张友鹏,林发驹,吴 红,陈晓娟,邹 盈

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管的研制

张友鹏,林发驹,吴 红,陈晓娟,邹 盈

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

随着我国海洋工程装备、石化、高层建筑、桥梁等行业的不断发展,高强钢结构用无缝钢管不预热、不焊后热处理焊接的需求逐渐增加,攀钢集团成都钢钒有限公司根据市场需求,通过成分设计及冶炼、轧制、热处理工艺成套技术的研究,开发出经济型的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管,实现批量生产的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管性能满足设计和使用要求,满足用户在焊接施工过程中不预热、不焊后热处理的要求。

高强钢;低焊接裂纹敏感性;经济型;设计;焊接

1 引言

低合金高强度钢由于具有较高的强度和良好的塑性和韧性,因此在工程焊接结构中得到了广泛的应用。在实际应用中,低合金调质高强度钢在焊接中所面临的问题:一是防止裂纹;二是在保证满足高强度要求的同时,提高焊缝金属及焊接热影响区的冲击韧性。其中冷裂纹是焊接生产中出现较普遍的一种裂纹,尤其是当焊接低、中合金的高强度钢时,随着强度级别的提高,冷裂纹出现的倾向越来越明显。在大型结构件的焊接过程中,为防止冷裂纹产生,往往需要采取焊前预热和焊后热处理的措施,同时还需要控制过大的焊接线能量。

由于焊接冷裂纹对高强度钢焊接结构的严重危害,近年来国际上对高强度钢焊接冷裂纹进行了大量研究,同时提出了低焊接裂纹敏感性的概念。低焊接裂纹敏感性钢由于其合金元素含量较少、碳含量很低(≤0.12%),一般要求Pcm≤0.21%,加之钢的纯净度大大提高,从而在根本上保证了钢材的优良韧性及可焊性,保证了钢材在焊接区域的薄弱地带——熔合区及热影响区具有优良的抗裂能力,保证材料在焊前不预热或低预热的条件下不出现裂纹。

目前随着我国海洋工程装备、石化、高层建筑、桥梁等行业的不断发展,对高强钢结构用无缝钢管不预热、不焊后热处理焊接的需求也逐渐增加,低焊接裂纹敏感性钢已大量应用于钢板的生产,并通过采用淬火+回火或采用热机械轧制+回火工艺,保证产品性能满足高强度及低焊接裂纹敏感性的要求。但对于低焊接裂纹敏感性高强无缝钢管的生产却一直未得到很好的发展。

攀成钢公司根据自身的工艺装备情况,并结合用户大型起重船和铺管船等起重机臂架用低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管使用技术条件,通过对化学成分、轧制工艺及调质工艺的研究,成功开发出具有较高强度、良好低温冲击韧性的经济型低焊接裂纹敏感性无缝钢管,解决高强度无缝钢管的焊接施工问题,从而提高了钢结构的安全可靠性。

2 生产工艺线设计

铁水脱硫→转炉或电炉→LF钢包精炼炉→VD真空精炼→钢锭或连铸坯→管坯轧制→淬火+回火→矫直→超探→检查→包装

管坯轧制:可根据不同规格的产品,选择在340或508机组进行轧坯。

淬火+回火:根据合同量和规格选择在340特管或508机组+合金进行调质处理。

3 化学成分设计

结合钢管的规格和使用条件,确定的成分控制范围见表1。

4 力学性能要求(见表2)

5 关键技术的控制

5.1 冶炼工艺

冶炼采用真空精炼,钢液在真空下进行残氧脱碳反应,以控制较低的碳含量;并进行Ca处理以控制钢中的硫含量及硫化物的形态,保证钢的纯净度;B是极活泼的元素,在钢中易与O、N化合形成稳定的夹杂物而丧失其有益的作用,只有固溶在钢中的有效B才能起到明显的提高淬透性的作用。在冶炼时以良好的脱氧、精炼和合理的加B方法为基础,控制好B的收得率。

5.2 热轧管坯工艺

在生产过程中,通过对环形炉加热制度、穿孔和轧管工模具的配置及工模具的润滑等作了具体要求,保证了管坯的内外表面质量及尺寸公差精度,满足钢管对焊的使用要求。

5.3 热处理工艺

为了制定淬火工艺,首先要掌握该钢种的Ac1、Ac3相变点温度。通过采用热膨胀仪进行测定,该钢种的Ac1、Ac3相变点分别为738℃、884℃(见图1)。根据选择淬火温度的经验(Ac3+30℃～50℃),并综合考虑钢管壁厚及淬透性情况,最终选择淬火出炉管温为940℃～960℃,回火工艺经在实验室进行一系列的温度摸索(见图2),确定最佳回火温度为640℃～660℃。

表1 化学成分(%)

表2 力学性能

图1 WDB620钢种的相变点

图2 回火温度与性能指标的关系

6 WDB620产品性能检验结果

按相关技术协议和标准规定,对攀成钢公司生产的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管进行了拉伸性能、冲击韧性、金相组织及非金属夹杂物评级等技术指标的检验,其检验结果如下。

(1)钢管高倍情况(见表3)

表3 钢管高倍情况

(2)金相组织(见图3)

图3 回火B+回火S(500×)

(3)产品气体含量含量(见表4)

表4 钢的气体含量(%)

(4)钢管的力学性能

钢管经调质后的屈服强度、抗张强度、延伸率及-20℃低温冲击韧性指标情况分别见图4、图5、图6、图7。

图4 屈服强度

图5 抗张强度

图6 延伸率

图7 -20度横向冲击功均值

(5)产品焊接评定检验结果

经用户对我公司生产的WDB620D低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管进行焊接评价试验,结果表明该钢管完全满足低焊接裂纹敏感性的要求,即焊前不预热、焊后不热处理,钢管经焊接后,其室温拉伸检验合格,侧弯、面弯、背弯等弯曲试验合格,-20℃低温冲击合格。具体测试结果见表5、表6、表7、表8及表9所示。

表5 拉伸试验结果

表6 接头弯曲试验结果

表7 低温冲击试验结果

表8 接头硬度检验结果

表9 接头宏观断面酸蚀试验

经检验,WDB620D无缝钢管焊后拉伸试验、弯曲试验、低温冲击试验、宏观断面的检验结果符合相应技术要求。

7 结论

(1)本项目采用“VD连铸圆坯或钢锭→340/508机组轧制→340特管调质和508机组淬火+合金回火热处理→探伤”工艺线生产出的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管,几何尺寸、外观质量良好,力学性能稳定,各项性能指标均满足标准及协议要求,完全能够满足用户的使用要求。

(2)攀成钢公司生产的低焊接裂纹敏感性高强度无缝钢管通过后序的热处理工艺的保障,使钢管在Pcm≤0.21%的情况下仍具有较高的强度指标和优良的-20℃低温冲击韧性,且屈强比为0.85～0.90,实现了较高强度和良好的塑性、韧性的配合。

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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

张友鹏,工程师,主要从事无缝钢管新产品开发和轧钢工艺研究等技术工作。