ND钢高频焊管的应用可行性研究

丛相州　彭杏娜　彭先宽　王涛

摘要：简要介绍了高频焊管的主要工程应用及市场前景，对三种不同状态下（焊态、正火态、回火态）下的ND钢高频焊管进行了耐硫酸露点腐蚀试验及爆破试验研究，并与无缝管进行了对比分析。结果表明，焊态、正火态和回火态下的ND钢高频焊管耐硫酸露点腐蚀性能与母材相当，焊态和热处理回火态下的承压能力与无缝管相当，正火态下承压压能力弱，且经济性差。综合分析得出，从耐硫酸露点腐蚀性和承压能力性能考虑，焊态或回火态下ND钢高频焊管和无缝管性能相当，可替代无缝管。

关键词：ND钢;高频焊管;可行性;焊接

中图分类号：TG457 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0071-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.12

0 前言

高频焊接技术起始于20 世纪50 年代，70年代直缝高频焊管生产工艺基本成熟[1]。与无缝钢管相比，直缝高频焊管具有生产效率高、成本低、尺寸精度高、表面质量好、母材缺陷少等优势。随着现代制钢和制管技术的进步，高频焊接管材的应用领域不断扩大，应用条件逐渐由简单到复杂，从最初的结构钢管到锅炉钢管[2-3]、管线钢管[4-5]，再到目前较高端的油井用管和汽车用管[6-8]，在上述领域高频焊管实现了部分甚至完全替代无缝钢管。市场需求一直在推动着高频焊接技术的进步和高频焊管的应用，近些年随着固态焊机的出现和发展，业界对高频焊接过程投入了更多的关注。

ND钢，即09CrCuSb钢，是目前国内外广泛应用的“耐硫酸露点腐蚀”用钢材，其广泛用于制造在高含硫烟气中使用的省煤器、空气预热器、热交换器和蒸发器等装置设备，用于抵御含硫烟气的结露点腐蚀[9]。此外，ND钢还具有耐氯离子腐蚀的能力及高的性价比，因此完全可以代替部分不锈钢，甚至在耐硫酸露点腐蚀方面还可超越不锈钢。ND钢符合当今高效、长寿、节能、环保的“绿色”观念和国家发展政策，具有重要的社会价值。

现有技术中ND钢主要是以其无缝钢管形式得到广泛应用。但至今尚未有关ND钢高频焊接钢管的相关报道。由于焊接钢管比无缝钢管具有成本低、生产效率高等一系列优点，在此对ND钢高频焊接钢管的应用可行性进行了试验分析。

1 试验材料及方法

试验对象为实际已经应用于空气预热器上的φ51×2 mm规格ND钢高频焊管（未除内毛刺），分别进行了不同状态（焊态、正火态、回火态）下的金相组织分析、耐硫酸露点腐蚀性能研究、爆破试验研究。对焊态下钢管分别进行了正火和回火两种不同方式的熱处理。其中正火参数：880～900 ℃，15～20 min，空冷;回火参数：600～620 ℃，15～20 min，空冷。通过力学性能、耐硫酸露点腐蚀试验以及爆破试验，与现有的低温省煤器常用规格φ38×4 mm的无缝钢管进行对比分析。

焊态下高频焊管以及无缝管的化学成分如表1所示，可以看出，均满足GB/T 150.2标准指标。两种管材的抗拉强度如表2所示。

2 分析及讨论

2.1 ND钢高频焊管的微观组织

观察ND钢高频焊管在三种不同状态下的微观组织，如图1所示。图1a为焊态下ND钢焊管接头形貌，图1b为焊态下焊缝的组织，为铸态铁素体组织，图1c为未受热影响的母材的显微组织，母材由铁素体+珠光体组织组成。正火态下的接头形貌如图2所示，接头腐蚀后肉眼不能区分焊缝及母材，在金相显微镜下，可以看出焊缝及母材均为铁素体+珠光体组织，但是焊缝组织中存在铁素体大小分布不均匀，出现铁素体聚集长大现象，形成块状铁素体，母材组织同样出现铁素体长大现象，但是长大程度不及焊缝明显。主要原因是经过再次正火后，重新奥氏体化所致。回火态下ND钢焊管接头形貌如图3所示。回火后，焊缝和母材组织均得到了回复。焊缝的铸态组织消失，母材的珠光体组织消失变基本全部转化为铁素体。

2.2 ND钢耐硫酸露点腐蚀试验

对焊态、正火态和回火态三种状态下的ND钢高频钢管进行了耐硫酸露点腐蚀试验，并于无缝管做了对比分析，腐蚀形貌见图4a。此外切取焊态下焊缝部分试样（包含母材），母材部分切片，并进行耐硫酸露点腐蚀试验对比，见腐蚀形貌见图4b。腐蚀条件：质量分数为50%的H2SO4溶液中，70 ℃±2 ℃的恒温条件下浸泡6 h，腐蚀速率结果如表3所示。结果表明，三种状态的腐蚀速率与母材相当，不同的热处理状态对腐蚀的速率影响较小。

2.3 ND高频焊管及无缝管的爆破试验

按照GB/T 241-2007《金属管液压试验方法》对焊态、正火态和回火态三种状态下的ND钢高频钢管以及三支同规格φ38×4 mm ND钢无缝管进行了爆破试验。理论爆破压力计算公式为P=2SR/D，S为钢管厚度，R为材料抗拉强度，D为钢管外径。爆破试验数据如表4所示。可以看出，除正火态焊管承压能力较弱，焊态和回火态焊管以及无缝管承压能力均高于理论值10%以上。文献[10]也认为进行水压试验时，焊态下焊管是从母体部分开裂，而正火态的焊管则是从焊缝部位开裂。原因为正火后焊缝强度大大降低所致。

高频焊管不同状态下的爆破试样如图5所示。由图5可以看出焊态及回火态下ND钢高频焊管断在母材位置，正火态下断焊缝位置。焊态下裂口撕开长度78 mm，断裂鼓包部位周长175 mm，其他部位未见明显变形。正火态下裂口撕开长度60 mm，断裂鼓包部位周长190 mm，其他部位周长不小于175 mm，高于原焊管周长163 mm，说明断裂前钢管整体经历了大量变形。回火态断裂开口长度75 mm，断裂鼓包部位周长180 mm，其他部位未见明显变形。无缝管爆破试样如图6所示后开口长度55 mm，断裂鼓包部位周长146 mm，其他部位周长130 mm，高于原焊缝120 mm，说明断裂前也经历了变形。

3 结论

（1）针对ND钢高频焊管，不同的热处理状态对耐硫酸露点腐蚀速率影响较小，焊态下、正火态和回火态下焊管的耐硫酸露点腐蚀性能基本与母材相当，符合标准要求。

（2）爆破试验表明，正火态下焊管的承压能力最弱，焊态和回火态下及无缝管的承压能力都高于理论计算值。从经济性及承压性能角度考虑，ND钢高频焊管焊后不建议采用正火热处理。

（3）从耐硫酸露点腐蚀性和承压能力角度考虑，ND钢高频焊管与无缝管性能相当，可替代无缝管。

参考文献：

[1] 韩宝云. 焊管史话之二十二高频焊接钢管生产工艺技术的成熟[J]. 焊管，2013，36（12）：66-67.

[2] MASAMURA Katsumi. Manufacturing Processes and Pro-ducts of Steel Pipes and Tubes in JFE Steel[J]. JFE tech-nical report，2006，7（7）：1-6.

[3] 陈斌. 焊接锅炉管技术要求及生产工艺综述[J]. 特钢技术，1996，2（3）：23-27.

[4] 王晓香. 当前管线钢管研发的几个热点问题[J]. 焊管，2014，37（4）：5-13.

[5] 朱丽霞，路彩虹，梁明华，等. X80钢直缝高频焊管的力学性能[J]. 金属热处理，2015，40（6）：68-72.

[6] 王三云，王利民. 小直径高频焊管机组生产套管和油管工艺方案讨论[J]. 焊管，2010，33（2）：33-39.

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[8] 张耀飞，罗玉清，茅静忠. 汽車用精密钢管现状[J]. 世界钢铁，2010，10（1）：48-54.

[9] 胡才望，徐敏，吴娜，等. 新型抗低温露点腐蚀用ND钢管的开发[J]. 钢管，2014，43（5）：29-32.

[10] 宋本仁，汤文全，穆东. 从焊管技术发展看配置热张力减径机的必要性—兼论我国电焊管品种的发展思路[J]. 钢管，1999，28（1）：1-7.