提高HFW鋼管合格率的有效措施

左蘭蘭，孫 鵬，李建剛

（中石化石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

0 前 言

根據高頻焊管生產線的工藝布局及實際生產情況，采用單純的正火熱處理工藝，在每次停車至再次開車熱處理溫度穩定前，約有5根鋼管為熱處理不穩定段，按標準要求，這個區間的鋼管都要做降級處理。為減少停車造成的損失，一般會盡量將停車位置選在對頭焊位置，對頭焊縫必須切除。這樣一來，每次停車后，除去對頭管必須降廢外，另外有近4根鋼管因熱處理不完全要做降級處理。根據經驗，熱處理不完全的鋼管主要體現在沖擊韌性差（尤其是低溫條件下），達不到標準及技術規格書的要求［1-10］。為減少停車造成的降級管數量，可以嘗試每次開機時對其進行補充加熱，以期改善焊縫性能，提高因熱處理不完全造成的損失。筆者著重對補充加熱過的鋼管焊縫進行了試驗分析，以判斷此種方案的可行性，為提高產品的合格率做好基礎準備。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗使用的原材料為國內某鋼廠生產的L415M熱軋管線鋼，其化學成分見表1。

表1 L415M管線鋼的化學成分 %

1.2 試驗設備

用CHT4106萬能試驗機對試樣進行拉伸試驗，用NI750F型沖擊試驗機對所有試樣進行夏比沖擊試驗，用HS600超聲波數字探傷儀對試樣進行檢測，用YAW200-YB型壓扁試驗機對焊縫試樣進行壓扁試驗，用4XC型光學顯微鏡觀察試樣顯微組織。所有試樣的取樣、制備和評定均按照GB/T 9711—2011及其引用標準執行［11］。

1.3 試驗方法

本生產線的熱處理配置為淬火+回火（調制）模式，工藝布局及取樣鋼管如圖1所示。一般生產采用正火工藝，即只采用1#，2#和3#熱處理設備加熱。采用補充加熱時，每次開車后同時啟動4#，5#和6#加熱設備。每次停車時，分別在6#熱處理設備下方的鋼管上做標識，每次開車后，鋼管焊縫經1#，2#和3#熱處理設備加熱到工藝要求溫度時，在鋼管相應位置做上標識，此標識到達4#加熱設備下方時，關閉4#，5#和6#加熱設備。所有試驗鋼管均取自經高頻焊機組正常生產的鋼管，規格為φ323.9mm×7.1mm，生產速度為20m/min。管號是根據鋼管下線后的編號而定，由鋼管上標識的位置，可以類推為圖1所示的停車時的相應位置，樣本管號見表2，分別抽取正常生產時的兩組樣本來進行試驗。所有試樣均經過手動超聲波檢測儀器檢驗，結果合格。沿鋼管生產方向，每根鋼管從右到左每間隔3m取一組焊縫拉伸、沖擊、金相及壓扁試樣，編號分別為13703020A，13703020B，13703020C，13703020D和13703020E等，依次類推。

圖1 工藝布局及取樣鋼管示意圖

表2 樣本管號

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫拉伸和夏比沖擊試驗結果分析

第一組夏比沖擊試樣的加工尺寸為3.3mm× 10mm×55mm，試驗溫度為-20℃。根據 GB/T 9711—2011PSL2及訂單技術規格書要求：焊縫的抗拉強度≥520MPa，焊縫的夏比沖擊功（-20℃，全尺寸）單值≥45 J，平均值≥55 J。在本試驗條件下，夏比沖擊功的單值≥15 J，平均值≥18.2 J。表3為第一組試樣的拉伸試驗、沖擊試驗和手動超聲波檢測結果，由表3可以看出，夏比沖擊功的單值最低為50 J，平均值最低為 61 J，均高于技術規格書要求。焊縫的抗拉強度最小值為590MPa，也滿足要求。所有試驗樣本性能穩定，未出現明顯差異。

第二組夏比沖擊試樣加工尺寸5mm×10mm× 55 mm，試驗溫度為-20℃。根據GB/T 9711—2011 PSL2標準及訂單技術規格書要求本試驗條件下，夏比沖擊功單值≥22.5 J，平均值≥27.5 J。表4為第二組試樣的拉伸試驗、沖擊試驗和手動超聲波檢測結果。由表4可以看出，夏比沖擊功的單值最低為 32 J，平均值最低為37 J，焊縫的抗拉強度最小值為570 MPa，所有指標都滿足標準要求。其中夏比沖擊功的單值最低值和平均值最低值均位于14701066C試樣上，而且14701066整根鋼管的沖擊韌性較其他樣本而言都要差。由圖1可知，14701065試樣為停焊、對頭鋼管，且對頭位置靠近14701066鋼管一側，對頭前后的鋼管原料質量較差，在成型和焊接時本身也存在不穩定因素，而且對頭位置經過熱處理感應加熱線圈時，需要視對頭焊縫質量的好壞，調整線圈的高度，以防撞壞線圈，這樣就會造成加熱不均勻現象。另外對頭前后，焊縫會發生一定偏轉，必要時也需要調整感應加熱線圈的水平位置，以便跟蹤焊縫加熱，所以總得來說在對頭前后位置處，影響焊接和熱處理質量的因素較多且復雜，控制起來也相對困難。除14701066試樣外，所有試樣性能穩定，未出現明顯差異。

表3 第一組試樣焊縫拉伸和夏比沖擊試驗結果

表4 第二組試樣焊縫拉伸和夏比沖擊試驗結果

續表

2.2 焊縫的顯微組織分析

焊縫的金相組織分析以試樣 13703021D，13703022E，14701062C，14701063C，14701066A， 14701066B，14701066C，14701066D和14701066E為代表，如圖2所示。

由圖2可知，試樣13703021D和14701062C為熱處理合格段，有重復加熱的過程，但并未影響其顯微組織。從表3和表4的數據看，其各項性能指標也未有明顯變化。

試樣13703022E和14701063C是停車時位于1#，2#和3#熱處理設備下方的鋼管區間，屬于熱處理不合格管段。從金相分析可以看出，經4#，5#和6#熱處理設備補充加熱后，顯微組織中不存在焊態組織，主要為鐵素體+珠光體，晶粒大小均勻。說明經過補充加熱后，可以實現對焊縫進行完全熱處理的效果。從表3和表4的數據也可以看出，力學性能均滿足技術要求。

1470106試驗管是起焊后經1#，2#和 3#加熱后溫度未達到工藝要求的管段，金相分析顯示經 4#， 5#和 6#熱處理設備補充加熱后，14701066A、14701066B和14701066C試樣的顯微組織中存在大量魏氏組織［12］，產生魏氏組織的原因可能是因為對頭焊縫經過1#，2#和3#熱處理設備加熱時，因調整感應線圈的位置及輸入功率，造成此區間鋼管過熱，再經過4#，5#和6#熱處理設備的補充加熱，更加深了過熱的程度。

圖2 試驗用HFW鋼管焊縫顯微組織

從14701066D和14701066E試樣的金相分析可以看出，此時顯微組織主要為鐵素體+珠光體，而沒有過熱組織。從表4中得到的夏比沖擊吸收功的數值也可以看出，過熱的魏氏組織是影響焊縫低溫沖擊韌性的重要因素之一。說明對頭位置存在熱處理溫度的波動階段，對焊縫的顯微組織有影響，但經過及時調整后，控制好1#，2#和3#熱處理設備的加熱溫度，并與4#，5#和6熱處理設備補充加熱溫度相互配合，仍然能夠達到對焊縫進行完全熱處理的效果。

3 結 論

（1）試驗結果表明，經4#，5#和6#熱處理設備補充加熱后，焊縫的抗拉強度、-20℃低溫沖擊韌性、無損檢測結果均滿足GB/T 9711— 2011 PSL2及訂單技術規格書的要求。說明補充加熱措施可以改善焊縫的綜合力學性能，在實際生產中有一定可行性，對于提高產品的合格率有一定幫助。

（2）金相分析顯示，在穩定生產過程中，焊縫的顯微組織主要為鐵素體+珠光體，無焊態組織，整體焊縫組織均勻，說明焊縫經過了良好的熱處理。

（3）對于對頭停焊前后位置的鋼管，因實際生產過程中成型、焊接和熱處理是一個波動變化過程，影響焊縫質量的因素眾多，也很復雜，只能從實踐中不斷積累經驗，盡量控制此區段的鋼管生產的穩定性，減小波動范圍，從而降低產品的不合格率。

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