熱 彎管推制工藝與熱處理制度

■肖春景，王陸軍

熱 彎管推制工藝與熱處理制度

■肖春景，王陸軍

熱揻彎管由于管口圓度好，必要的熱處理消除了殘余應(yīng)力，且減薄率可以控制到≤10%，保證質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，更重要的是彎曲角可以在0～90℃之間任意變化，同時(shí)熱揻彎管生產(chǎn)效率高，因而熱揻彎管得到廣泛使用。下面重點(diǎn)研究熱揻彎管的推制工藝及其熱處理制度。

1. 熱 彎管的推制方法

熱揻彎管的制造方法是利用彎管機(jī)先把直管放在彎管機(jī)的推制臺(tái)上，通過液壓系統(tǒng)推動(dòng)母管勻速前進(jìn)，推制前進(jìn)時(shí)母管經(jīng)過電感應(yīng)加熱圈位置時(shí)那一段母管加熱到奧氏體狀態(tài)軟化，然后噴水冷卻，經(jīng)過旋臂后母管出來就成為設(shè)定好彎曲角度的彎管了。焊縫鋼管在熱揻推制成彎管時(shí)，由于外側(cè)受拉應(yīng)力內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力的作用，縱焊縫通常要求放置在中性面附近10?以內(nèi)且焊縫位置朝上便于觀察與檢查。熱揻彎管加熱溫度根據(jù)鋼種材質(zhì)、厚度、曲率半徑、角度等不同有所差別，通常是加熱到950℃左右奧氏體化，邊推進(jìn)邊加熱邊冷卻，推進(jìn)速度（30±10）mm/min，加熱帶寬20～30mm，水溫控制在30℃左右，保持水壓0.2MPa左右，以保證冷卻速度。這樣的二次加熱必然會(huì)造成彎管與母管的組織不同。為了消除熱揻彎管時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，熱揻彎管制成后通常要進(jìn)行一次整體回火，以消除應(yīng)力，穩(wěn)定組織。

直管從推制臺(tái)通過彎管機(jī)在母管待彎部位套上感應(yīng)圈，用機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂卡住管頭，在感應(yīng)圈中通入中頻電流加熱母管，當(dāng)母管溫度加熱到塑性狀態(tài)，母管奧氏體化軟化時(shí)，液壓系統(tǒng)把母管往前推進(jìn)進(jìn)行彎制，彎制出來的彎管（這時(shí)是彎的）迅速噴水冷卻，這樣邊加熱，邊推制，邊彎制，邊冷卻，一環(huán)接一環(huán)，不斷把彎管推制出來。

2. 熱 彎管的推制工藝

熱揻彎管的推制工藝技術(shù)主要是控制彎曲角度、焊縫位置、推制速度、加熱溫度、冷卻速度等。彎曲角度由旋臂旋轉(zhuǎn)的角度來決定，可通過旋臂表盤讀數(shù)顯示。焊縫位置縱焊縫通常要求放置在中性面附近10?以內(nèi)，目視觀察及測量。推制速度由液壓系統(tǒng)控制勻速前進(jìn)，彎管推制過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不允許中斷。當(dāng)獲得需要的彎曲角度時(shí)停止彎制，但冷卻系統(tǒng)應(yīng)保持2min，確保加熱位置的溫度均勻下降。加熱溫度及加熱帶寬決定了彎管加熱溫度，加熱溫度由輸入功率、電流、電壓控制及監(jiān)測，測溫儀可以測量及監(jiān)控，加熱帶寬由電感應(yīng)加熱圈的寬度決定。冷卻速度由水溫、水壓、水量，以及噴嘴口的大小、位置、角度、距離等決定。

熱揻彎管推制工藝參數(shù)主要是彎曲角度、推制速度、加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。彎曲角度決定彎管形狀，而加熱溫

度、保溫時(shí)間、冷卻速度決定彎管內(nèi)部組織變化，連同隨后的回火工藝共同決定了彎管的最終組織及力學(xué)性能，其他過程參數(shù)、設(shè)備參數(shù)是直接或間接控制這5個(gè)重要工藝參數(shù)的指標(biāo)。

熱揻彎管的推進(jìn)速度通常為（30±10）mm/min，加熱帶寬20～30mm，利用純凈水作為冷卻介質(zhì)，噴嘴離感應(yīng)線圈中心線45°，噴水口的距離為16mm，水壓為0.15～0.20MPa。加熱溫度900～1150℃。具體的工藝參數(shù)的數(shù)值在彎管試制階段需要根據(jù)母管的化學(xué)成分，力學(xué)性能檢測結(jié)果，通過結(jié)合隨后的回火工藝，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，匹配最適化達(dá)到彎管性能的最佳化來滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和客戶的技術(shù)要求。

3. 熱 彎管的熱處理工藝

熱揻彎管母管材料通常采用低碳微合金鋼軋制，其組織通常是鐵素體和珠光體、粒狀貝氏體（高級(jí)鋼-控冷控軋），彎管二次加熱成奧氏體后噴水冷卻轉(zhuǎn)變成上貝氏體，少量粒狀貝氏體和少量馬氏體，高溫回火后馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體，其他轉(zhuǎn)變產(chǎn)物統(tǒng)稱回火貝氏體組織，表現(xiàn)在彎管的韌性與母管韌性相比將會(huì)有所降低。熱揻彎管的沖擊韌度與剪切力的依存關(guān)系和母管也有所不同，如何協(xié)調(diào)韌性指標(biāo)的合理關(guān)系，提出嚴(yán)密性和自洽性的彎管技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)有待試驗(yàn)驗(yàn)證和科學(xué)總結(jié)。考慮到彎管與母管性能的差異，對(duì)于熱揻彎管的金相組織通常提出更高的晶粒度要求，即要求彎管的母管晶粒度高半級(jí)或高一個(gè)級(jí)別以策應(yīng)安全。

鋼板或鋼卷微合金化和控軋控冷，高頻焊管在線正火，去應(yīng)力退火，鋼管直接淬火+回火（通常適用于無縫鋼管），熱揻彎管的回火對(duì)于彎管成品的質(zhì)量提高起著非常重要的作用。彎管的熱處理應(yīng)用首先體現(xiàn)在從源頭控制入手，母管原材料的控冷控軋技術(shù)和低碳微合金化技術(shù)。

熱揻彎管由于進(jìn)行加熱冷卻過程，組織轉(zhuǎn)變后的亞穩(wěn)組織對(duì)彎管的性能帶來不確定性，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)制要求熱揻彎管必須進(jìn)行回火處理，以穩(wěn)定其力學(xué)性能。熱處理工藝通常對(duì)加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度提出規(guī)定要求，以使彎管達(dá)到熱處理技術(shù)要求，如金相組織、硬度、力學(xué)性能。根據(jù)爐型及彎管大小確定裝爐量及擺放方式，確定使用工裝也是熱處理工藝的一個(gè)重要內(nèi)容。

熱處理工藝的回火溫度與保溫時(shí)間是兩個(gè)重要而關(guān)鍵參數(shù)，在彎管試制階段，根據(jù)彎管母材的性能及彎管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要通過與彎制推制工藝的不同組合，經(jīng)正交試驗(yàn)，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行，出現(xiàn)問題時(shí)查找原因，重新確認(rèn)工藝的合理性。由于彎管使用場合及材質(zhì)不同，有時(shí)用戶也會(huì)提出加熱速度、冷卻速度方面的控制要求，以保證其使用性能。

制訂熱揻彎管熱處理工藝首先要對(duì)彎管母管的化學(xué)成分、工藝、組織、性能之間的關(guān)系有一個(gè)全面的了解，然后結(jié)合鋼種特點(diǎn)、設(shè)備條件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和用戶要求，再制訂合理的熱處理工藝制度。在生產(chǎn)過程中根據(jù)反饋的質(zhì)量信息不斷優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，既要保持工藝的相對(duì)穩(wěn)定，又要針對(duì)不同鋼種、不同規(guī)格產(chǎn)品制訂有針對(duì)性的詳細(xì)工藝，以提高產(chǎn)品合格率和內(nèi)在品質(zhì)，增加產(chǎn)量，降低成本，促進(jìn)節(jié)能減排，這正是熱處理工作者永恒的課題。

4. 熱 彎管的質(zhì)量評(píng)定與質(zhì)量控制

熱揻彎管的質(zhì)量檢測內(nèi)容與直管的質(zhì)量評(píng)定一樣主要包括化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相組織檢查、晶粒度檢查、硬度試驗(yàn)、無損檢測、水壓試驗(yàn)、幾何尺寸和外觀質(zhì)量檢查，以及針對(duì)石油套管和螺紋的檢查、測量等。當(dāng)然由于彎管的特殊性，抽樣方法、取樣位置與直管也有不同，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都作了明確規(guī)定。

熱揻彎管的化學(xué)成分檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)及金相組織檢查既是對(duì)彎管力學(xué)性能的保證，也是彎管工藝性能的保證。彎管材質(zhì)化學(xué)成分檢測和維氏硬度試驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定硬度上限值）主要是對(duì)于焊縫鋼管制造和現(xiàn)場使用安裝中重要的焊接工序進(jìn)行材質(zhì)保證，焊接冷裂紋敏感性與化學(xué)成分主要是含碳量或碳當(dāng)量和材料硬度有關(guān)。彎管金相組織進(jìn)行低倍組織和高倍組織的檢查主要是檢查是否有組織缺陷，防止組織缺陷對(duì)于彎管性能的破壞作用。晶粒度檢查是彎管力學(xué)性能的基礎(chǔ)保證，晶粒過大、過粗，不僅直接影響彎管力學(xué)性能，還對(duì)彎管的制造過程產(chǎn)生不利的影響，甚至有可能在制造過程中直接失效。

熱揻彎管對(duì)裂紋缺陷是實(shí)行零缺陷管理。除彎管母管在線X射線自動(dòng)拍照、渦流自動(dòng)檢測、超聲波自動(dòng)檢測外，母管彎制后還應(yīng)進(jìn)行如下無損檢測以保證實(shí)際使用壽命：焊縫100%超聲波檢測；彎管端部50mm長度范圍內(nèi)用手動(dòng)超聲波進(jìn)行分層檢查；彎管坡口制備后應(yīng)對(duì)整個(gè)坡口面和管端50mm長度的焊縫進(jìn)行磁粉檢測；每根彎管外弧250mm寬度范圍內(nèi)的母材應(yīng)在回火后采用手動(dòng)超聲波檢測橫向裂紋缺陷，每根彎管整個(gè)外弧面母材應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測；管端剩磁檢測，剩磁超標(biāo)的彎管要退磁處理；修磨部分應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測。

熱揻彎管的精整主要包括彎管的切斷、端面加工（管端車螺紋，倒坡口）、表面質(zhì)量和幾何尺寸的檢查（幾何尺寸精度主要指厚薄不均和橢圓度）、質(zhì)量檢驗(yàn)、缺陷修磨和鋼種鑒定等工序。有特殊要求的彎管還需要經(jīng)過噴拋丸、機(jī)加工和防腐涂層處理等。全部合格的彎管經(jīng)過測長、稱重、噴印標(biāo)簽后包裝入庫。

5. 熱 彎管力學(xué)性能

熱揻彎管除進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能檢測外，根據(jù)使用條件和用戶要求，有些還需進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)，以定量或半定量地評(píng)估彎管的安全性與使用壽命。對(duì)于油氣彎管輸送管還需要進(jìn)行抗腐蝕性能試驗(yàn)，必要時(shí)加涂防腐層，以防止應(yīng)力腐蝕造成的早期破壞。

熱揻彎管力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行檢測。管線鋼管由于是鋼板卷軋制、卷管成形、彎管以及制造過程中鋼板內(nèi)外層冷卻速度不同，成分?jǐn)U散速度不同導(dǎo)致組織分布不均勻，鋼管彎制成形時(shí)應(yīng)力分布不同，彎管推制時(shí)的內(nèi)外側(cè)受力不同，以及內(nèi)外層加熱速度加熱溫度冷卻速度不同，從而導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變不同，最終影響力學(xué)性能包括強(qiáng)度、韌性產(chǎn)生不均勻性，工業(yè)應(yīng)用中雖然關(guān)注到這點(diǎn)卻未充分研究這些差異。

為評(píng)價(jià)和保證彎管實(shí)際使用工況真實(shí)服役條件下的彎管整體質(zhì)量和工程結(jié)構(gòu)的安全性，彎管管體力學(xué)性能試驗(yàn)是指直接用彎管實(shí)物模擬服役工況進(jìn)行檢驗(yàn)，主要有彎管液壓試驗(yàn)（水壓試驗(yàn)）檢驗(yàn)彎管基體和焊縫的強(qiáng)度以及是否滲漏。彎管靜水壓爆破試驗(yàn)（也可不爆破）主要測定彎管承壓過程中的變形情況、管體性能及斷裂擴(kuò)展等。彎管管體拉伸試驗(yàn)與常規(guī)的拉伸試驗(yàn)基本原理相同，加載力根據(jù)鋼管管體大小需要調(diào)整。通常由于彎管的使用數(shù)量不多，這類試驗(yàn)較少進(jìn)行，甚至直管類采用實(shí)物模擬服役工況檢驗(yàn)的也不多。

6. 結(jié)語

熱揻彎管從母管原材料的控制到生產(chǎn)制造全過程控制，以及交貨檢驗(yàn)的工藝評(píng)審，都是為了保證制造出符合使用要求的合格管線彎管。為便于評(píng)定鋼管管線的合格與否，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM 總結(jié)制定了相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)和制作過程規(guī)范，美國石油學(xué)會(huì)API 5L 也制定了石油管道的相關(guān)規(guī)范。參照國際標(biāo)準(zhǔn)，我國也制定和修定了對(duì)應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如石化管線、石油管線、電力管線、壓力管道等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定促進(jìn)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。

根據(jù)彎管的使用場合及使用條件，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)主要是美國標(biāo)準(zhǔn)，以及我國國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和客戶特殊要求，制成客戶技術(shù)要求規(guī)格書，以此為依據(jù)確定選材、工藝流程及過程參數(shù)，先進(jìn)行彎管試驗(yàn)試制，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行工藝評(píng)審，經(jīng)用戶或監(jiān)理認(rèn)可后制作生產(chǎn)工藝卡和檢測指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)生產(chǎn)和檢驗(yàn)。

20150515

作者簡介：肖春景，番禺珠江鋼管有限公司五分廠，廠長；王陸軍，番禺珠江鋼管有限公司裝備工藝部，熱處理高級(jí)工程師。