低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管的研制

張友鵬,林發駒,吳 紅,陳曉娟,鄒 盈

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管的研制

張友鵬,林發駒,吳 紅,陳曉娟,鄒 盈

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

隨著我國海洋工程裝備、石化、高層建筑、橋梁等行業的不斷發展,高強鋼結構用無縫鋼管不預熱、不焊后熱處理焊接的需求逐漸增加,攀鋼集團成都鋼釩有限公司根據市場需求,通過成分設計及冶煉、軋制、熱處理工藝成套技術的研究,開發出經濟型的低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管,實現批量生產的低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管性能滿足設計和使用要求,滿足用戶在焊接施工過程中不預熱、不焊后熱處理的要求。

高強鋼;低焊接裂紋敏感性;經濟型;設計;焊接

1 引言

低合金高強度鋼由于具有較高的強度和良好的塑性和韌性,因此在工程焊接結構中得到了廣泛的應用。在實際應用中,低合金調質高強度鋼在焊接中所面臨的問題:一是防止裂紋;二是在保證滿足高強度要求的同時,提高焊縫金屬及焊接熱影響區的沖擊韌性。其中冷裂紋是焊接生產中出現較普遍的一種裂紋,尤其是當焊接低、中合金的高強度鋼時,隨著強度級別的提高,冷裂紋出現的傾向越來越明顯。在大型結構件的焊接過程中,為防止冷裂紋產生,往往需要采取焊前預熱和焊后熱處理的措施,同時還需要控制過大的焊接線能量。

由于焊接冷裂紋對高強度鋼焊接結構的嚴重危害,近年來國際上對高強度鋼焊接冷裂紋進行了大量研究,同時提出了低焊接裂紋敏感性的概念。低焊接裂紋敏感性鋼由于其合金元素含量較少、碳含量很低(≤0.12%),一般要求Pcm≤0.21%,加之鋼的純凈度大大提高,從而在根本上保證了鋼材的優良韌性及可焊性,保證了鋼材在焊接區域的薄弱地帶——熔合區及熱影響區具有優良的抗裂能力,保證材料在焊前不預熱或低預熱的條件下不出現裂紋。

目前隨著我國海洋工程裝備、石化、高層建筑、橋梁等行業的不斷發展,對高強鋼結構用無縫鋼管不預熱、不焊后熱處理焊接的需求也逐漸增加,低焊接裂紋敏感性鋼已大量應用于鋼板的生產,并通過采用淬火+回火或采用熱機械軋制+回火工藝,保證產品性能滿足高強度及低焊接裂紋敏感性的要求。但對于低焊接裂紋敏感性高強無縫鋼管的生產卻一直未得到很好的發展。

攀成鋼公司根據自身的工藝裝備情況,并結合用戶大型起重船和鋪管船等起重機臂架用低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管使用技術條件,通過對化學成分、軋制工藝及調質工藝的研究,成功開發出具有較高強度、良好低溫沖擊韌性的經濟型低焊接裂紋敏感性無縫鋼管,解決高強度無縫鋼管的焊接施工問題,從而提高了鋼結構的安全可靠性。

2 生產工藝線設計

鐵水脫硫→轉爐或電爐→LF鋼包精煉爐→VD真空精煉→鋼錠或連鑄坯→管坯軋制→淬火+回火→矯直→超探→檢查→包裝

管坯軋制:可根據不同規格的產品,選擇在340或508機組進行軋坯。

淬火+回火:根據合同量和規格選擇在340特管或508機組+合金進行調質處理。

3 化學成分設計

結合鋼管的規格和使用條件,確定的成分控制范圍見表1。

4 力學性能要求(見表2)

5 關鍵技術的控制

5.1 冶煉工藝

冶煉采用真空精煉,鋼液在真空下進行殘氧脫碳反應,以控制較低的碳含量;并進行Ca處理以控制鋼中的硫含量及硫化物的形態,保證鋼的純凈度;B是極活潑的元素,在鋼中易與O、N化合形成穩定的夾雜物而喪失其有益的作用,只有固溶在鋼中的有效B才能起到明顯的提高淬透性的作用。在冶煉時以良好的脫氧、精煉和合理的加B方法為基礎,控制好B的收得率。

5.2 熱軋管坯工藝

在生產過程中,通過對環形爐加熱制度、穿孔和軋管工模具的配置及工模具的潤滑等作了具體要求,保證了管坯的內外表面質量及尺寸公差精度,滿足鋼管對焊的使用要求。

5.3 熱處理工藝

為了制定淬火工藝,首先要掌握該鋼種的Ac1、Ac3相變點溫度。通過采用熱膨脹儀進行測定,該鋼種的Ac1、Ac3相變點分別為738℃、884℃(見圖1)。根據選擇淬火溫度的經驗(Ac3+30℃～50℃),并綜合考慮鋼管壁厚及淬透性情況,最終選擇淬火出爐管溫為940℃～960℃,回火工藝經在實驗室進行一系列的溫度摸索(見圖2),確定最佳回火溫度為640℃～660℃。

表1 化學成分(%)

表2 力學性能

圖1 WDB620鋼種的相變點

圖2 回火溫度與性能指標的關系

6 WDB620產品性能檢驗結果

按相關技術協議和標準規定,對攀成鋼公司生產的低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管進行了拉伸性能、沖擊韌性、金相組織及非金屬夾雜物評級等技術指標的檢驗,其檢驗結果如下。

(1)鋼管高倍情況(見表3)

表3 鋼管高倍情況

(2)金相組織(見圖3)

圖3 回火B+回火S(500×)

(3)產品氣體含量含量(見表4)

表4 鋼的氣體含量(%)

(4)鋼管的力學性能

鋼管經調質后的屈服強度、抗張強度、延伸率及-20℃低溫沖擊韌性指標情況分別見圖4、圖5、圖6、圖7。

圖4 屈服強度

圖5 抗張強度

圖6 延伸率

圖7 -20度橫向沖擊功均值

(5)產品焊接評定檢驗結果

經用戶對我公司生產的WDB620D低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管進行焊接評價試驗,結果表明該鋼管完全滿足低焊接裂紋敏感性的要求,即焊前不預熱、焊后不熱處理,鋼管經焊接后,其室溫拉伸檢驗合格,側彎、面彎、背彎等彎曲試驗合格,-20℃低溫沖擊合格。具體測試結果見表5、表6、表7、表8及表9所示。

表5 拉伸試驗結果

表6 接頭彎曲試驗結果

表7 低溫沖擊試驗結果

表8 接頭硬度檢驗結果

表9 接頭宏觀斷面酸蝕試驗

經檢驗,WDB620D無縫鋼管焊后拉伸試驗、彎曲試驗、低溫沖擊試驗、宏觀斷面的檢驗結果符合相應技術要求。

7 結論

(1)本項目采用“VD連鑄圓坯或鋼錠→340/508機組軋制→340特管調質和508機組淬火+合金回火熱處理→探傷”工藝線生產出的低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管,幾何尺寸、外觀質量良好,力學性能穩定,各項性能指標均滿足標準及協議要求,完全能夠滿足用戶的使用要求。

(2)攀成鋼公司生產的低焊接裂紋敏感性高強度無縫鋼管通過后序的熱處理工藝的保障,使鋼管在Pcm≤0.21%的情況下仍具有較高的強度指標和優良的-20℃低溫沖擊韌性,且屈強比為0.85～0.90,實現了較高強度和良好的塑性、韌性的配合。

[1] 任元和.冶金因素對硼鋼中B回收率的影響[J].特殊鋼,1992,(13)5:56-58.

[2] 陳忠偉.低碳貝氏體鋼的研究現狀與發展前景[J].材料導報,2001,(20)10:84-86.

[3] 楊漢,王西霞,曲錦波.硼對低焊接裂紋敏感性高強鋼組織性能的影響[J].鋼鐵,2013,48 (12):80-84.

[4] 陳曉,陳顏堂,王蕾,等,大線能量低焊接裂紋敏感性鋼的顯微組織[J].中國有色金屬學報, 2004,14(Z1):217-223.

[5] 郭桐,葉建軍,崔強.調質型WDB620厚板的工藝研究[J].寬厚板,2006,12(6):17-22.

[6] 鎮凡,張寬,郭志,等.低焊接裂紋敏感性高強鋼Q550CFD的組織性能研究[J].熱加工工藝,2013,42(3):160-167.

[7] 馬艷麗,閆沛軍,張天會.WDB620鋼焊接接頭力學性能與缺陷尺寸研究[J].焊接技術, 2011,40(4):56-59.

Development of High Strength and Low Welding Crack Sensitivity of Seamless Steel Tube

ZHANG You-peng,LIN Fa-ju,WU Hong,CHEN Xiao-juan,ZOU Ying

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu,610303 Sichuan,China)

With the continuous development of China's marine engineering petrochemical,high-rise buildings,bridges and other industries,high strength steel structure with seamless steel tube without preheating,no heat treatment after welding welding requirements gradually increase, Pangang Group Chengdu Steel Vanadium Co.,according to market demand,developed economy and low welding crack sensitivity high strength seamless pipe,the realization of mass production and low welding crack sensitivity high strength seamless pipe performance meets the requirements of design and application,the user does not meet the heat treatment,preheating the welding process after welding is not required.

high strength steel,low welding crack sensitivity,economical,design,welding

1001-5108(2016)04-0032-05

TG335.71

A

張友鵬,工程師,主要從事無縫鋼管新產品開發和軋鋼工藝研究等技術工作。