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质量分析
热处理工艺在HFW焊管中的应用研究
来源:聊城市产品质量监督检验所     发布时间:2018-12-21

1焊缝热处理的意义

HFW焊管的制造工艺过程中,焊缝的在线热处理是提高焊管质量的关键工序。采用在线焊缝热处理可以消除焊接应力,热处理后焊缝热影响区组织晶粒得到明显细化,同时焊缝及热影响区的强韧性得到改善,获得比较好的综合力学性能。

2焊缝热处理的原理

在高频焊接后的焊管焊缝区域的显微结构,含有如贝氏体甚至是碳含量相对高的马氏体等硬质晶粒。高频直缝焊管焊缝因生产工艺决定其在焊接后直接被水冷,使焊缝区域组织为马氏体组织,综合力学性能差,不能满足石油天然气用管的标准要求。因此,在焊接后焊缝处必须进行模拟正火处理。

2.1焊缝热处理工艺

通过焊缝的热处理,焊缝被加热到Ac3+(30-50℃),温度超过Ac3后显微结构里的贝氏体或马氏体转变为奥氏体。之后在空气中缓慢冷却,使奥氏体逐渐转换成为铁素体-珠光体,使焊缝组织和母材组织基本相同。通过焊缝的热处理消除了在焊接过程中,因焊缝区急冷而产生的应力和形变硬化,提高了焊缝区域的塑性,改善或消除在焊接中成分和组织的不均匀,加速焊缝区残余气体的溢出。

2.2焊缝热处理强度

正火的珠光体片间距小、领域也小,正火细珠光体片层间距约为0.2μm

正火后的强度则可由下式表达: 

       σ0.2100×?a×σa +σp1100×?a

式中: ?a自由铁素体的体积分数;

          σa自由铁素体的屈服极限; 

          σp珠光体的屈服极限。 

2.3热处理后的机械性能

不同温度对不同碳含量的钢材进行焊缝正火、退火后的机械性能不同,如图1所示。

 

热处理后的机械性能

2.4正火缺陷

高频焊管经过模拟正火热处理后,虽然可以提高焊缝区域的综合力学性能,但是如果正火温度设置不合理,也容易产生一些缺陷。正火后的缺陷主要有:过热导致晶粒粗大、硬度偏高、脱C等。

3、热处理工艺的应用研究

    武钢江北公司钢管厂的HFW660机组的中频设备,采用4台总功率为3200KW的中频感应加热装置对焊接后焊管的焊缝热影响区进行模拟正火(N)热处理(工艺图见图4)。感应加热是基于电磁互感的原理,靠感应器把电能传递给被加热金属,利用交变磁场在被加热物体表面一定深度范围内产生的涡流热效应来加热管体的。

 

模拟正火工艺图

3.1热处理金相分析

通过对X60级Φ457×7.9mm高频焊管焊缝进行模拟正火热处理,可以发现经过模拟正火热处理后,焊缝区域组织转变为铁素体+珠光体,与母材组织基本一致。

    

           母材的组织         热处理前的焊缝组织      焊缝热处理后的组织

模拟正火热处理后组织对比

3.2热处理后力学性能分析

对热处理之后焊缝取样并进行相关的力学试验

1  横向拉伸试验

项目

管体屈服强,Mpa

抗拉强度,Mpa

管体延伸率,%

管体屈强比

管体

焊缝

最小值

421

573

580

29.7

0.8

最大值

572

692

736

49.5

0.94

平均值

496

633

658

38.87

0.87

结论1:热处理之后的焊缝抗拉强度比管体还大,焊缝的力学性能比母材好。

2  夏比冲击试验

项目

管体横向

焊缝

热影响区

单值

平均值

单值

平均值

单值

平均值

最小值

161

176

150

172

142

213

最大值

224

213

273

251

283

248

平均值

191

195

197

200

213

229.6

结论2:热处理之后的焊缝和热影响区的夏比冲击试验值与母材基本一致。

3  维氏硬度试验

项目

硬度,HV10

 

管体

焊缝

热影响区

最小值

169

186

162

最大值

250

261

220

平均值

210

224

191

结论3:热处理之后的焊缝和热影响区的维氏硬度与母材基本一致。

结论:通过焊缝热处理前后力学性能比较可见,焊缝正火处理提高了焊缝的韧性,使得机械性能、金相组织与母材基本一致。

4、热处理不合格原因分析

   4.1 热处理温度不够(材质Q235D

结论1:热处理之后的金相组织为多边形铁素体+珠光体,母材为针状铁素体+准多边形铁素体+珠光体,焊缝内表面约4mm范围内热处理不足有大量的贝氏体和大晶粒准多边形铁素体。        4.2 热处理温度过高(材质B级钢)

   结论2:母材金相组织为铁素体+珠光体,热处理之后的金相组织存在针状铁素体,平均晶粒度约为8.0-级,母材平均晶粒度约为8.5-9级。由于热处理温度过高,导致热处理之后的金相组织的晶粒粗大,机械性能降低。如果温度太高就会出现过烧现象,金相组织里面还会魏氏组织

5.结论

热处理工艺在HFW焊管中有着极其重要的作用,通过高频焊接之后对焊缝的热处理的研究可以得出,合理的热处理温度不仅可以改善焊缝的组织结构,而且还能够有效提高HFW焊管的综合力学性能。因此在HFW焊管制造企业,焊缝的热处理工艺必不可少。

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