高频焊管质量的评价指标影响因素及改进措施

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高频焊管质量的评价指标影响因素及改进措施

高频焊管质量的评价指标影响因素及改进措施

来源:大口径非标厚壁焊接管发布:2020-05-13 20:57:27类别:不锈钢焊接

高频焊管质量的评价指标

在高频的焊管质量评价体系中,以油气管为代表的API产品质量检查标准是最完善的质量评价体系,管线质量评价均以该标准为依据。最新的API Spec 5L标准规定钢管的常规评价方法主要包括金相检验、无损检验、力学性能评价、水压试验等。表1-1给出了高频焊管常规检验项目及评价方法。

API Spec 5L标准,焊缝的主要评价依据无损检测的缺陷判断标准及力学性能的技术指标判定标准。以超声波为主的无损检测主要是检测焊接缺陷,如裂纹、冷焊、夹杂物等,评判标准以超声波反射波的高度等,特别是提高在线超声波探测技术,有效提高钢管的焊接质量。以拉伸、冲击为主力学性能主要评价性能指标是否达到技术标准的要求;以压扁、水压等试验确定焊缝缺陷对应承载变形能力。然而,对缺陷定量表征,一般建立在断口分析,但缺少相关技术规范和观察判断困难,在一般标准中只对冲击断口的剪切面积进行评判,但其并不能评价缺陷特征。然而,这些方法很难准确对焊缝缺陷进行定量的表征。

日本新日铁提出一种新的焊缝缺陷表征方法。该方法采用高温冲击的试验,即采用200~300℃温度进行冲击试验,然后对冲击断口的细小脆性断裂面进行定量分析,以脆性断裂面所占的冲击截面的面积比(缺陷面积的比率)为指标定量评价缺陷,该方法为高频焊管焊缝缺陷的定量研究提供了一种有效的手段。但在HFW焊管实际生产的评价很难实现,并未能形成相关标准。

虽然API Spec 5L高频焊管有相当完善的评价体系,但在钢管的实际应用过程中,仍然有一些破坏性事故的发生。在所发生的事故中,钢管的焊缝及钢管连接的环焊缝的破坏所占的比例可达85%以上。这些破坏事故往往还与疲劳、腐蚀等有关,而疲劳、腐蚀破坏则对焊缝中缺陷更加敏感。因此,管线钢管疲劳、腐蚀的性能也应是钢管的质量评价关键指标之一。

高频焊管质量的影响因素及改善措施

高频焊管的质量评价不仅包含焊缝熔合区,还包含了热影响区及母材。虽然焊接工艺是影响焊缝质量的最关键因素,但由于高频焊管生产工艺的复杂性,影响钢管质量的因素也相互作用,总体可分为以下几类:

原材料质量

作为钢管基础原料的带钢质量是保持钢管质量的基础,钢成分、夹杂物、带状组织及中心偏析对焊管质量有直接的影响。

(a)化学成分大量研究表明,降低CSP有利于提高管体及焊缝的性能。国内普遍认为S含量应控制在0.01%以下,但钢管制造大国的日本则认为S含量应控制在0.002%以下;P含量控制在0.02%以下,就可以满足一般的焊接要求。对抗腐蚀钢,还需Ca处理改善S化物形态。另外,对焊缝冲击影响较大是Mn/Si比,当Mn/Si比大于5时,有利于氧化物的排除,焊缝中氧化物缺陷明显降低。

(b)夹杂物及组织钢中的夹杂物对焊缝性能有显著的影响。如果夹杂物过量容易在焊缝及热影响区富集,从而在焊缝区产生脆性相,将造成疲劳强度、冲击韧性等关键指标大幅下降,甚至形成裂纹源引起开裂。

而带状组织对焊缝冲击韧性、压扁性能有很大的影响,同时对应力腐蚀等性能也会产生很大的影响。对铁素体/珠光体钢,当带状组织小于2级时,对压扁开裂倾向的影响不大;而当带状组织大于2.5级时,压扁开裂倾向显著增大。

对中心剪裁的带钢,中心偏析对焊缝低温冲击性能有显著的影响。原因是中心偏析带在成型焊接过程中,在焊缝中心形成连续的带状,引起夹杂物的富集,降低冲击性能。在实际生产中,可以通过挤压量控制流线夹角来降低其影响,但改善作用是有限的,最根本的方法还是降低中心偏析程度及避免采用中心剪裁钢带。

成型工艺

成型工艺的关键是保证管型及焊接处钢板接触表面角尽可能获得I形或小的V形。接触表面V形角度过大会使内外壁温度差过大,易于造成焊接缺陷;倒V形则因钢管外壁先接触,不利用熔渣的顺利排出,从而在焊缝更容易出现过多夹渣。

焊接工艺

焊接工艺是焊接速度、焊接热输入量、焊接区V”形开口角、挤压量等多因素综合作用的结果。

(1)焊接速度及焊接热输入量如前所述(1-4),增加焊接速度有利于焊接功率的控制。而且当焊接速度大于临界速度时,增加焊接热输入量至2¢焊接区,显著降低焊缝中氧化物缺陷比例。因此,在一定的范围内,应保持高的焊接速度和热输入量。

(2)V”形开口角随着管径的大小和厚度改变,开口角应适当调整,一般为36°。开口角小、电流增大,可提高焊速,但使焊接点到挤压辊的距离增加,焊接点不稳定,易出现提前打火,焊接质量差;开口角偏大,焊接质量好,但用电量较大。“V”形开口角大小的选择与材料强度、厚度及焊接挤压量有关。理想的“V”形开口角应使焊接点尽量靠近挤压辊,有利于氧化物的排出,改善焊缝冲击韧性。

(3)挤压量挤压辊的挤压力对焊缝质量也有显著的影响。但在实际生产中,挤压力是通过控制挤压量的方法实现。增加挤压量,焊接热输入功率范围增加,有利于氧化夹杂物排出,提高焊缝的冲击韧性。但过大的挤压量会导致焊接点偏离挤压辊中心,不利用氧化夹杂物排出,挤压量一般控制在0.40.6t(t为钢板厚度)为宜。挤压量的大小可以通过金属流线与熔合线的夹角测量。金属流线与熔合线夹角小,说明挤压量大,反之,则说明挤压量小。

焊后热处理

由于HFW熔合线及热影响区经历高温及挤压形成粗大流线型组织导致其性能的恶化,焊后热处理则能显著改善这些区域的组织和性能。一般高频焊管生产线均配有高频加热焊后热处理装置,热处理工艺通常采用正火工艺,影响焊缝及热影响区性能最关键的因素主要是正火加热温度及空冷后水冷温度。研究表明,正火温度采用A c3+50~100℃,可望获得细小的铁素体/珠光体组织,改善焊缝及热影响区的性能。另外,空冷后的入水冷却的温度对焊缝的韧性也有一定的影响,当温度低于400℃以下时,其韧脆转变温度最低。一般生产根据生产线的条件下,控制水冷温度低于400℃。

随现代高性能钢的发展,正火工艺对焊缝改善作用很难实现高频焊管焊缝和母材性能的一致性,现代高频焊管生产线配有可实现调质工艺的焊后热处理装备,为高质量钢管的生产提供了更加可靠的技术装备保障。由于配有加热后直接水冷控制模式,也使热处理工艺更加灵活,通过合理的工艺控制,能够获得焊缝与母材相一致的无焊缝化高质量高频焊管

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