15CrMoG高壓無縫管工藝評定

試件焊后按JB4730-94《壓力容器無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)進行100%的超聲波探傷檢驗，焊縫Ⅰ級合格。按JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定試驗。評定結(jié)果見表5。

表5 焊接工藝評定試驗結(jié)果

試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 沖擊韌性試驗aky(J/cm2)

抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(qū)(HAZ)

方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6

方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7

從拉伸試驗結(jié)果可知，兩種方案的拉伸試樣全部斷在母材，說明焊縫的抗拉強度高于母材;彎曲試驗全部合格，說明焊縫的塑性較好。根據(jù)表5中的沖擊韌性試驗結(jié)果可知，方案Ⅰ的沖擊韌性明顯高于方案Ⅱ，證明方案Ⅰ的焊后熱處理規(guī)范比較理想，高溫回火不僅達(dá)到了改善接頭組織和性能目的，而且使韌性與強度配合適當(dāng)。從室溫機械性能結(jié)果可知，所推薦的兩種焊接工藝方案均可用于現(xiàn)場施工。方案Ⅰ采用了與母材成分接近的焊條，焊縫性能同母材匹配，焊縫應(yīng)具有較高的熱強性，焊縫在高溫下長期使用不易破壞。難點是焊后熱處理規(guī)范較為嚴(yán)格，回火溫度和保溫時間及加熱和冷卻速度控制不當(dāng)反而會引起焊縫性能下降。方案Ⅱ采用了奧氏體不銹鋼焊條施焊，雖然可以省去焊后熱處理，但由于焊縫與母材膨脹系數(shù)不同，長期高溫工作時可發(fā)生碳的擴散遷移現(xiàn)象，容易導(dǎo)致焊縫在熔合區(qū)發(fā)生破壞。因此，從使用可靠性考慮，現(xiàn)場采用方案Ⅰ施焊更為穩(wěn)妥。

針對15CrMo鋼的焊接性及現(xiàn)場高壓管道的工作特點，根據(jù)以往的經(jīng)驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。

方案Ⅰ:焊接預(yù)熱，采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊后進行局部熱處理。

方案Ⅱ:采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊后不進行熱處理。焊絲和焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

表1 焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

型號 C Mn Si Cr Ni Mo S P δb/Mpa δ,%

ER80S-B2L≤0.05 0.70.41.2 <0.20.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤500 25

E8018-B2 0.070.7 0.3 1.1 0.5 ≤0.04 ≤0.03 550 19

E309Mo-16≤0.12 0.5~2.5 0.9 22.0~25.0 12.0~14.0 2.0~3.0≤0.025≤0.035 550 25

試件采用15CrMo鋼管,規(guī)格為φ325×25，坡口型式及尺寸見圖1。

焊前用角向磨光機將坡口內(nèi)外及坡口邊緣50mm范圍內(nèi)打磨至露出金屬光澤，然后用丙酮清洗干凈。

試件為水平固定位置，對口間隙為4mm，采用手工鎢極氬弧焊沿園周均勻點焊六處，每處點固長度應(yīng)不小于20mm。焊條按表2的規(guī)范進行烘烤。

表2 焊條烘烤規(guī)范

焊條型號 烘烤溫度 保溫時間

E8018-B2 300 ℃ 2h

E309Mo-16 150 ℃ 1.5h

按方案Ⅰ焊前需進行預(yù)熱，根據(jù)Tto-Bessyo等人提出的計算預(yù)熱溫度公式:

To=350√[C]-0.25(℃) 式中，To--預(yù)熱溫度，℃。

[C]=[C]x [C]p [C]p=0.005S[C]x

[C]x=C (Mn Cr)/9 Ni/18 7Mo/90 式中，

[C]x--成分碳當(dāng)量;

[C]p--尺寸碳當(dāng)量; S--試件厚度(本文中S=25mm);

[C]x=C (Mn Cr)/9 7/90Mo=0.361

[C]p=0.045 則To=138℃

因此預(yù)熱溫度選為150℃。采用氧-乙炔焰對試件進行加溫，先用測溫筆粗略判斷試件表面的的溫度(以筆跡顏色變化快慢進行估計)，最后用半導(dǎo)體點溫計測定，測量點至少應(yīng)選擇三點，以保證試件整體均達(dá)到所要求的預(yù)熱溫度。

焊接時，第一層采用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產(chǎn)生凹陷，送絲時采用內(nèi)填絲法，即焊絲通過對口間隙從管內(nèi)送入。其余各層采用焊條電弧焊，共焊6層，每個焊層一條焊道。方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工藝參數(shù)見表3、4。按方案Ⅰ焊

表3 方案Ⅰ的焊接工藝參數(shù)

焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規(guī)格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預(yù)熱及層間溫度 熱處理規(guī)范

打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12

填充層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85~90 23~25150℃ 715?！?5min

蓋面層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85~90 23~25

表4 方案Ⅱ的焊接工藝參數(shù)

焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規(guī)格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預(yù)熱及層間溫度 熱處理規(guī)范

打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12

填充層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90~95 22~24 / /

蓋面層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90~95 22~24

接時，層間溫度應(yīng)不低于150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時應(yīng)由二名焊工交替操作，焊后應(yīng)立即采取保溫緩冷措施。

采用方案Ⅰ焊接的試件，焊后應(yīng)進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為:升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。具體采用JL-4型履帶式電加熱器(1146×310)包繞焊縫，用硅酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制采用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。

焊接材料

針對15CrMo鋼的焊接性的工作特點，根據(jù)以往的經(jīng)驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。

方案Ⅰ:焊接預(yù)熱，采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊后進行局部熱處理。

方案Ⅱ:采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊后不進行熱處理。焊絲和焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。

焊后熱處理

采用方案Ⅰ焊接的試件，焊后應(yīng)進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為:升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃后空冷。具體采用JL-4型履帶式電加熱器(1146×310)包繞焊縫，用硅酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制采用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。

焊接工藝評定試驗結(jié)果

試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 沖擊韌性試驗aky(J/cm2)

抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(qū)(HAZ)

方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6

方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7

15crmoG管消費量占鋼材總量的比重僅為發(fā)達(dá)國家的一半，15crmoG管使用領(lǐng)域擴大為行業(yè)發(fā)展提供更廣闊的空間。根據(jù)中國特鋼協(xié)會15crmoG管分會的研究，未來我國15crmoG管長材的需求年均增長可達(dá)10-12%。

1. 無縫鋼管

因其制造工藝不同，又分為熱軋(擠壓)無縫鋼管和冷拔(軋)無縫鋼管兩種。冷拔(軋)管又分為圓形管和異形管兩種。

a. 工藝流程概述

熱軋(擠壓無縫鋼管):圓管坯→加熱→穿孔→三輥斜軋、連軋或擠壓→脫管→定徑(或減徑)→冷卻→坯管→矯直→水壓試驗(或探傷)→標(biāo)記→入庫。

冷拔(軋)無縫鋼管:圓圓管坯→加熱→穿孔→打頭→退火→酸洗→涂油(鍍銅)→多道次冷拔(冷軋)→坯管→熱處理→矯直→水壓試驗(探傷)→標(biāo)記→入庫。

b.無縫鋼管，因其用途不同而分為如下若干品種:

GB/T8162-2008(結(jié)構(gòu)用無縫鋼管)。主要用于一般結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)。其代表材質(zhì)(牌號):碳素鋼20、45號鋼;合金鋼Q345、20Cr、40Cr、20CrMo、30-35CrMo、42CrMo等。

GB/T8163-2008(輸送流體用無縫鋼管)。主要用于工程及大型設(shè)備上輸送流體管道。代表材質(zhì)(牌號)為20、Q345等。

GB3087-2008(低中壓鍋爐用無縫鋼管)。主要用于工業(yè)鍋爐及生活鍋爐輸送低中壓流體的管道。代表材質(zhì)為10、20號鋼。

GB5310-2008(高壓鍋爐用無縫鋼管)。主要用于電站及核電站鍋爐上耐高溫、高壓的輸送流體集箱及管道。代表材質(zhì)為20G、15CrMoG、15CrMoG等。

GB5312-1999(船舶用碳鋼和碳錳鋼無縫鋼管)。主要用于船舶鍋爐及過熱器用I、II級耐壓管等。代表材質(zhì)為360、410、460鋼級等。

GB6479-2000(高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管)。主要用于化肥設(shè)備上輸送高溫高壓流體管道。代表材質(zhì)為20、16Mn、12CrMo、12Cr2Mo等。

GB9948-2006(石油裂化用無縫鋼管)。主要用于石油冶煉廠的鍋爐、熱交換器及其輸送流體管道。其代表材質(zhì)為20、12CrMo、1Cr5Mo、1Cr19Ni11Nb等。

GB18248-2000(氣瓶用無縫鋼管)。主要用于制作各種燃?xì)狻⒁簤簹馄俊Ｆ浯聿馁|(zhì)為37Mn、34Mn2V、35CrMo等。

GB/T17396-1998(液壓支柱用熱軋無縫鋼管)。主要用于制作煤礦液壓支架和缸、柱，以及其它液壓缸、柱。其代表材質(zhì)為20、45、27SiMn等。

GB3093-1986(柴油機用高壓無縫鋼管)。主要用于柴油機噴射系統(tǒng)高壓油管。其鋼管一般為冷拔管，其代表材質(zhì)為20A。

GB/T3639-1983(冷拔或冷軋精密無縫鋼管)。主要用于機械結(jié)構(gòu)、碳壓設(shè)備用的、要求尺寸精度高、表面光潔度好的鋼管。其代表材質(zhì)20、45鋼等。

GB/T3094-1986(冷拔無縫鋼管異形鋼管)。主要用于制作各種結(jié)構(gòu)件和零件，其材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。

GB/T8713-1988(液壓和氣動筒用精密內(nèi)徑無縫鋼管)。主要用于制作液壓和氣動缸筒用的具有精密內(nèi)徑尺寸的冷拔或冷軋無縫鋼管。其代表材質(zhì)為20、45鋼等。

GB13296-1991(鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管)。主要用于化工企業(yè)的鍋爐、過熱器、熱交換器、冷凝器、催化管等。用的耐高溫、高壓、耐腐蝕的鋼管。其代表材質(zhì)為0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

GB/T14975-1994(結(jié)構(gòu)用不銹鋼無縫鋼管)。主要用于一般結(jié)構(gòu)(賓館、飯店裝飾)和化工企業(yè)機械結(jié)構(gòu)用的耐大氣、酸腐蝕并具有一定強度的鋼管。其代表材質(zhì)為0-3Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

GB/T14976-1994(流體輸送用不銹鋼無縫鋼管)。主要用于輸送腐蝕性介質(zhì)的管道。代表材質(zhì)為0Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

YB/T5035-1993(汽車半軸套管用無縫鋼管)。主要用于制作汽車半軸套管及驅(qū)動橋橋殼軸管用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋無縫鋼管。其代表材質(zhì)為45、45Mn2、40Cr、20CrNi3A等。

API SPEC5CT-1999(套管和油管規(guī)范)，是美國石油學(xué)會(American Petreleum Instiute, 簡稱"API")編制并發(fā)布的在世界各地通用。其中: 套管:由地表面伸進鉆井內(nèi)，作為井壁襯的管子，其管子之間通過接箍連接。主要材質(zhì)為J55、N80、P110等鋼級，以及抗硫化氫腐蝕的C90、T95等鋼級。其低鋼級(J55、N80)可為焊接鋼管。油管:由地表面插入套管內(nèi)直至油層的管子，其管子之間通過接箍或整體連接。其作用于是抽油機將油層石油經(jīng)油管輸送到地面。主要材質(zhì)為J55、N80、P110、以及抗硫化氫腐蝕的C90、 美國石油學(xué)會編制并發(fā)布的，在世界各地通用。

15crmoG管重量公式:[(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米(每米的重量)

15CrMoG鋼系珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性(δb≥440MPa)和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。由于鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。

15CrMoG焊接性

焊接材料

針對15CrMo鋼的焊接性的工作特點，根據(jù)以往的經(jīng)驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。

方案Ⅰ:焊接預(yù)熱，采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊后進行局部熱處理。

方案Ⅱ:采用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊后不進行熱處理。焊絲和焊條的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。