热 弯管推制工艺与热处理制度

■肖春景，王陆军

热 弯管推制工艺与热处理制度

■肖春景，王陆军

热揻弯管由于管口圆度好，必要的热处理消除了残余应力，且减薄率可以控制到≤10%，保证质量符合设计要求，更重要的是弯曲角可以在0～90℃之间任意变化，同时热揻弯管生产效率高，因而热揻弯管得到广泛使用。下面重点研究热揻弯管的推制工艺及其热处理制度。

1. 热 弯管的推制方法

热揻弯管的制造方法是利用弯管机先把直管放在弯管机的推制台上，通过液压系统推动母管匀速前进，推制前进时母管经过电感应加热圈位置时那一段母管加热到奥氏体状态软化，然后喷水冷却，经过旋臂后母管出来就成为设定好弯曲角度的弯管了。焊缝钢管在热揻推制成弯管时，由于外侧受拉应力内侧受压应力的作用，纵焊缝通常要求放置在中性面附近10˚以内且焊缝位置朝上便于观察与检查。热揻弯管加热温度根据钢种材质、厚度、曲率半径、角度等不同有所差别，通常是加热到950℃左右奥氏体化，边推进边加热边冷却，推进速度（30±10）mm/min，加热带宽20～30mm，水温控制在30℃左右，保持水压0.2MPa左右，以保证冷却速度。这样的二次加热必然会造成弯管与母管的组织不同。为了消除热揻弯管时产生的残余应力，热揻弯管制成后通常要进行一次整体回火，以消除应力，稳定组织。

直管从推制台通过弯管机在母管待弯部位套上感应圈，用机械旋转臂卡住管头，在感应圈中通入中频电流加热母管，当母管温度加热到塑性状态，母管奥氏体化软化时，液压系统把母管往前推进进行弯制，弯制出来的弯管（这时是弯的）迅速喷水冷却，这样边加热，边推制，边弯制，边冷却，一环接一环，不断把弯管推制出来。

2. 热 弯管的推制工艺

热揻弯管的推制工艺技术主要是控制弯曲角度、焊缝位置、推制速度、加热温度、冷却速度等。弯曲角度由旋臂旋转的角度来决定，可通过旋臂表盘读数显示。焊缝位置纵焊缝通常要求放置在中性面附近10˚以内，目视观察及测量。推制速度由液压系统控制匀速前进，弯管推制过程应连续进行，不允许中断。当获得需要的弯曲角度时停止弯制，但冷却系统应保持2min，确保加热位置的温度均匀下降。加热温度及加热带宽决定了弯管加热温度，加热温度由输入功率、电流、电压控制及监测，测温仪可以测量及监控，加热带宽由电感应加热圈的宽度决定。冷却速度由水温、水压、水量，以及喷嘴口的大小、位置、角度、距离等决定。

热揻弯管推制工艺参数主要是弯曲角度、推制速度、加热温度、保温时间和冷却速度。弯曲角度决定弯管形状，而加热温

度、保温时间、冷却速度决定弯管内部组织变化，连同随后的回火工艺共同决定了弯管的最终组织及力学性能，其他过程参数、设备参数是直接或间接控制这5个重要工艺参数的指标。

热揻弯管的推进速度通常为（30±10）mm/min，加热带宽20～30mm，利用纯净水作为冷却介质，喷嘴离感应线圈中心线45°，喷水口的距离为16mm，水压为0.15～0.20MPa。加热温度900～1150℃。具体的工艺参数的数值在弯管试制阶段需要根据母管的化学成分，力学性能检测结果，通过结合随后的回火工艺，优化参数设计，匹配最适化达到弯管性能的最佳化来满足相关技术标准和客户的技术要求。

3. 热 弯管的热处理工艺

热揻弯管母管材料通常采用低碳微合金钢轧制，其组织通常是铁素体和珠光体、粒状贝氏体（高级钢-控冷控轧），弯管二次加热成奥氏体后喷水冷却转变成上贝氏体，少量粒状贝氏体和少量马氏体，高温回火后马氏体转变成回火索氏体，其他转变产物统称回火贝氏体组织，表现在弯管的韧性与母管韧性相比将会有所降低。热揻弯管的冲击韧度与剪切力的依存关系和母管也有所不同，如何协调韧性指标的合理关系，提出严密性和自洽性的弯管技术条件标准有待试验验证和科学总结。考虑到弯管与母管性能的差异，对于热揻弯管的金相组织通常提出更高的晶粒度要求，即要求弯管的母管晶粒度高半级或高一个级别以策应安全。

钢板或钢卷微合金化和控轧控冷，高频焊管在线正火，去应力退火，钢管直接淬火+回火（通常适用于无缝钢管），热揻弯管的回火对于弯管成品的质量提高起着非常重要的作用。弯管的热处理应用首先体现在从源头控制入手，母管原材料的控冷控轧技术和低碳微合金化技术。

热揻弯管由于进行加热冷却过程，组织转变后的亚稳组织对弯管的性能带来不确定性，相关国际标准、国家标准及行业标准也强制要求热揻弯管必须进行回火处理，以稳定其力学性能。热处理工艺通常对加热速度、加热温度、保温时间及冷却速度提出规定要求，以使弯管达到热处理技术要求，如金相组织、硬度、力学性能。根据炉型及弯管大小确定装炉量及摆放方式，确定使用工装也是热处理工艺的一个重要内容。

热处理工艺的回火温度与保温时间是两个重要而关键参数，在弯管试制阶段，根据弯管母材的性能及弯管技术标准，需要通过与弯制推制工艺的不同组合，经正交试验，优化热处理工艺参数。实际生产中严格执行，出现问题时查找原因，重新确认工艺的合理性。由于弯管使用场合及材质不同，有时用户也会提出加热速度、冷却速度方面的控制要求，以保证其使用性能。

制订热揻弯管热处理工艺首先要对弯管母管的化学成分、工艺、组织、性能之间的关系有一个全面的了解，然后结合钢种特点、设备条件、标准规定和用户要求，再制订合理的热处理工艺制度。在生产过程中根据反馈的质量信息不断优化热处理工艺参数，既要保持工艺的相对稳定，又要针对不同钢种、不同规格产品制订有针对性的详细工艺，以提高产品合格率和内在品质，增加产量，降低成本，促进节能减排，这正是热处理工作者永恒的课题。

4. 热 弯管的质量评定与质量控制

热揻弯管的质量检测内容与直管的质量评定一样主要包括化学成分分析、力学性能试验、金相组织检查、晶粒度检查、硬度试验、无损检测、水压试验、几何尺寸和外观质量检查，以及针对石油套管和螺纹的检查、测量等。当然由于弯管的特殊性，抽样方法、取样位置与直管也有不同，相关国际标准、国家标准及行业标准都作了明确规定。

热揻弯管的化学成分检验和硬度检验及金相组织检查既是对弯管力学性能的保证，也是弯管工艺性能的保证。弯管材质化学成分检测和维氏硬度试验（标准通常规定硬度上限值）主要是对于焊缝钢管制造和现场使用安装中重要的焊接工序进行材质保证，焊接冷裂纹敏感性与化学成分主要是含碳量或碳当量和材料硬度有关。弯管金相组织进行低倍组织和高倍组织的检查主要是检查是否有组织缺陷，防止组织缺陷对于弯管性能的破坏作用。晶粒度检查是弯管力学性能的基础保证，晶粒过大、过粗，不仅直接影响弯管力学性能，还对弯管的制造过程产生不利的影响，甚至有可能在制造过程中直接失效。

热揻弯管对裂纹缺陷是实行零缺陷管理。除弯管母管在线X射线自动拍照、涡流自动检测、超声波自动检测外，母管弯制后还应进行如下无损检测以保证实际使用寿命：焊缝100%超声波检测；弯管端部50mm长度范围内用手动超声波进行分层检查；弯管坡口制备后应对整个坡口面和管端50mm长度的焊缝进行磁粉检测；每根弯管外弧250mm宽度范围内的母材应在回火后采用手动超声波检测横向裂纹缺陷，每根弯管整个外弧面母材应进行磁粉检测；管端剩磁检测，剩磁超标的弯管要退磁处理；修磨部分应进行磁粉检测。

热揻弯管的精整主要包括弯管的切断、端面加工（管端车螺纹，倒坡口）、表面质量和几何尺寸的检查（几何尺寸精度主要指厚薄不均和椭圆度）、质量检验、缺陷修磨和钢种鉴定等工序。有特殊要求的弯管还需要经过喷抛丸、机加工和防腐涂层处理等。全部合格的弯管经过测长、称重、喷印标签后包装入库。

5. 热 弯管力学性能

热揻弯管除进行常规力学性能检测外，根据使用条件和用户要求，有些还需进行断裂韧度试验，以定量或半定量地评估弯管的安全性与使用寿命。对于油气弯管输送管还需要进行抗腐蚀性能试验，必要时加涂防腐层，以防止应力腐蚀造成的早期破坏。

热揻弯管力学性能试验依据国家标准制作标准试样进行检测。管线钢管由于是钢板卷轧制、卷管成形、弯管以及制造过程中钢板内外层冷却速度不同，成分扩散速度不同导致组织分布不均匀，钢管弯制成形时应力分布不同，弯管推制时的内外侧受力不同，以及内外层加热速度加热温度冷却速度不同，从而导致组织转变不同，最终影响力学性能包括强度、韧性产生不均匀性，工业应用中虽然关注到这点却未充分研究这些差异。

为评价和保证弯管实际使用工况真实服役条件下的弯管整体质量和工程结构的安全性，弯管管体力学性能试验是指直接用弯管实物模拟服役工况进行检验，主要有弯管液压试验（水压试验）检验弯管基体和焊缝的强度以及是否渗漏。弯管静水压爆破试验（也可不爆破）主要测定弯管承压过程中的变形情况、管体性能及断裂扩展等。弯管管体拉伸试验与常规的拉伸试验基本原理相同，加载力根据钢管管体大小需要调整。通常由于弯管的使用数量不多，这类试验较少进行，甚至直管类采用实物模拟服役工况检验的也不多。

6. 结语

热揻弯管从母管原材料的控制到生产制造全过程控制，以及交货检验的工艺评审，都是为了保证制造出符合使用要求的合格管线弯管。为便于评定钢管管线的合格与否，美国材料与试验协会ASTM 总结制定了相关材料标准和制作过程规范，美国石油学会API 5L 也制定了石油管道的相关规范。参照国际标准，我国也制定和修定了对应的国家标准、行业标准，如石化管线、石油管线、电力管线、压力管道等相关标准或规范，这些标准的制定促进了行业的技术进步与发展。

根据弯管的使用场合及使用条件，依据国际标准主要是美国标准，以及我国国家标准与行业标准和客户特殊要求，制成客户技术要求规格书，以此为依据确定选材、工艺流程及过程参数，先进行弯管试验试制，检验合格后进行工艺评审，经用户或监理认可后制作生产工艺卡和检测指导书，用于指导生产和检验。

20150515

作者简介：肖春景，番禺珠江钢管有限公司五分厂，厂长；王陆军，番禺珠江钢管有限公司装备工艺部，热处理高级工程师。