何石磊白　鶴張　峰韋　奉王　軍李周波黨　濤李遠(yuǎn)征

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西寶雞721008）

0　前言

目前，國內(nèi)外采用高頻焊管機(jī)組生產(chǎn)HFW焊接油套管，主要生產(chǎn)工藝有定徑工藝和張力減徑工藝[1]。兩種工藝特點不同，對焊縫的處理手段也不同，在定徑工藝中普遍利用在線焊縫熱處理，采用正火、正火+回火和離線調(diào)質(zhì)等熱處理工藝；在張力減徑工藝中利用全管體中頻感應(yīng)加熱和熱張力減徑設(shè)備，采用在線控制冷卻、離線調(diào)質(zhì)等熱處理工藝。雖然對生產(chǎn)HFW焊接油套管中采用兩種工藝都可實現(xiàn)對焊縫組織和性能的優(yōu)化[2-9]，但兩種工藝對焊縫性能的優(yōu)化效果對比，還鮮有人報道。

本研究以J55鋼級HFW焊接套管的生產(chǎn)試驗為例，通過設(shè)計并模擬不同焊縫熱處理工藝，對HFW管坯焊縫性能進(jìn)行優(yōu)化，并對比試驗結(jié)果，從而為生產(chǎn)線HFW焊接油套管焊縫質(zhì)量控制、焊縫性能優(yōu)化和工藝選擇提供參考。

1　試驗材料

試驗用J55綱級卷板化學(xué)成分見表1，供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)。其常溫下力學(xué)性能見表2，顯微組織如圖1所示，顯微組織為鐵素體+珠光體。將卷板縱剪后，采用FFX成型方式粗成型、精成型，再經(jīng)過HFW高速連續(xù)焊接制成管坯。

表1　試驗材料化學(xué)成分　%

表2　試驗材料力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖1　試驗材料顯微組織

2　試驗方法

采用高頻固態(tài)焊機(jī)進(jìn)行HFW焊接成型制成試驗管坯，然后將管坯進(jìn)行相應(yīng)熱處理，其詳細(xì)熱處理工藝方案及焊縫優(yōu)化工藝見表3。

從焊縫位置取20 mm×18 mm尺寸塊狀金相試樣，用3%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用DMI 5000M金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。硬度檢測采用HXD-1000TMC顯微硬度計，沿鋼管內(nèi)壁、中間和外壁位置，在焊縫中心、熱影響區(qū)和母材分別取3個點測試硬度值，求平均值。沖擊試驗采用PSW 750示波沖擊試驗機(jī)，分別采用6件尺寸為55 mm×10 mm×5 mm的焊縫和母材的橫向試樣，試驗溫度為21℃，測定后轉(zhuǎn)換成全尺寸沖擊功。

表3　中頻熱處理工藝方案

溝槽腐蝕試驗采用恒電位電化學(xué)極化方法，腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl中性水溶液，采用HDV7C型恒電位儀，利用三電極系統(tǒng)施加-550 mV（極化時間為144 h）。試驗后分別測量焊縫的腐蝕深度h2和母材的平均腐蝕深度h1，根據(jù)溝槽腐蝕敏感性系數(shù)α=h2/h1公式，評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1　顯微組織

圖2顯示了不同熱處理工藝下HFW焊縫區(qū)域的顯微組織。在HFW高頻焊接后，毗鄰焊縫的顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)相，如在快速冷卻下產(chǎn)生的馬氏體和貝氏體或魏氏體組織，如圖2（a）所示。經(jīng)過局部焊縫中頻感應(yīng)熱處理后，其焊縫區(qū)域顯微組織如圖2（b）所示；焊縫熱處理后，再進(jìn)行全管體中頻感應(yīng)加熱，并空冷，其焊縫區(qū)域顯微組織如圖2（c）所示；不進(jìn)行局部焊縫熱處理，直接采用全管體中頻感應(yīng)加熱后進(jìn)行熱張力減徑，其焊縫區(qū)顯微組織如圖2（d）所示。在工藝2和工藝3的基礎(chǔ)上，將焊縫進(jìn)行控制冷卻，其焊縫區(qū)域組織形貌如圖2（e）和圖 2（f）所示。

通過金相組織對比可以看出，局部焊縫熱處理后，HFW焊接過程中因高溫存在脫碳，使焊縫中心位置鐵素體含量較多，鄰焊縫熔合線位置珠光體含量較多，其組織形態(tài)和分布明顯不均勻，焊接流線明顯；局部焊縫熱處理后，再進(jìn)行全管體中頻加熱，因二次加熱使焊縫區(qū)域組織趨于均勻化，但因冷卻速度緩慢，使焊接流線存在；而全管體中頻感應(yīng)加熱再進(jìn)行熱張力減徑，因熱機(jī)械軋制作用，使焊縫的組織分布均勻化增強(qiáng)，焊接流線改善；在熱張力減徑后再引入控制冷卻，因增加奧氏體過冷度可細(xì)化組織，改善組織分布和焊接流線。未引入控制冷卻容易形成少量魏氏體組織，組織分布不均勻，因而對焊縫的性能不利。

分析其原因，局部焊縫感應(yīng)熱處理利用中頻感應(yīng)快速加熱時間短、速度快的特點[10]，重新奧氏體化焊縫區(qū)域的組織，從而實現(xiàn)了焊縫性能優(yōu)化；焊縫熱處理后再進(jìn)行全管體中頻感應(yīng)加熱并空冷，利用中頻感應(yīng)加熱特點，對焊縫雙重加熱，細(xì)化組織和降低殘余應(yīng)力，從而實現(xiàn)焊縫性能提升；在中頻感應(yīng)加熱后僅引入控制冷卻，雖然保留了中頻感應(yīng)熱處理的優(yōu)點，降低了相變溫度Ar3，同時增加了α相的形核率，阻止或推遲了Nb，V和Ti等合金元素的組織轉(zhuǎn)變析出行為[11-13]，但可能因冷卻不均勻而造成性能波動；而熱張力減徑工藝的引入，對管坯進(jìn)行高溫?zé)釞C(jī)械軋制，盡管可增加鐵素體形核的有效晶界面積，提高鐵素體形核率，細(xì)化鐵素體晶粒[11,14]，但因三維軋制使奧氏體變形量存在差異，因而容易造成組織分布或尺寸大小波動；而中頻感應(yīng)加熱后熱張力減徑，并控制冷卻，利用中頻感應(yīng)加熱保留原料卷板性能優(yōu)點，通過熱張力減徑和控制冷卻，控制組織轉(zhuǎn)變和發(fā)揮合金元素Nb，V和Ti等的作用，使焊縫組織分布均勻化，有效改善焊接流線，從而提高焊縫性能。可見，HFW焊接管坯生產(chǎn)中引入中頻感應(yīng)加熱、熱張力減徑技術(shù)和在線控制冷卻，可有效優(yōu)化焊縫組織和性能。

3.2　顯微硬度

圖3顯示了不同熱處理工藝下HFW焊縫中心、熱影響區(qū)和母材的硬度分布規(guī)律。與焊態(tài)組織（如圖3（a）所示）相比，焊縫局部熱處理雖然可明顯降低焊縫硬度差異，但焊縫和熱影響區(qū)硬度仍略高于母材，并且熱影響區(qū)硬度波動較明顯，如圖3（b）所示。隨著對焊縫熱處理后管坯進(jìn)行二次全管體中頻加熱并空冷，焊縫硬度略降低，較單純的焊縫硬度均勻性提高，如圖3（c）所示；但增加控制冷卻后，焊縫硬度均勻性降低，略低于其他位置，如圖3（e）所示。

圖3　不同工藝狀態(tài)下焊縫顯微硬度分布規(guī)律

采用熱張力減徑工藝，管坯焊縫區(qū)域的硬度分布均勻性明顯提高，焊縫中心、熱影響區(qū)和母材的硬度趨于一致， 如圖3（e）和圖3（f）所示，特別是熱張力減徑后增加控制冷卻，不僅可保持硬度的均勻性，而且可以提高管材硬度，從而實現(xiàn)良好的強(qiáng)度和韌性配比。分析其原因主要在于采用中頻感應(yīng)加熱、熱張力減徑和控制冷卻綜合技術(shù)，有效控制了組織的形核位置和形核率，使鐵素體和珠光體分布均勻化，細(xì)化了組織。

3.3　沖擊韌性

圖4顯示了不同工藝狀態(tài)對HFW焊縫沖擊韌性的影響。從圖中工藝1和工藝2與焊態(tài)結(jié)果對比可以看出，單純的局部焊縫中頻感應(yīng)處理和經(jīng)全管體中頻加熱+熱張力減徑后空冷處理均可在一定程度上提高焊縫沖擊韌性，但引入熱張力減徑可顯著提高母材的沖擊韌性。對比工藝3、工藝5和工藝1可看出，局部焊縫中頻感應(yīng)熱處理后再經(jīng)全管體中頻加熱，可提高母材和焊縫的沖擊功，引入在線控制冷卻工藝后可進(jìn)一步提高母材和焊縫的沖擊功。工藝4和工藝5對比可看出，在控制冷卻前增加熱張力減徑工藝，可有效提高焊縫與母材的橫向沖擊功值，顯著提高管材的焊縫沖擊韌性。可見，通過中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻工藝的優(yōu)化組合，比局部焊縫熱處理的焊縫韌性提高2～3倍，有效提升了焊縫的沖擊韌性。

圖4　不同工藝狀態(tài)對焊縫沖擊韌性的影響

3.4　溝槽腐蝕

表4列出了不同工藝處理后HFW焊縫溝腐蝕試驗結(jié)果。從表中可以看出，5種焊縫處理工藝均可使HFW焊管焊縫溝腐蝕系數(shù)α＜1.3，使焊縫對溝槽腐蝕不敏感。但經(jīng)工藝5的中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻綜合處理可使HFW焊接管坯溝槽腐蝕系數(shù)最低；單純的局部焊縫在線熱處理（工藝1）、局部焊縫+全管體中頻感應(yīng)加熱并空冷（工藝2）、控制冷卻（工藝4）和全管體中頻感應(yīng)加熱后熱張力減徑并空冷（工藝3）對降低焊縫的溝槽腐蝕系數(shù)作用相近，但低于工藝5試驗結(jié)果。原因在于:采用中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑+控制冷卻工藝可使焊縫和母材組織成分差異減小，組織均勻化，殘余應(yīng)力降低，從而降低溝槽腐蝕敏感性[15]；而單純的在線焊縫中頻感應(yīng)熱處理因局部加熱容易增加焊縫殘余應(yīng)力，全管體中頻感應(yīng)加熱后空冷或缺少熱減徑的控制冷卻容易遺傳焊態(tài)奧氏體組織特點，造成焊縫區(qū)域組織尺寸波動，從而使溝槽腐蝕敏感性有所降低。而中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑后空冷，因冷卻速度慢使溝槽腐蝕敏感性增加。

表4　不同工藝狀態(tài)下焊縫溝腐蝕敏感性系數(shù)

4　結(jié)論

（1）采用中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻組合工藝對HFW焊接套管管坯焊縫進(jìn)行處理，可優(yōu)化焊縫組織分布，細(xì)化焊縫組織尺寸，均勻化焊縫硬度分布，提高焊縫沖擊韌性，降低溝槽腐蝕敏感系數(shù)。

（2）局部焊縫中頻感應(yīng)加熱并空冷、局部焊縫+全管體雙重中頻感應(yīng)加熱后空冷或再控制冷卻以及全管體中頻感應(yīng)加熱后熱張減和空冷，均可一定程度提高焊縫韌性，均勻化硬度分布，降低腐蝕敏感系數(shù)，但整體上HFW焊縫優(yōu)化效果低于全管體中頻感應(yīng)加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻組合工藝。

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