ND鋼高頻焊管的應用可行性研究

叢相州　彭杏娜　彭先寬　王濤

摘要：簡要介紹了高頻焊管的主要工程應用及市場前景，對三種不同狀態下（焊態、正火態、回火態）下的ND鋼高頻焊管進行了耐硫酸露點腐蝕試驗及爆破試驗研究，并與無縫管進行了對比分析。結果表明，焊態、正火態和回火態下的ND鋼高頻焊管耐硫酸露點腐蝕性能與母材相當，焊態和熱處理回火態下的承壓能力與無縫管相當，正火態下承壓壓能力弱，且經濟性差。綜合分析得出，從耐硫酸露點腐蝕性和承壓能力性能考慮，焊態或回火態下ND鋼高頻焊管和無縫管性能相當，可替代無縫管。

關鍵詞：ND鋼;高頻焊管;可行性;焊接

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）01-0071-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.12

0 前言

高頻焊接技術起始于20 世紀50 年代，70年代直縫高頻焊管生產工藝基本成熟[1]。與無縫鋼管相比，直縫高頻焊管具有生產效率高、成本低、尺寸精度高、表面質量好、母材缺陷少等優勢。隨著現代制鋼和制管技術的進步，高頻焊接管材的應用領域不斷擴大，應用條件逐漸由簡單到復雜，從最初的結構鋼管到鍋爐鋼管[2-3]、管線鋼管[4-5]，再到目前較高端的油井用管和汽車用管[6-8]，在上述領域高頻焊管實現了部分甚至完全替代無縫鋼管。市場需求一直在推動著高頻焊接技術的進步和高頻焊管的應用，近些年隨著固態焊機的出現和發展，業界對高頻焊接過程投入了更多的關注。

ND鋼，即09CrCuSb鋼，是目前國內外廣泛應用的“耐硫酸露點腐蝕”用鋼材，其廣泛用于制造在高含硫煙氣中使用的省煤器、空氣預熱器、熱交換器和蒸發器等裝置設備，用于抵御含硫煙氣的結露點腐蝕[9]。此外，ND鋼還具有耐氯離子腐蝕的能力及高的性價比，因此完全可以代替部分不銹鋼，甚至在耐硫酸露點腐蝕方面還可超越不銹鋼。ND鋼符合當今高效、長壽、節能、環保的“綠色”觀念和國家發展政策，具有重要的社會價值。

現有技術中ND鋼主要是以其無縫鋼管形式得到廣泛應用。但至今尚未有關ND鋼高頻焊接鋼管的相關報道。由于焊接鋼管比無縫鋼管具有成本低、生產效率高等一系列優點，在此對ND鋼高頻焊接鋼管的應用可行性進行了試驗分析。

1 試驗材料及方法

試驗對象為實際已經應用于空氣預熱器上的φ51×2 mm規格ND鋼高頻焊管（未除內毛刺），分別進行了不同狀態（焊態、正火態、回火態）下的金相組織分析、耐硫酸露點腐蝕性能研究、爆破試驗研究。對焊態下鋼管分別進行了正火和回火兩種不同方式的熱處理。其中正火參數：880～900 ℃，15～20 min，空冷;回火參數：600～620 ℃，15～20 min，空冷。通過力學性能、耐硫酸露點腐蝕試驗以及爆破試驗，與現有的低溫省煤器常用規格φ38×4 mm的無縫鋼管進行對比分析。

焊態下高頻焊管以及無縫管的化學成分如表1所示，可以看出，均滿足GB/T 150.2標準指標。兩種管材的抗拉強度如表2所示。

2 分析及討論

2.1 ND鋼高頻焊管的微觀組織

觀察ND鋼高頻焊管在三種不同狀態下的微觀組織，如圖1所示。圖1a為焊態下ND鋼焊管接頭形貌，圖1b為焊態下焊縫的組織，為鑄態鐵素體組織，圖1c為未受熱影響的母材的顯微組織，母材由鐵素體+珠光體組織組成。正火態下的接頭形貌如圖2所示，接頭腐蝕后肉眼不能區分焊縫及母材，在金相顯微鏡下，可以看出焊縫及母材均為鐵素體+珠光體組織，但是焊縫組織中存在鐵素體大小分布不均勻，出現鐵素體聚集長大現象，形成塊狀鐵素體，母材組織同樣出現鐵素體長大現象，但是長大程度不及焊縫明顯。主要原因是經過再次正火后，重新奧氏體化所致。回火態下ND鋼焊管接頭形貌如圖3所示。回火后，焊縫和母材組織均得到了回復。焊縫的鑄態組織消失，母材的珠光體組織消失變基本全部轉化為鐵素體。

2.2 ND鋼耐硫酸露點腐蝕試驗

對焊態、正火態和回火態三種狀態下的ND鋼高頻鋼管進行了耐硫酸露點腐蝕試驗，并于無縫管做了對比分析，腐蝕形貌見圖4a。此外切取焊態下焊縫部分試樣（包含母材），母材部分切片，并進行耐硫酸露點腐蝕試驗對比，見腐蝕形貌見圖4b。腐蝕條件：質量分數為50%的H2SO4溶液中，70 ℃±2 ℃的恒溫條件下浸泡6 h，腐蝕速率結果如表3所示。結果表明，三種狀態的腐蝕速率與母材相當，不同的熱處理狀態對腐蝕的速率影響較小。

2.3 ND高頻焊管及無縫管的爆破試驗

按照GB/T 241-2007《金屬管液壓試驗方法》對焊態、正火態和回火態三種狀態下的ND鋼高頻鋼管以及三支同規格φ38×4 mm ND鋼無縫管進行了爆破試驗。理論爆破壓力計算公式為P=2SR/D，S為鋼管厚度，R為材料抗拉強度，D為鋼管外徑。爆破試驗數據如表4所示。可以看出，除正火態焊管承壓能力較弱，焊態和回火態焊管以及無縫管承壓能力均高于理論值10%以上。文獻[10]也認為進行水壓試驗時，焊態下焊管是從母體部分開裂，而正火態的焊管則是從焊縫部位開裂。原因為正火后焊縫強度大大降低所致。

高頻焊管不同狀態下的爆破試樣如圖5所示。由圖5可以看出焊態及回火態下ND鋼高頻焊管斷在母材位置，正火態下斷焊縫位置。焊態下裂口撕開長度78 mm，斷裂鼓包部位周長175 mm，其他部位未見明顯變形。正火態下裂口撕開長度60 mm，斷裂鼓包部位周長190 mm，其他部位周長不小于175 mm，高于原焊管周長163 mm，說明斷裂前鋼管整體經歷了大量變形。回火態斷裂開口長度75 mm，斷裂鼓包部位周長180 mm，其他部位未見明顯變形。無縫管爆破試樣如圖6所示后開口長度55 mm，斷裂鼓包部位周長146 mm，其他部位周長130 mm，高于原焊縫120 mm，說明斷裂前也經歷了變形。

3 結論

（1）針對ND鋼高頻焊管，不同的熱處理狀態對耐硫酸露點腐蝕速率影響較小，焊態下、正火態和回火態下焊管的耐硫酸露點腐蝕性能基本與母材相當，符合標準要求。

（2）爆破試驗表明，正火態下焊管的承壓能力最弱，焊態和回火態下及無縫管的承壓能力都高于理論計算值。從經濟性及承壓性能角度考慮，ND鋼高頻焊管焊后不建議采用正火熱處理。

（3）從耐硫酸露點腐蝕性和承壓能力角度考慮，ND鋼高頻焊管與無縫管性能相當，可替代無縫管。

參考文獻：

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