周曉鋒，王亞男，邊洪振，邊令喜，周國帥

（1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350；2.天津鋼管制造有限公司，天津300301）

履帶式起重機(jī)是一種高層建筑施工用的重型自行式起重機(jī)，是工程機(jī)械中技術(shù)含量高、制造工藝復(fù)雜、具有獨(dú)特性能的起重作業(yè)機(jī)械產(chǎn)品。履帶式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于橋梁、發(fā)電設(shè)備、煉油設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及海上工作平臺等項(xiàng)目的施工。作為履帶式起重機(jī)一個重要部件的組合臂架，是承載和輸送的關(guān)鍵部位，臂架一般是由長11 m左右的無縫鋼管作為主弦管與腹管焊接組合而成。履帶式起重機(jī)高強(qiáng)度臂架用管在2008年以前是全部采購的國外產(chǎn)品，價格昂貴，自2009年起實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化［1-5］。對制造起重能力在上千噸的大型履帶式起重機(jī)，需要采用新技術(shù)、新材料、新工藝來降低臂架自重，減小臂架自重下?lián)希岣呓Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以提高起重重量，故要求臂架主弦管所使用的無縫鋼管不僅外徑更大、壁厚更厚、強(qiáng)度更高、韌性更好，而且還要具有良好的焊接性能［4，6-7］。隨著起重能力的提升，起重機(jī)臂架用管屈服強(qiáng)度不斷發(fā)展。針對起重機(jī)臂架用管的發(fā)展趨勢，國內(nèi)某公司進(jìn)行了960 MPa超高強(qiáng)度起重機(jī)臂架用無縫鋼管的開發(fā)。現(xiàn)主要介紹該產(chǎn)品的研發(fā)情況。

1 技術(shù)要求

2014年起草的GB/T 30584—2014《起重機(jī)臂架用無縫鋼管》［8］中規(guī)定起重機(jī)臂架用管的最高鋼級是890，故目前開發(fā)960鋼級起重機(jī)臂架用無縫鋼管產(chǎn)品缺少標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。為此與用戶簽訂960鋼級起重機(jī)臂架用管的供貨技術(shù)協(xié)議，牌號定名TP960E，在化學(xué)成分、尺寸公差、性能和表面質(zhì)量等方面列出了詳細(xì)要求。

1.1 化學(xué)成分

履帶式起重機(jī)臂架用管要求具備高的強(qiáng)度、塑性、韌性，并具有良好的焊接性能。為了改善鋼的焊接性能，提高沖擊韌性和耐低溫性能，一般要求較低的C含量。為了補(bǔ)償降低C含量對鋼強(qiáng)度的影響，加入一定量的合金元素。加入的Mo、Cr元素在鋼中起固溶強(qiáng)化作用，同時提高鋼的淬透性；加入的V或Nb或Ti或者三者的組合在鋼中形成穩(wěn)定的碳氮化物，起到彌散強(qiáng)化的作用，同時可以細(xì)化晶粒；加入W元素，對鋼的焊接性能幾乎沒有影響，主要利用其在鋼中的固溶強(qiáng)化作用；加入Ni元素以提高低溫韌性；加入Si、Mn元素以起到固溶強(qiáng)化作用；同時盡可能降低S、P等有害元素和氣體含量。TP960E的化學(xué)成分設(shè)計(jì)要求見表1。

表1 TP960E鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

1.2 尺寸公差

參考GB/T 30584—2014和用戶使用要求，規(guī)定了鋼管的外徑公差為±0.75%D，鋼管壁厚公差為-10%S～+10%S，鋼管的不圓度和壁厚不均度分別不超過鋼管外徑公差和壁厚公差的70%，鋼管的每米彎曲度不大于1.5 mm，全長彎曲度不大于鋼管長度的0.10%。

1.3 力學(xué)性能

參考BS EN 10025-6∶2004《結(jié)構(gòu)鋼熱軋產(chǎn)品第6部分：調(diào)質(zhì)高屈服強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼扁平材交貨技術(shù)條件》［9］和GB/T 30584—2014制定了TP960E調(diào)質(zhì)交貨鋼管的縱向力學(xué)性能要求，具體見表2。

表2 TP960E鋼管的縱向力學(xué)性能要求

1.4 表面質(zhì)量

鋼管的內(nèi)外表面應(yīng)在充分照明條件下進(jìn)行目視檢查。鋼管的內(nèi)外表面不允許有目視可見的裂紋、折疊、結(jié)疤、軋折和離層，不允許有超過公稱壁厚負(fù)偏差的淺表裂紋。如存在缺欠，這些缺欠應(yīng)完全清除，清除深度應(yīng)不超過公稱壁厚的負(fù)偏差，清理處的實(shí)際壁厚應(yīng)不小于壁厚偏差所允許的最小值。鋼管外表面的氧化鐵皮應(yīng)清除，但不妨礙檢查的氧化薄層允許存在。

2 生產(chǎn)情況

2.1 煉 鋼

對起重機(jī)臂架用管中添加的合金元素進(jìn)行配比優(yōu)化，采用低C，添加Cr、Mo、V、Nb、Ni、W合金元素，嚴(yán)格控制P、S和五害元素的含量。煉鋼原料采用鐵水+優(yōu)質(zhì)廢鋼，電弧爐冶煉全程采用泡沫渣操作，在電弧爐出鋼合金化隨鋼流將脫硫劑加入鋼包，同時加入鋁粒、石灰，控制電弧爐鋼水出鋼溫度；精煉采用氬氣攪拌法，采用鋁粉+碳粉對爐渣進(jìn)行脫氧，得到脫氧效果良好、流動性較好的高堿度白渣，從而保證爐渣良好的深度脫硫效果；VD真空精煉爐真空處理去氣、去夾雜；連鑄吹氬保護(hù)，堿性覆蓋劑吸附夾雜物，采取合理的過熱度與拉坯速度配比，以及合適的一次冷卻和二次冷卻等工藝制度，確保生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的臂架用管圓坯［10］。為確保良好的焊接性能，要控制最終熔煉成分的碳當(dāng)量≤0.70%，經(jīng)計(jì)算實(shí)際碳當(dāng)量為0.68%。

2.2 軋 管

鋼管在Φ250 mm MPM二輥限動芯棒連軋管機(jī)組進(jìn)行軋制，優(yōu)化了管坯加熱制度，降低穿孔時的軋輥轉(zhuǎn)速，確保穿孔毛管壁厚均勻，合理確定連軋機(jī)架間的變形量分配，保證壁厚不均度良好，采用高精度定（減）徑機(jī)架，保證外徑滿足用戶要求。同時考慮到用戶要求去除成品管氧化鐵皮，為保證成品管的尺寸公差，采用連軋轉(zhuǎn)移控制方式（為保證成品鋼管外表面質(zhì)量采用整管修磨的方式，軋管后預(yù)留了修磨余量），軋管內(nèi)控轉(zhuǎn)移外徑在用戶交付基礎(chǔ)上增加0.8 mm，軋管內(nèi)控轉(zhuǎn)移壁厚在用戶交付基礎(chǔ)上增加0.4 mm。

2.3 熱處理

在實(shí)驗(yàn)室測定了該鋼種相變點(diǎn)：Ac3為886℃，Ac1為747℃。根據(jù)鋼管規(guī)格，采用浸入式淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝［11］。浸入內(nèi)噴式淬火相比于內(nèi)噴外淋式淬火具有更快的冷卻速度，保證鋼管在生產(chǎn)過程中能充分淬透；高溫回火確保鋼管的韌性，綜合提升熱處理后鋼管強(qiáng)度和韌性的匹配。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，最終生產(chǎn)的熱處理工藝為：940℃水淬，650℃回火空冷，得到熱處理后鋼管力學(xué)性能見表3。

表3 現(xiàn)場生產(chǎn)的TP960E鋼管的力學(xué)性能

觀察了熱處理后鋼管內(nèi)中外壁金相組織（圖1），為均勻的回火索氏體，內(nèi)中外組織差別小，組織均勻且細(xì)小，晶粒度達(dá)到了9級。

圖1 TP960E成品管的金相組織

2.4 加 工

為達(dá)到用戶鋼管外表面無氧化鐵皮的要求，對熱處理后的鋼管采用了整管修磨+拋光的加工工藝，TP960E成品鋼管的外表面如圖2所示。

圖2 TP960E成品鋼管的外表面

3 焊接評價

焊接工藝是起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)最重要的成型工藝，合理的焊接工藝是焊接接頭基本使用性能的重要保證；焊接工藝評定是生產(chǎn)單位為驗(yàn)證所擬定焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程及結(jié)果評價，是制定合理焊接工藝的基礎(chǔ)［12］。起重機(jī)械生產(chǎn)單位需根據(jù)合格的焊接工藝評定報告來制定合理的焊接工藝規(guī)程和焊接作業(yè)指導(dǎo)書，選擇最優(yōu)焊接工藝參數(shù)確保焊接接頭的力學(xué)性能、彎曲性能和沖擊性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。為此用戶對所開發(fā)的TP960E鋼管進(jìn)行了焊接評價試驗(yàn)，管材規(guī)格為Φ244.5 mm×25 mm，管對接焊試驗(yàn)采用80°V型坡口熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）手工平焊方法，焊接工藝參數(shù)及道間溫度控制如下。

施焊環(huán)境：溫度13℃，濕度48%，風(fēng)速≤2 m/s。焊接材料：焊材規(guī)格Φ1.2 mm，使用保護(hù)氣80%Ar+20%CO2。焊接設(shè)備及電特性：松下焊機(jī)350GR3打底，熊谷焊機(jī)填充/蓋面，極性DC+。預(yù)熱溫度100～120℃，采用火焰預(yù)熱方法，道間溫度150℃。

焊接采取的技術(shù)措施有：焊前清理管材表面坡口兩側(cè)25 mm范圍至呈現(xiàn)金屬光澤，層間清理，無焊材擺動方式，單絲填充，焊后消應(yīng)力熱處理溫度200℃，保溫時間1 h。

焊接完畢48 h后對焊接接頭進(jìn)行X射線探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，按照標(biāo)準(zhǔn)要求對焊后鋼管進(jìn)行了拉伸、沖擊和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見表4，全部符合用戶要求。

表4 TP960E鋼管焊接評價試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）采用低C，添加Cr、Mo、V、Nb、Ni、W合金元素的成分設(shè)計(jì)，控制碳當(dāng)量≤0.70%，不僅能夠滿足性能要求，而且確保了可焊性。

（2）采用連軋轉(zhuǎn)移外徑和壁厚控制方式，確保了熱處理鋼管修磨后滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）采用浸入內(nèi)噴式淬火方式，確保鋼管充分淬透，高溫回火確保鋼管的韌性，綜合提升熱處理后鋼管強(qiáng)度和韌性的匹配，組織均勻且細(xì)小。

（4）對熱處理后的鋼管外表面進(jìn)行整體修磨和拋光，外表面質(zhì)量更優(yōu)異。

（5）TP960E鋼管通過了用戶的焊接評價試驗(yàn)，能夠滿足用戶使用要求。