張友鵬,林發(fā)駒,吳 紅,陳曉娟,鄒 盈

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管的研制

張友鵬,林發(fā)駒,吳 紅,陳曉娟,鄒 盈

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

隨著我國(guó)海洋工程裝備、石化、高層建筑、橋梁等行業(yè)的不斷發(fā)展,高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)用無縫鋼管不預(yù)熱、不焊后熱處理焊接的需求逐漸增加,攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求,通過成分設(shè)計(jì)及冶煉、軋制、熱處理工藝成套技術(shù)的研究,開發(fā)出經(jīng)濟(jì)型的低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管,實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求,滿足用戶在焊接施工過程中不預(yù)熱、不焊后熱處理的要求。

高強(qiáng)鋼;低焊接裂紋敏感性;經(jīng)濟(jì)型;設(shè)計(jì);焊接

1 引言

低合金高強(qiáng)度鋼由于具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性,因此在工程焊接結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)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(qiáng)度要求的同時(shí),提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。其中冷裂紋是焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)較普遍的一種裂紋,尤其是當(dāng)焊接低、中合金的高強(qiáng)度鋼時(shí),隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高,冷裂紋出現(xiàn)的傾向越來越明顯。在大型結(jié)構(gòu)件的焊接過程中,為防止冷裂紋產(chǎn)生,往往需要采取焊前預(yù)熱和焊后熱處理的措施,同時(shí)還需要控制過大的焊接線能量。

由于焊接冷裂紋對(duì)高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重危害,近年來國(guó)際上對(duì)高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋進(jìn)行了大量研究,同時(shí)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(yōu)良韌性及可焊性,保證了鋼材在焊接區(qū)域的薄弱地帶——熔合區(qū)及熱影響區(qū)具有優(yōu)良的抗裂能力,保證材料在焊前不預(yù)熱或低預(yù)熱的條件下不出現(xiàn)裂紋。

目前隨著我國(guó)海洋工程裝備、石化、高層建筑、橋梁等行業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)用無縫鋼管不預(yù)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(yīng)用于鋼板的生產(chǎn),并通過采用淬火+回火或采用熱機(jī)械軋制+回火工藝,保證產(chǎn)品性能滿足高強(qiáng)度及低焊接裂紋敏感性的要求。但對(duì)于低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)無縫鋼管的生產(chǎn)卻一直未得到很好的發(fā)展。

攀成鋼公司根據(jù)自身的工藝裝備情況,并結(jié)合用戶大型起重船和鋪管船等起重機(jī)臂架用低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管使用技術(shù)條件,通過對(duì)化學(xué)成分、軋制工藝及調(diào)質(zhì)工藝的研究,成功開發(fā)出具有較高強(qiáng)度、良好低溫沖擊韌性的經(jīng)濟(jì)型低焊接裂紋敏感性無縫鋼管,解決高強(qiáng)度無縫鋼管的焊接施工問題,從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

2 生產(chǎn)工藝線設(shè)計(jì)

鐵水脫硫→轉(zhuǎn)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(jù)不同規(guī)格的產(chǎn)品,選擇在340或508機(jī)組進(jìn)行軋坯。

淬火+回火:根據(jù)合同量和規(guī)格選擇在340特管或508機(jī)組+合金進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

3 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

結(jié)合鋼管的規(guī)格和使用條件,確定的成分控制范圍見表1。

4 力學(xué)性能要求(見表2)

5 關(guān)鍵技術(shù)的控制

5.1 冶煉工藝

冶煉采用真空精煉,鋼液在真空下進(jìn)行殘氧脫碳反應(yīng),以控制較低的碳含量;并進(jìn)行Ca處理以控制鋼中的硫含量及硫化物的形態(tài),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(wěn)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(shí)以良好的脫氧、精煉和合理的加B方法為基礎(chǔ),控制好B的收得率。

5.2 熱軋管坯工藝

在生產(chǎn)過程中,通過對(duì)環(huán)形爐加熱制度、穿孔和軋管工模具的配置及工模具的潤(rùn)滑等作了具體要求,保證了管坯的內(nèi)外表面質(zhì)量及尺寸公差精度,滿足鋼管對(duì)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(diǎn)溫度。通過采用熱膨脹儀進(jìn)行測(cè)定,該鋼種的Ac1、Ac3相變點(diǎn)分別為738℃、884℃(見圖1)。根據(jù)選擇淬火溫度的經(jīng)驗(yàn)(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(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(xué)成分(%)

表2 力學(xué)性能

圖1 WDB620鋼種的相變點(diǎn)

圖2 回火溫度與性能指標(biāo)的關(guān)系

6 WDB620產(chǎn)品性能檢驗(yàn)結(jié)果

按相關(guān)技術(shù)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)攀成鋼公司生產(chǎn)的低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管進(jìn)行了拉伸性能、沖擊韌性、金相組織及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)等技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)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(yǎng)+回火S(500×)

(3)產(chǎn)品氣體含量含量(見表4)

表4 鋼的氣體含量(%)

(4)鋼管的力學(xué)性能

鋼管經(jīng)調(diào)質(zhì)后的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、延伸率及-20℃低溫沖擊韌性指標(biāo)情況分別見圖4、圖5、圖6、圖7。

圖4 屈服強(qiáng)度

圖5 抗張強(qiáng)度

圖6 延伸率

圖7 -20度橫向沖擊功均值

(5)產(chǎn)品焊接評(píng)定檢驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)用戶對(duì)我公司生產(chǎn)的WDB620D低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管進(jìn)行焊接評(píng)價(jià)試驗(yàn),結(jié)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(yù)熱、焊后不熱處理,鋼管經(jīng)焊接后,其室溫拉伸檢驗(yàn)合格,側(cè)彎、面彎、背彎等彎曲試驗(yàn)合格,-20℃低溫沖擊合格。具體測(cè)試結(jié)果見表5、表6、表7、表8及表9所示。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表8 接頭硬度檢驗(yàn)結(jié)果

表9 接頭宏觀斷面酸蝕試驗(yàn)

經(jīng)檢驗(yàn),WDB620D無縫鋼管焊后拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)、宏觀斷面的檢驗(yàn)結(jié)果符合相應(yīng)技術(shù)要求。

7 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目采用“VD連鑄圓坯或鋼錠→340/508機(jī)組軋制→340特管調(diào)質(zhì)和508機(jī)組淬火+合金回火熱處理→探傷”工藝線生產(chǎn)出的低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度無縫鋼管,幾何尺寸、外觀質(zhì)量良好,力學(xué)性能穩(wěn)定,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議要求,完全能夠滿足用戶的使用要求。

(2)攀成鋼公司生產(chǎn)的低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)和優(yōu)良的-20℃低溫沖擊韌性,且屈強(qiáng)比為0.85～0.90,實(shí)現(xiàn)了較高強(qiáng)度和良好的塑性、韌性的配合。

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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(chǎn)品開發(fā)和軋鋼工藝研究等技術(shù)工作。