X70级HFW焊管在线中频感应热处理工艺研究

顾亚光，张荣胜,2

（1.番禺珠江钢管（连云港）有限公司，江苏 连云港222066；2.连云港市高性能能源管材重点实验室，江苏 连云港222066）

X70级HFW焊管在线中频感应热处理工艺研究

顾亚光1，张荣胜1,2

（1.番禺珠江钢管（连云港）有限公司，江苏 连云港222066；2.连云港市高性能能源管材重点实验室，江苏 连云港222066）

为了探究X70级HFW焊管在线中频感应热处理工艺，通过采用不同的焊后在线正火热处理工艺方案进行了试验研究，比对了X70级HFW焊管热处理后组织与性能的变化情况。试验结果显示，中频感应加热正火温度和加热保温时间对焊接区的金相组织和性能有显著影响；910℃保温17 s、950℃不保温正火后，焊接区有硬质相组织，焊缝抗拉强度高，但塑性韧性低；980℃正火后，金相组织粗大，焊缝抗拉强度降低；950℃保温17 s正火后，金相组织为均匀细小的F+P，焊缝塑性韧性提高。试验结果表明，采用950℃正火，在此温度下适当的延长正火保温时间，能够获得良好的金相组织和综合力学性能。

X70；HFW焊管；在线热处理；组织；力学性能

Abstract:In order to explore on-line mid-frequency induction heat treatment process of X70 HFW pipe，in this article，it conducted tests through adopting different online normalizing heat treatment process after welding,and compared the microstructure and properties change of X70 HFW pipe after heat treatment.The results showed that the normalizing temperature and heat preservation obviously affect the metallographic structure and properties of welding zone.After heat preservation for 17 s at 910℃or normalizing at 950℃without heat preservation，the hard phase microstructure appeared in welding area，the tensile strength of weld was high，and the plasticity and toughness were low.After normalizing at 980℃，the metallographic structure became coarse，and the tensile strength of weld decreased.After normalizing with heat preservation for 17 s at 950℃，the metallographic structure composed of even and fine F+P，and the plasticity and toughness of weld increased.The test results indicated that normalizing at 950℃with suitably prolonged heat preservation duration will achieve good metallographic structure and comprehensive mechanical properties.

Key words:X70 steel grade;HFW pipe；on-line heat treatment；microstructure；mechanical property

随着流体输送技术的发展，管道运输成本低廉、效率高，焊管的应用也越来越多。相对于埋弧焊管，直缝高频焊管（以下简称HFW焊管）由于生产效率高、成本低，因此，被广泛应用于石油和天然气输送领域[1]。HFW焊管的焊缝及热影响区是整个焊管质量的最关键部位[2]，焊后热处理工艺可使焊缝组织奥氏体化，得到晶粒较细的F（铁素体）+P（珠光体）组织，使焊缝与母材组织相近[3-5]。本研究通过采用不同的焊后在线正火热处理工艺方案，对比X70级HFW焊管热处理后组织与性能的变化情况，研究X70级HFW焊管在线中频感应热处理工艺。

1 试验及实施

1.1 生产工艺流程及生产设备

本项目以番禺珠江钢管（连云港）有限公司为国外某客户生产的Φ323.9 mm×6.4 mm X70 HFW焊管为试验对象，执行API 5L 45th标准[6]。

工艺流程：上料→铣边→在线板探→粗成型→精成型→高频焊接→刮内外毛刺→在线管探→中频热处理→空冷→水冷→定径→飞锯锯切→取样。

生产设备：铣边机，COE直缝焊管成型机组，易孚迪1 500 kW、160～240 kHz高频焊机1台及500～960 kW、1.4 kHz中频热处理机3台。

1.2 试验条件及试验方案

本试验焊接热处理速度14 m/min，焊接温度 1 350～1 450 ℃，焊接频率 184.1～184.5 kHz，焊接开口角4°～5°，焊接挤压量4.5～5 mm，空冷速度101～110℃/min，水冷前温度＜300℃，水冷后温度＜50℃，定径压缩量5～6 mm。

焊后热处理工艺利用1～3台中频热处理感应器、在线空冷段和水冷段对钢管焊缝进行正火热处理，单台中频感应器有效长度4 m，每2台中频感应器之间间距1 m，第3台中频感应器后空冷段长度99 m。通过第1台感应器即可将焊缝温度加热到居里点温度附近，第2台和第3台感应器将焊缝在壁厚方向温度加热至均匀并获得需要的正火温度，每台感应器上自带的红外线光纤测温仪测量并自动控制热处理温度（测量误差±15℃）。通过设定温度和开启感应器台数来控制焊缝正火温度和保温时间。4种方案热处理参数见表1。

表1 试验用4种热处理方案

1.3 试验材料

本项目试验原材料选用首钢（迁安）生产的X70M 1 015 mm×6.4 mm热轧卷板，要求具有良好的焊接性、抗延性断裂以及抗应力腐蚀等性能，钢材为氧碱性转炉或电炉工艺冶炼的细晶粒镇静钢。原材料复验化学成分见表2，力学性能见表3。

表2 X70M热轧卷板化学成分%

表3 X70M热轧卷板力学性能

1.4 试验实施

采用上述4种方案对试验钢管进行焊缝在线中频感应加热正火热处理。按照API 5L 45th对高频焊接后未热处理钢管及4种方案处理后的试验管分别取样进行压扁试验、管体及焊缝拉伸试验、焊缝V形缺口夏比冲击试验以及焊缝金相检测。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝组织及力学性能

原材料为X70M热轧卷，属于高级别管线钢，热轧后组织为F（铁素体）+P（珠光体），平均晶粒度为12.5级，成型焊接后母材（管体）组织无变化。高频焊接后，熔合区宽度约0.12 mm，显微组织为M（马氏体）+B（贝氏体）+F；热影响区宽度约2.5～3 mm，显微组织为M+B+F。高频焊接时，在钢板边缘产生熔融并被挤压形成焊缝过程中，受喷水冷却，由熔融态凝固结晶并快速冷却相变为马氏体，水冷时冷速在焊缝外表面最大，焊缝内表面冷速通过热传递过程稍慢，形成部分B组织，因M组织较多，导致焊缝强度很高，但塑性韧性很低，焊后焊缝Rm=685 MPa，比母材高45 MPa，冲击性能极低，只有3～6 J。试样金相组织如图1所示。

图1 试样金相组织

2.2 热处理后焊缝组织及力学性能

4种方案在线热处理后，试样焊缝金相组织如图2所示。采用方案1、方案2获得的热处理后焊缝熔合线和热影响区组织均为B+F+P[7]，晶粒度级别均为11级；通过提高热处理温度和延长保温时间，采用方案3、方案4获得的热处理后焊缝熔合线和热影响区组织为均匀F+P，方案3晶粒度级别为11.5级，方案4晶粒度级别为9.5级。

在线焊缝正火热处理使用中频感应加热，电源频率合适，输出功率充足，能将焊缝快速加热到需要的热处理温度。常规正火热处理温度一般选用Ac3+（50～100）℃，HFW在线热处理通过中频感应加热发生奥氏体化，然后迅速进入空冷段发生珠光体转变[8]，即A→F+P，F晶粒大小与本质奥氏体晶粒大小有关。在焊接速度已定的情况下，通过设定第2台感应器加热温度来达到热处理温度，通过第3台感应器来适当延长正火保温时间。

方案1中焊缝被快速加热至910℃奥氏体化温度，然后保温17 s；方案2中焊缝被快速加热至950℃进行奥氏体化转变。方案1由于转变温度较低，组织转变速度较慢，组织转变未完全奥氏体化。方案2提高转变温度，转变速度加快，但由于保温时间过短，组织转变未完全奥氏体化[9]，但随着温度升高，转变速度加快，所以热处理后方案2中B组织含量减少。表4为压扁试验结果，表5为0℃夏比冲击试验结果，表6为管体/焊缝拉伸试验结果。由表4～表6可以看出，方案1、方案2的焊缝压扁结果不理想，焊缝抗拉强度高，但塑性韧性低。

图2 4种在线热处理后焊缝金相组织

正火温度提高至950℃并适当延长保温时间，提高了奥氏体化转变速度和确保组织完全奥氏体化，奥氏体晶粒细化正常，当温度提高至980℃，超过了奥氏体正常长大临界点[10]，奥氏体晶粒发生异常长大，晶粒随温度升高长大，随后空冷相变导致F晶粒更粗大。

表4 压扁试验结果

表5 0℃夏比冲击试验结果（试样尺寸5 mm×10 mm×55 mm）

表6 管体/焊缝拉伸试验结果

方案1和方案2由于组织中存在部分硬质相B，压扁结果不理想，抗拉强度高，冲击韧性低；随着方案3热处理温度升高，组织转变完全，焊缝塑性韧性提高，相对于方案1、方案2焊缝抗拉强度降低了20～30 MPa，焊缝冲击功提高33～39 J；方案4由于F晶粒粗大，强度降低，造成焊缝抗拉强度不合格（表6）。因此批量生产X70M钢级HFW焊管时，在线正火热处理采用方案3，在950℃进行正火热处理，同时适当延长保温时间。

3 结论

（1）HFW焊管焊后焊缝组织以M+B等硬质相居多，焊缝抗拉强度很高，但塑性韧性很低，冲击性能极低。

（2）910℃正火温度偏低，保温时间不足时，未能实现焊缝组织完全F+P转变，造成金相组织和力学性能差异。

（3）X70M管线钢焊缝热处理加热温度约为950℃，在此温度下适当的延长正火保温时间，能够获得良好的金相组织和综合力学性能。

（4）当热处理温度升至980℃时，奥氏体晶粒异常长大，导致随后空冷相变F晶粒更粗大，晶粒组织级别相比于950℃降低2级，焊缝抗拉强度降低。

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编辑：李红丽

X70 Grade HFW Pipe On-line Mid-frequency Induction Heat Treatment Process Research

GU Yaguang1，ZHANG Rongsheng1,2
（1.Panyu Chu kong（Lianyungang）Steel Pipe Co.,Ltd.,Lianyungang 222066，Jiangsu，China；2.Lianyungang high-performance Energy Tubular Goods key laboratory，Lianyungang 222066，Jiangsu，China）

TG162.84

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.011

2017-01-19

作者介绍：顾亚光（1985—），男，工艺员，主要从事焊管技术管理工作。