織分布，細化焊縫組織尺寸，均勻化焊縫硬度分布，提高焊縫沖擊韌性，降低溝槽腐蝕敏感系數。

（2）局部焊縫中頻感應加熱并空冷、局部焊縫+全管體雙重中頻感應加熱后空冷或再控制冷卻以及全管體中頻感應加熱后熱張減和空冷，均可一定程度提高焊縫韌性，均勻化硬度分布，降低腐蝕敏感系數，但整體上HFW焊縫優化效果低于全管體中頻感應加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻組合工藝。

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