HFW钢管焊接质量的影响因素分析及应对措施【李景学】大港

HFW钢管焊接质量的影响因素分析及应对措施作者：李景学单位：华油钢管公司大港分公司摘要Abstract本文指出了影响HFW钢管焊缝质量的主要因素：原材料、成型工艺、高频焊接工艺和热处理工艺，通过对相关实验结果的分析，指出如何在原料采购及工艺制订方面进行优化以便保证焊缝的质量。ThisarticlestatethemaininfluenceactorofHFWpipeseamquality:material、formingtechnology、highfrequencyweldingtechnologyandheattreatmenttechnology.Throughanalysisofrelatedtestresult，authorpointouthowtopurchasethebettermaterialandperfecttechnologytoensuretheseamquality.关键词KeywordsHFW钢管焊缝焊接化学成分成型热处理HFWpipeweldseamchemicalcompositeformingheattreatment前言•ERW钢管是利用电流的集肤效应和临近效应将管坯边缘迅速加热到焊接温度进行挤压、焊接而成。近年来，随着ERW焊管技术的发展，其应用的领域不断扩大，在石油管、汽车管、锅炉管等领域的应用越来越多。ERW管与无缝管相比，很明显的就是ERW管有一条焊缝，ERW钢管的性能在很大程度上取决于焊缝的质量，保证焊缝质量就成为ERW焊管工艺的最关键的问题。•根据笔者的学习总结和经验积累，影响焊缝质量的因素是非常复杂，但主要包括以下四个方面：•1）原材料•2）成型工艺•3）高频焊接工艺•4）热处理工艺在焊管生产中，只有全面防止所有可能影响焊接质量的因素，才能得到高质量的焊缝，以下对上述四个方面进行探讨并提出解决的建议，希望对相关技术人员有所参考。1.原材料原材料是影响焊缝质量的首要因素，原材料的化学成份、偏析、夹杂、带状组织、镰刀弯、板边毛刺均能影响焊缝质量。1）化学成分低C、低S、P的原材料对焊缝质量有利，日本新日铁公司认为S含量应控制在0.002%以下，国内普遍认为S含量控制在0.01%以下，P含量控制在0.02%足以满足一般的焊接要求。根据使用条件的不同原料的质量水平也要求相应的变化，如为防止应力腐蚀破坏,某些管线钢要求S含量低于0.002%，P低于0.02%，C不大于0.1%,Mn不大于1.50%,同时进行Ca化处理,通过微合金化与控轧、控冷使晶粒细化,限制带状组织。图1显示了S含量对焊缝质量的影响。图1S含量对焊缝质量的影响（1）应根据使用条件的不同，对原材料的S、P含量提出适当的要求。除了控制S、P含量，原材料中Mn/Si比例也颇为重要，根据我们的经验Mn/Si应≥5，这样可以使焊接时氧化物易于排出，否则易于形成灰斑缺陷。参见图2Mn/Si比例与夹杂物裂纹指数的关系（1）。石油套管和管线管对于碳含量的要求是不同的对石油套管，碳含量应控制在0.16%以上，对管线管碳含量应在0.16%以下，这是因为这两种钢管后续加工方式的不同，对于石油套管来讲，除了保证焊接性能，还要兼顾后续的车丝加工，上卸扣试验，适当增加碳含量，由于钢材的抗拉强度对碳含量更敏感，通过提高碳含量的方式可以更大幅度提高抗拉强度，而屈服强度增加有限，这样材料的屈强比就会降低，有利于减轻车丝粘刀，减轻上卸扣时的粘扣现象。而管线管用低碳含量的原料更有利于提高钢管的冲击韧性，提高焊缝的质量。因此应因此根据钢管的用途不同，在采购板卷原料时对化学成分的要求进行调整，是保证焊管质量的首要条件。2）夹杂物和带状组织•如果夹杂或带状组织处于焊缝部位，将造成疲劳强度、冲击韧性等关键指标大幅下降，带状组织对焊缝冲击韧性、压扁性能有很大的影响。•夹杂物过量容易在焊缝热影响区富集，从而在焊缝区产生脆性相，形成裂纹源引起开裂。如图3、图4图3由过量夹杂物引起的热影响区压扁开裂图4原材料存在的氧化铝夹杂物（放大倍数100x）•带状组织同样严重影响钢带的质量，带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共晶铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态，而经过高速热轧和低速冷却过程的钢中都会产生由铁素体和珠光体组成的带状组织。对直径244.5钢级J55的套管进行的90°压扁试验可以说明带状组织对焊缝质量的影响是明显的。图5热轧带钢中的2级带状组织500x试样编号带状组织级别出现裂纹时的压扁程度11级以下至贴合未出现裂纹21级以下至贴合未出现裂纹31级以下至贴合未出现裂纹42级至贴合未出现裂纹52级压扁至接近贴合出现裂纹62.5级压扁至90mm出现裂纹72.5级压至90mm出现裂纹83级压至100mm出现裂纹93级压至100mm出现裂纹带状组织对压扁试验的影响•目前的热轧带卷都采用控制轧制工艺，正常组织为铁素体（F)+珠光体(P)，铁素体晶粒沿轧制方向被拉长，被拉长的铁素体晶界分布着细长的碳偏析带（其中可能存在Mn，P,S等偏析）——珠光体组织，偏析带上Mn，P,S含量是平均碳含量的3～7倍。这会增加氢致裂纹开裂的倾向（3），通过试验表明，带状组织在2级以下可以很好的防止裂纹的产生，2.5级至3级则压扁性能会明显下降。3）镰刀弯和板边毛刺严重时将造成焊接时板边不能实现I型或轻微的正V型对接，造成错边、引弧、焊缝偏、夹杂物难以排出等现象从而降低焊缝质量。2.成型工艺成型工艺关键是保证焊接时成I形或小的V形对接，避免V形太大或倒V形对接（如图6所示）。I形对接是焊接时的理想形态，此时钢管内外壁同时接触，加热温度均匀，V形对接钢管内壁先接触，使得钢管内壁先接触，内壁温度高于外壁温度，V形太大，造成内外壁温度差过大，造成焊接缺陷。倒V形对接由于钢管外壁先接触，将造成熔渣不能顺利排出，从而在焊缝出现过多夹渣。图6.三种对接形状3.高频焊接工艺焊接温度、焊接速度、挤压量、开口角直接影响焊缝质量。1）焊接温度焊接温度应控制在1300℃~1400℃，实际操作时，温度难以测量，要根据生产经验和试验结果确定工艺，在生产过程中，操作者观察火焰颜色和毛刺形状来判断生产过程是否存在异常，焊缝在刚出挤压辊时焊缝处应是桔红色的，如颜色红白，则温度过高，如颜色暗红，则温度过低。出挤压辊后钢管外毛刺应呈细直线状，顶部圆滑，线上略带间断的突出点。温度过高，毛刺没有凸起状，焊缝扁平，两边出现锯齿状。温度过低，外毛刺顶部不圆滑，毛刺线上没有间断的凸起状。2）焊接速度较快的焊接速度允许输入热量有较宽的波动范围，热影响区宽度和融合线宽度比较理想，焊缝质量容易保证，如图7所示。图7焊接速度与输入热量的关系图(3)因此，在输出功率允许，挤压力合适，前后设备的能力能达到的前提下，应采取较高的焊接速度，一般焊接速度应不低于16m/min。3）挤压量挤压辊的挤压力对焊缝质量有重要的影响，一般掌握在100-300MPa，实际生产中，用挤压量来代替挤压力，焊接输入热量不变时，热影响区宽度和融合线宽度随挤压量增加而减小。同时，挤压量较小时允许输入热量的范围较小,挤压量增大时，允许输入热量的范围也较大。如图8所示，挤压量在2mm以下时允许输入热量很窄，挤压量在4.0mm时允许输入热量范围较宽，挤压量超过5.0mm时，允许输入热量范围无明显增加。因此，在一般情况下，挤压量应参考壁厚，控制在5.0mm左右较好。对于厚壁管如10mm以上的钢管，可以适当增加0.5～1mm的挤压量。图8挤压量与焊接输入热量的关系4)开口角随着管径的大小和厚度的变化，开口角应适当调整，其范围是3～5°。一般来说，开口角偏小，电流可能增大，可提高焊速，但使汇合点到挤压辊中心的距离拉长，焊接点不稳定，容易造成提前打火，焊接质量差。开口角偏大，焊接质量好，但用电量较大。5）高频焊接的稳定性高频焊接的状态能够保持稳定是焊缝质量稳定的关键，在实际生产过程中，由于高频线圈安装不当，乳化液中杂质过多、板边存在毛刺均会造成高频焊接时瞬间短路打火，从而造成焊缝出现局部冷焊，冷焊的距离一般只有10～15mm，操作者很难发现。图9为高频打火造成的15mm长的局部冷焊压扁后的形貌。图9由于高频打火造成的冷焊要防止这种缺陷，首先应经常检查高频线圈的安装是否可靠，冷却液是否过滤干净，焊接开口角是否妥当，板卷的板边毛刺是否去掉，其次要加强水压和超声的检查，严格把关以避免不合格的钢管出厂。4.热处理工艺热处理一般采用在线中频焊缝热处理，据国外有关资料统计，加热温度在Ac3线之上50～100℃，可望得到细晶粒的铁素体+珠光体组织，改善韧性，根据国内实际情况以及我们的使用试验：如果采用两台加热机，第一台加热温度应达到或尽可能接近769℃，第二台达到940℃±20℃，如果采用三台或四台加热机，第一台温度也应达到或尽可能接近769℃，这是为了尽快使钢管到达居里点之上，从而使进一步加热时能迅速透热，第二台加热至820℃±20℃，第三台和第四台使钢管温度保持在910～950℃之间。中频加热后的空冷段长度对焊缝质量的影响容易被忽视，应控制焊缝空冷后入水温度处于360～400℃之间，入水温度过高将造成焊缝冲击韧性的急剧下降，入水过低，冲击韧性也会有所下降。要根据生产线设备配置，综合考虑生产线运行速度来确定空冷段长度。结束语：HFW钢管焊缝的质量是多重因素综合作用的结果，只有将影响焊缝质量的各种因素进行全面、严格的控制，才能生产出高质量的钢管，才能推进ERW钢管在更广泛领域的大量应用。参考文献：（1）《管线钢的性能要求与元素控制》王立涛钢铁研究总院工艺研究所（2）《ERW焊管压扁试验性能的评价与提高》介升旗宝鸡住金钢管公司（3）《国外焊管生产》吴凤梧冶金工业出版社本文作者：李景学高级工程师，工作单位：渤海装备华油钢管公司大港分公司，联系电话[phone]感谢您的关注