HFW焊缝性能优化工艺研究

何石磊白　鹤张　峰韦　奉王　军李周波党　涛李远征

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西宝鸡721008）

0　前言

目前，国内外采用高频焊管机组生产HFW焊接油套管，主要生产工艺有定径工艺和张力减径工艺[1]。两种工艺特点不同，对焊缝的处理手段也不同，在定径工艺中普遍利用在线焊缝热处理，采用正火、正火+回火和离线调质等热处理工艺；在张力减径工艺中利用全管体中频感应加热和热张力减径设备，采用在线控制冷却、离线调质等热处理工艺。虽然对生产HFW焊接油套管中采用两种工艺都可实现对焊缝组织和性能的优化[2-9]，但两种工艺对焊缝性能的优化效果对比，还鲜有人报道。

本研究以J55钢级HFW焊接套管的生产试验为例，通过设计并模拟不同焊缝热处理工艺，对HFW管坯焊缝性能进行优化，并对比试验结果，从而为生产线HFW焊接油套管焊缝质量控制、焊缝性能优化和工艺选择提供参考。

1　试验材料

试验用J55纲级卷板化学成分见表1，供货状态为热轧态。其常温下力学性能见表2，显微组织如图1所示，显微组织为铁素体+珠光体。将卷板纵剪后，采用FFX成型方式粗成型、精成型，再经过HFW高速连续焊接制成管坯。

表1　试验材料化学成分　%

表2　试验材料力学性能检测结果

图1　试验材料显微组织

2　试验方法

采用高频固态焊机进行HFW焊接成型制成试验管坯，然后将管坯进行相应热处理，其详细热处理工艺方案及焊缝优化工艺见表3。

从焊缝位置取20 mm×18 mm尺寸块状金相试样，用3%硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用DMI 5000M金相显微镜进行组织观察。硬度检测采用HXD-1000TMC显微硬度计，沿钢管内壁、中间和外壁位置，在焊缝中心、热影响区和母材分别取3个点测试硬度值，求平均值。冲击试验采用PSW 750示波冲击试验机，分别采用6件尺寸为55 mm×10 mm×5 mm的焊缝和母材的横向试样，试验温度为21℃，测定后转换成全尺寸冲击功。

表3　中频热处理工艺方案

沟槽腐蚀试验采用恒电位电化学极化方法，腐蚀环境为3.5%NaCl中性水溶液，采用HDV7C型恒电位仪，利用三电极系统施加-550 mV（极化时间为144 h）。试验后分别测量焊缝的腐蚀深度h2和母材的平均腐蚀深度h1，根据沟槽腐蚀敏感性系数α=h2/h1公式，评价焊缝沟槽腐蚀敏感性。

3　试验结果及分析

3.1　显微组织

图2显示了不同热处理工艺下HFW焊缝区域的显微组织。在HFW高频焊接后，毗邻焊缝的显微组织转变为硬质相，如在快速冷却下产生的马氏体和贝氏体或魏氏体组织，如图2（a）所示。经过局部焊缝中频感应热处理后，其焊缝区域显微组织如图2（b）所示；焊缝热处理后，再进行全管体中频感应加热，并空冷，其焊缝区域显微组织如图2（c）所示；不进行局部焊缝热处理，直接采用全管体中频感应加热后进行热张力减径，其焊缝区显微组织如图2（d）所示。在工艺2和工艺3的基础上，将焊缝进行控制冷却，其焊缝区域组织形貌如图2（e）和图 2（f）所示。

通过金相组织对比可以看出，局部焊缝热处理后，HFW焊接过程中因高温存在脱碳，使焊缝中心位置铁素体含量较多，邻焊缝熔合线位置珠光体含量较多，其组织形态和分布明显不均匀，焊接流线明显；局部焊缝热处理后，再进行全管体中频加热，因二次加热使焊缝区域组织趋于均匀化，但因冷却速度缓慢，使焊接流线存在；而全管体中频感应加热再进行热张力减径，因热机械轧制作用，使焊缝的组织分布均匀化增强，焊接流线改善；在热张力减径后再引入控制冷却，因增加奥氏体过冷度可细化组织，改善组织分布和焊接流线。未引入控制冷却容易形成少量魏氏体组织，组织分布不均匀，因而对焊缝的性能不利。

分析其原因，局部焊缝感应热处理利用中频感应快速加热时间短、速度快的特点[10]，重新奥氏体化焊缝区域的组织，从而实现了焊缝性能优化；焊缝热处理后再进行全管体中频感应加热并空冷，利用中频感应加热特点，对焊缝双重加热，细化组织和降低残余应力，从而实现焊缝性能提升；在中频感应加热后仅引入控制冷却，虽然保留了中频感应热处理的优点，降低了相变温度Ar3，同时增加了α相的形核率，阻止或推迟了Nb，V和Ti等合金元素的组织转变析出行为[11-13]，但可能因冷却不均匀而造成性能波动；而热张力减径工艺的引入，对管坯进行高温热机械轧制，尽管可增加铁素体形核的有效晶界面积，提高铁素体形核率，细化铁素体晶粒[11,14]，但因三维轧制使奥氏体变形量存在差异，因而容易造成组织分布或尺寸大小波动；而中频感应加热后热张力减径，并控制冷却，利用中频感应加热保留原料卷板性能优点，通过热张力减径和控制冷却，控制组织转变和发挥合金元素Nb，V和Ti等的作用，使焊缝组织分布均匀化，有效改善焊接流线，从而提高焊缝性能。可见，HFW焊接管坯生产中引入中频感应加热、热张力减径技术和在线控制冷却，可有效优化焊缝组织和性能。

3.2　显微硬度

图3显示了不同热处理工艺下HFW焊缝中心、热影响区和母材的硬度分布规律。与焊态组织（如图3（a）所示）相比，焊缝局部热处理虽然可明显降低焊缝硬度差异，但焊缝和热影响区硬度仍略高于母材，并且热影响区硬度波动较明显，如图3（b）所示。随着对焊缝热处理后管坯进行二次全管体中频加热并空冷，焊缝硬度略降低，较单纯的焊缝硬度均匀性提高，如图3（c）所示；但增加控制冷却后，焊缝硬度均匀性降低，略低于其他位置，如图3（e）所示。

图3　不同工艺状态下焊缝显微硬度分布规律

采用热张力减径工艺，管坯焊缝区域的硬度分布均匀性明显提高，焊缝中心、热影响区和母材的硬度趋于一致， 如图3（e）和图3（f）所示，特别是热张力减径后增加控制冷却，不仅可保持硬度的均匀性，而且可以提高管材硬度，从而实现良好的强度和韧性配比。分析其原因主要在于采用中频感应加热、热张力减径和控制冷却综合技术，有效控制了组织的形核位置和形核率，使铁素体和珠光体分布均匀化，细化了组织。

3.3　冲击韧性

图4显示了不同工艺状态对HFW焊缝冲击韧性的影响。从图中工艺1和工艺2与焊态结果对比可以看出，单纯的局部焊缝中频感应处理和经全管体中频加热+热张力减径后空冷处理均可在一定程度上提高焊缝冲击韧性，但引入热张力减径可显著提高母材的冲击韧性。对比工艺3、工艺5和工艺1可看出，局部焊缝中频感应热处理后再经全管体中频加热，可提高母材和焊缝的冲击功，引入在线控制冷却工艺后可进一步提高母材和焊缝的冲击功。工艺4和工艺5对比可看出，在控制冷却前增加热张力减径工艺，可有效提高焊缝与母材的横向冲击功值，显著提高管材的焊缝冲击韧性。可见，通过中频感应加热+热张力减径+在线控制冷却工艺的优化组合，比局部焊缝热处理的焊缝韧性提高2～3倍，有效提升了焊缝的冲击韧性。

图4　不同工艺状态对焊缝冲击韧性的影响

3.4　沟槽腐蚀

表4列出了不同工艺处理后HFW焊缝沟腐蚀试验结果。从表中可以看出，5种焊缝处理工艺均可使HFW焊管焊缝沟腐蚀系数α＜1.3，使焊缝对沟槽腐蚀不敏感。但经工艺5的中频感应加热+热张力减径+在线控制冷却综合处理可使HFW焊接管坯沟槽腐蚀系数最低；单纯的局部焊缝在线热处理（工艺1）、局部焊缝+全管体中频感应加热并空冷（工艺2）、控制冷却（工艺4）和全管体中频感应加热后热张力减径并空冷（工艺3）对降低焊缝的沟槽腐蚀系数作用相近，但低于工艺5试验结果。原因在于:采用中频感应加热+热张力减径+控制冷却工艺可使焊缝和母材组织成分差异减小，组织均匀化，残余应力降低，从而降低沟槽腐蚀敏感性[15]；而单纯的在线焊缝中频感应热处理因局部加热容易增加焊缝残余应力，全管体中频感应加热后空冷或缺少热减径的控制冷却容易遗传焊态奥氏体组织特点，造成焊缝区域组织尺寸波动，从而使沟槽腐蚀敏感性有所降低。而中频感应加热+热张力减径后空冷，因冷却速度慢使沟槽腐蚀敏感性增加。

表4　不同工艺状态下焊缝沟腐蚀敏感性系数

4　结论

（1）采用中频感应加热+热张力减径+在线控制冷却组合工艺对HFW焊接套管管坯焊缝进行处理，可优化焊缝组织分布，细化焊缝组织尺寸，均匀化焊缝硬度分布，提高焊缝冲击韧性，降低沟槽腐蚀敏感系数。

（2）局部焊缝中频感应加热并空冷、局部焊缝+全管体双重中频感应加热后空冷或再控制冷却以及全管体中频感应加热后热张减和空冷，均可一定程度提高焊缝韧性，均匀化硬度分布，降低腐蚀敏感系数，但整体上HFW焊缝优化效果低于全管体中频感应加热+热张力减径+在线控制冷却组合工艺。

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