HFW鋼管中頻處理后直度超標(biāo)的改進(jìn)措施

陳燕軍，楊宴賓，張世格

（天津市聯(lián)眾鋼管有限公司，天津300606）

HFW鋼管中頻處理后直度超標(biāo)的改進(jìn)措施

陳燕軍，楊宴賓，張世格

（天津市聯(lián)眾鋼管有限公司，天津300606）

為了提高HFW鋼管品質(zhì)，高頻焊接后需要對焊縫進(jìn)行中頻常化處理。針對中頻處理后易造成焊管彎曲的現(xiàn)象，采用兩臺600 kW中頻感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行了在線焊縫模擬熱處理，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。分析表明，主要原因?yàn)橹蓄l溫度和焊接速度等相關(guān)因素控制不好，焊縫溫度高于管體溫度，焊縫溫度越高彎曲度越大。同時根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝提出了改進(jìn)措施，即在空冷段增加冷卻裝置，以此來控制焊管進(jìn)入水冷箱的溫度，防止焊管彎曲度超標(biāo)，收到了良好的效果。

焊接；高頻焊接；中頻處理；直度；冷卻裝置

1 HFW焊管的焊接機(jī)理及焊縫特點(diǎn)

在高頻焊接過程中，利用高頻電流所特有的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使電流高度集中在管筒邊緣的焊合面上。依靠金屬自身的電阻，將邊緣迅速加熱到焊接溫度（根據(jù)不同的材質(zhì)選擇不同的焊接溫度，一般在1 350～1 550℃）時，然后在擠壓輥的擠壓下完成壓力焊接。在焊合過程中鋼帶邊緣的熔合區(qū)中，金屬處于熔融狀態(tài)，晶粒十分粗大，化學(xué)成分和金相組織極不均勻，冷卻后易形成過熱組織。雖然該區(qū)域很窄，卻極易誘發(fā)裂縫和局部脆性破壞，其周邊的熱影響區(qū)又可分為粗晶粒區(qū)（過熱區(qū)）、細(xì)晶粒區(qū)（相變重結(jié)晶區(qū)）和部分相變區(qū)（不完全重結(jié)晶區(qū)），其中過熱區(qū)組織大約在1 100～1 300℃，奧氏體晶粒開始急劇長大，在化學(xué)成分和冷卻速度適當(dāng)?shù)那闆r下也會出現(xiàn)一些硬而脆的組織，使該區(qū)的綜合力學(xué)性能降低。為消除由此引起的隱患，對某些高品質(zhì)的HFW焊管需要進(jìn)行中頻常化處理，目的是使焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒粗大的組織細(xì)化，均勻化，硬度降低，韌性提高，得到焊縫與母材相同的金相組織，并且藉以消除焊接成型過程中的殘余熱應(yīng)力，提高焊縫和熱影響區(qū)的綜合力學(xué)性能。

2 焊縫在線模擬正火熱處理

在線熱處理設(shè)備采用2臺600 kW中頻感應(yīng)加熱裝置。焊縫模擬熱處理工藝參數(shù)一般應(yīng)隨材質(zhì)、壁厚及焊接速度來調(diào)整，其工藝參數(shù)主要為加熱溫度、保溫時間、冷卻速度及入水溫度等。

2.1 第一臺感應(yīng)加熱器的理論工藝參數(shù)

焊縫在高頻焊接后進(jìn)入第一臺感應(yīng)加熱器之前的初始溫度一般為200～320℃。進(jìn)入第一臺感應(yīng)加熱器使焊縫溫度盡可能達(dá)到或超過居里點(diǎn)，從而使整個焊縫在壁厚方向均勻加熱，并且給第二臺感應(yīng)加熱器提供足夠高的起始加熱溫度。但是依照以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，考慮到設(shè)備的實(shí)際能力以及確保延長設(shè)備使用壽命，第一臺感應(yīng)加熱器的理論工藝參數(shù)一般設(shè)定在700～780 ℃。

2.2 第二臺感應(yīng)加熱器的理論工藝參數(shù)

焊管進(jìn)入第二臺感應(yīng)加熱器將焊縫快速加熱到奧氏體化溫度，使焊縫部位的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并且隨后整個焊縫位置的溫度逐步升高，感應(yīng)加熱線圈的交變磁場滲透到整個焊縫壁厚方向，提高整個焊縫的加熱速率，使焊縫內(nèi)外表面得到均勻的加熱，以細(xì)化奧氏體晶粒度。第二臺感應(yīng)加熱器的理論工藝參數(shù)一般設(shè)定在880～960℃（根據(jù)不同壁厚及車速確定相應(yīng)的最終中頻處理溫度）。

因?yàn)樵诖藴囟确秶鷥?nèi)形成的是細(xì)小的鐵素體+珠光體，但要控制在1 000℃以下，如果超過1 000℃，一些合金元素的碳化物溶解在奧氏體中，使奧氏體晶粒迅速長大，在冷卻期間形成粗大的貝氏體組織。另外溫度太高還會引起表面脫碳，使沖擊韌性大大降低。

2.3 空冷段及水冷段工藝設(shè)定

焊縫在經(jīng)過兩臺中頻感應(yīng)加熱器加熱及短暫保溫階段后，進(jìn)入空冷段和水冷段共同構(gòu)成的冷卻階段。冷卻速度是熱處理中很重要的控制手段，要使珠光體晶粒細(xì)化就必須控制冷卻速度。通常焊縫進(jìn)入水冷裝置前的溫度應(yīng)≤350℃，這就需要調(diào)整空冷段的長度和焊接速度。然而空冷段的長度已由工藝布局限定而不可改變，那么調(diào)整溫度只能靠控制焊接速度，而焊接速度太低又會影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此在空冷段加裝管體間接冷卻系統(tǒng)是很有必要的。

3 中頻處理后焊管彎曲度超差的原因分析

天津市聯(lián)眾鋼管有限公司φ355 mm焊管機(jī)組的空冷段長度為65 m，這是目前不可改變的。當(dāng)然如果空間允許距離再加長一些，使降溫時間加長，降溫效果會好一些。

機(jī)組運(yùn)行速度對于高頻焊接來講，在能夠確保足夠輸入熱量的情況下盡可能選擇高的焊接速度。這樣既可提高單位時間的產(chǎn)量，且使熱輸入量的范圍變寬，另外焊接速度加快使加熱時間變短，邊緣加熱區(qū)寬度變窄，減少了形成金屬氧化物的幾率，且擠出的內(nèi)外毛刺較小，容易清除，從而達(dá)到產(chǎn)量高、焊接質(zhì)量和表面質(zhì)量好的效果。

現(xiàn)以該公司生產(chǎn)的X60鋼級、φ273.1 mm×8.18 mm焊管為例進(jìn)行分析。焊接速度為20～22 m/min，第一臺中頻感應(yīng)加熱器的溫度為680～800℃，第二臺中頻感應(yīng)加熱器的溫度為900～940℃，空冷后進(jìn)入水冷箱的溫度為330～380℃。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋸切后焊管較直，但20 min后明顯彎曲，超出了標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，并且影響到后續(xù)的管端加工和水壓試驗(yàn)。從彎管形狀看，呈現(xiàn)規(guī)律性的彎曲。焊縫一側(cè)為凹面，彎曲度基本相似且方向一致，主要原因是焊縫溫度高于管體溫度，受熱脹冷縮規(guī)律的影響，焊縫溫度越高彎曲度越大。

4 中頻處理后焊管彎曲度超差的解決方法

因?yàn)榭绽涠尉嚯x無法改變，中頻熱處理溫度又不能低于900℃，低于900℃達(dá)不到再結(jié)晶溫度，無法使晶粒細(xì)化，達(dá)不到熱處理目的。若熱處理溫度不變，就必須解決厚壁管在空冷段的散熱問題。首先，在成型段增加管體內(nèi)的注水流量，同時開啟室外冷卻塔進(jìn)行循環(huán)冷卻，這樣有利于管體散熱。為了進(jìn)一步使管體達(dá)到良好的散熱效果，在空冷段增加了焊縫及熱影響區(qū)間接冷卻系統(tǒng)，即在嚴(yán)格避開焊縫和熱影響區(qū)的位置，巧妙使用乳化液直接冷卻管體，通過金屬的熱傳導(dǎo)，達(dá)到間接冷卻焊縫的目的。在空冷段焊縫溫度720～760℃的位置加裝間接冷卻裝置，因?yàn)閺腁c1～550℃是奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間，片狀珠光體使鐵素體和滲碳體交替排列成層片狀組織，這種組織的粗細(xì)取決于珠光體的形成溫度，過冷度越大，轉(zhuǎn)變溫度越低，珠光體越細(xì)。增加間接冷卻系統(tǒng)不僅可加速管體散熱，而且對細(xì)化晶粒也有好處，取得了事半功倍的效果。

如果不加冷卻裝置將會限制焊接速度，焊接速度低會影響焊接質(zhì)量，但不限制焊接速度將控制不了空冷后進(jìn)入水冷箱的溫度，同樣也會影響焊管質(zhì)量。增加冷卻裝置后，生產(chǎn)X60鋼級、φ273.1 mm×8.18 mm焊管的工藝參數(shù)變化為：焊接速度22～26 m/min，第一臺感應(yīng)加熱器的溫度為680～800℃，第二臺感應(yīng)加熱器的溫度為900～940℃，空冷后進(jìn)入水冷箱的溫度≤300℃。當(dāng)焊縫溫度≤300℃時，焊縫進(jìn)入水冷段，經(jīng)過乳化液冷卻后溫度進(jìn)一步降低至管體溫度。防止鋼管在經(jīng)過定徑及土耳其頭的幾何尺寸調(diào)整后，不會因?yàn)槔淇s再次發(fā)生幾何尺寸的變化。

5 改進(jìn)效果

改進(jìn)后的焊縫熔合區(qū)及熱影響區(qū)組織如圖1所示，焊管彎曲度數(shù)據(jù)對比見表1，API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)直度要求為0.2%L（12 000 mm管長直度應(yīng)≤24 mm）。

表1 改進(jìn)前后X60鋼級φ273.1 mm×8.18 mm×12 000 mm焊管直度對比

6 結(jié)語

為提高HFW焊管品質(zhì)，會對HFW焊管進(jìn)行中頻常化處理。在對高頻焊管進(jìn)行中頻處理時，由于中頻溫度和焊接速度等相關(guān)因素控制不好，易造成焊管彎曲。通過在空冷段增加冷卻裝置來控制進(jìn)入水冷箱的溫度，防止焊管彎曲度超標(biāo)，收到了良好的效果。

［1］趙振東.高速鋼淬火回火工藝的發(fā)展[J].金屬熱處理，1999(03)：22-26.

［2］崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].第3版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［3］李景學(xué)，高廣林，邰紅蓮，等.HFW鋼管直線度的影響因素及解決措施[J].鋼管，2013(04)：46-50.

［4］趙軍，曹宏強(qiáng)，展培培，等.純彎曲過彎矯直等價原理及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012，48(08)：29-31.

［5］韓業(yè)啟.中頻正火焊管的在線矯直[J].鋼管，2003(06)：23-24.

［6］張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［7］王恒祥，石碕，王澤光，等.焊管殘余應(yīng)力及其測試[J].河南化工， 2010， 27(02)： 35-36.

［8］張培慶.高精度管材矯直原理及應(yīng)用[J].鋼管，2002(02)：28-30.

［9］田燕.焊接區(qū)斷口金相分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［10］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004：30-31.

Improvement Measures of Preventing Excessive Bending of HFW Pipe After Intermediate Frequency Treatment

CHEN Yanjun，YANG Yanbin，ZHANG Shige
(Tianjin United Steel Pipe Co.,Ltd.,Tianjin 300606,China)

In order to enhance HFW pipe quality,the intermediate frequency normalizing treatment is needed for weld after high frequency welding.Aimed at the phenomenon of welded pipe bending after intermediate frequency processing,using two 600 kW intermediate frequency induction heating equipment to simulate online weld heat treatment,and the simulation results were analyzed.The results indicated that some relevant factors are not under reasonable control,such as the intermediate frequency temperature,welding speed etc.,which cause the weld temperature is higher than that of pipe body temperature.The higher of weld temperature,the higher of bending degree.Meanwhile the improved technology was put forward according to onsite production process,that is to say to increase cooling device in air cooling section,so as to control the temperature of welded pipe entering water cooling box,prevent excessive bending degree,and got good effects.

welding;high frequency welding;intermediate frequency treatment;straightness;cooling device

TG155

B

1001－3938（2015）06-0055-03

陳燕軍（1962—），女，工程師，主要從事HFW新產(chǎn)品開發(fā)、焊管焊接工藝、理化檢驗(yàn)及金相分析工作。

2014-10-24

黃蔚莉