N80钢级HFW套管的研发

N80钢级HFW套管的研发史宏德田青超丁维军2011年11月更好的钢铁更好的环境更好的生活概要1.前言2.试验方法3.试验结果与讨论4.结论前言1.前言一般认为，高强度焊接套管易于发生沟槽腐蚀。沟槽腐蚀是ERW焊管焊接区产生的一种腐蚀现象，通常在焊缝附近形成沟槽状的选择性腐蚀，导致焊管过早穿孔失效。N80钢级套管是一种高强度钢管，根据API标准规定，其屈服强度须在552-758MPa之间，抗拉强度须大于689MPa,厂家可以选择N80-1和N80-Q两种牌号的一种供货。N80-1焊管以在线焊缝正火热处理状态下交付,因此，热轧钢带须达到产品的强度等级。N80-1生产成本低，但是，焊缝热处理无法消除因板带成型而引入的宏观残余应力。前言•这方面的研究结果表明，焊缝处的残余应力可接近钢管的屈服强度[7]，在这一应力的作用下，较易导致沟槽腐蚀的发生。•N80-Q焊管则在焊接后整管调质的状态下交付，根据这个特点，N80-Q热轧钢带不必达到产品的强度等级，通过调整热处理温度来达到N80-Q的性能要求。在焊后整管热处理时，由于焊缝和管体同时经历了相变，整管热处理能有效的减轻焊缝与管体组织上的差异，消除残余应力，从而提高套管的抗沟槽腐蚀性能。•整管调质也具有明显的缺点，其一，在设备上要求生产厂家具有整管热处理的配套设备,如果生产厂家没有相关装备，则不能生产；其二，由于经过整管热处理，套管的成本明显提高，降低了焊接套管的市场竞争优势。•本文使用同一钢种研究了N80-1和N80-Q的显微组织、残余应力以及沟槽腐蚀敏感性。试验方法2.试验方法2.1试验材料研究采用现场生产的φ244.48x11.05规格N80-1HFW套管，其化学成分如下所示。CSiMnPS0.330.401.450.0150.003试验方法采用适当的热处理工艺，将N80-1HFW套管整管调质热处理，生产成同一钢级的N80-Q套管，热处理前后套管力学性能如下:R0.5/MPaRm/MPaAkv/JN80-1（调质前）6877567868376680N80-Q（调质后）730820155750810138试验方法2.2残余应力测试方法用于测试残余应力的HFW焊管分别为未热处理N80-1成品管和N80-Q调质热处理成品管。采用轴向切缝法测试，此法虽不能真实反映残余应力的分布状态，但可以认为近似代表应力分布的中值水平。E为弹性模量（取E＝205950MPa）t为平均壁厚D0为套管切开前外径D1为套管切开后外径μ为泊松比（取0.29）测量焊管外径壁厚，然后平行于轴向方向开缝，测量外径，代入公式计算管体残余应力。所有测量的试样管长度为400mm。()10210DD1DDEt=（）试验方法2.3沟槽腐蚀系数测试方法由于N80-1焊管存在的宏观残余应力在加工成沟槽腐蚀试样后得到释放，不能反映实际服役情况下的沟槽腐蚀性能，因此，实验样品为N80-QHFW焊管，加工成标准平面拉伸试样，使用专门设计的装置[8]，通过施加不同的拉应力后来评估N80-1的沟槽腐蚀性能。试样工作电极有效面积1cm2，均采用稀硝酸确定焊缝位置后，进行逐级打磨，并清洗、除油。腐蚀介质为3.5%的NaCl溶液。沟槽腐蚀实验，采用恒电流电化学极化方法，采用三电极体系，辅助电极为Pt，参比电极为SCE。微机控制电子万能试验机对焊管试样施加拉应力。对处于恒定拉应力下的样品施加12mA恒电流极化24h，由于母材和焊缝的电化学活性差异，会造成母材和焊缝的腐蚀深度不同。试验方法沟槽腐蚀系数的定义为：其中d1为母材的腐蚀深度，d2为沟槽的深度。一般认为当α1.33时,HFW焊管具有高的沟槽腐蚀敏感性。21(1)dd=试验方法2.4焊缝显微分析沿HFW套管直径方向截取包含焊缝中心的尺寸为15mm×10mm的管壁纵截面试样，进行机械研磨抛光后，用硝酸酒精腐蚀，标定出焊缝中心位置。首先在S-4200场发射扫描电镜下观察调质前后N80焊缝试样的组织。使用JEM透射电镜观察焊缝处组织形貌。试验结果与讨论3试验结果与讨论3.1焊接的热机械过程HFW是一种通过高频电流的集肤效应（SkinEffect）和临近效应（ProximityEffect），利用高频电流或感生高频电流的电阻热将管坯对接边缘加热熔化、并施以挤压而焊合的焊接方法，这是一个热机械焊合的过程，示意图见图1所示。图1HFW焊接示意图试验结果与讨论N80-1、N80-Q焊缝及管体组织见图2所示。N80-1组织为铁素体、珠光体及少量贝氏体。N80-Q组织主要是回火索氏体。可以看到调质处理前(N80-1)焊缝中心有一明显沿径向的金属流线，而调质处理后(N80-Q)金属流线宽度变窄，且模糊不清。在高频感应下，焊缝中心被瞬间加热到熔融状态，在两侧管壁的挤压作用下,焊缝中心形成一沿焊管径向的金属流线。这是一种特殊形状的结晶组织，也是焊接挤压力大小与方向、线能量与焊接速度高低的综合体现。(a)调质处理前N80-1(b)调质处理后N80-Q图2调质处理前后N80油套管焊缝区域的金相组织试验结果与讨论(a）(b)图3.N80-1母材区(a)和焊缝区(b)的TEM图像TEM观测N80-1焊缝附近发现，母材区珠光体的片层结构完整清晰，见图3，而焊缝区的珠光体片短小、且杂乱无章。这是由于珠光体片层的渗碳体脆性大，在焊接挤压过程中断裂造成，后续的焊缝感应正火由于时间短，奥氏体化不能充分进行，从而碎裂的珠光体片层得以保留下来。可以想象，这种微观组织必然对应较高的残余应力。试验结果与讨论图4N80-1、N80-Q残余应力分布图0601201800100200300225MPaResidualStress/MPapositiontoweldline/oBeforeQ&TN80-1AfterQ&TN80-Q3.2残余应力分析HFW焊管使用热轧板经排辊成型使其强制闭合并同时进行焊接，这必然使焊管内产生复杂的弹塑性变形，制管后形成了残余应力。直缝焊管内存在的周向残余应力在采用切割等方法解除其周向约束后，焊管外径因回弹而变大，这种变化与残余应力的大小直接相关。采用切缝法测定的管体残余应力见图4所示。切缝采用线切割的方法，位置沿管周方向按度数标识，焊缝处标为0。由于宝钢φ610HFW排辊成型机组采用对称成型的方式，故测量范围为0-180˚。试验结果与讨论N80-1套管的残余应力实测值为235-258MPa，不同位置的残余应力测量值变化不大，反映了排辊成型均匀塑性变形的特征。N80-1经整管调质热处理后，产出的N80-Q的残余应力仅为33-52MPa，两者平均相差200MPa，说明整管热处理有效地消除了HFW制管引入的宏观残余应力。N80-1套管产品中存在因制管引入的残余应力,在实际应用中这种应力不会消除，可能对套管的使用性能带来不利的影响，尤其是焊管的沟槽腐蚀性能。试验结果与讨论3.3焊缝沟槽腐蚀试验加载应力和不加载应力的情况下，试样经过恒电流12mA极化24h前后的Tafel曲线见图5所示。腐蚀后HFW焊管的自腐蚀电位明显负移，腐蚀前后相差10~200mV。由塔菲尔直线外推法可得，腐蚀后，腐蚀电流明显增大。-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0-7-6-5-4-3-2-1Logi,A/cm2E,Vbeforecorrsoionaftercorrosion-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0-7-6-5-4-3-2-1Logi,A/cm2E,Vbeforecorrosionaftercorrosion(a)(b)图5不同拉应力条件下的Tafel曲线(a)0MPa(b)100MPa试验结果与讨论0100200300400500200400600800icorrbeforecorrosionicorraftercorrosionTensilestress/MPaicorrbeforecorrosion/A200400600800icorraftercorrosion/A0100200300400500300400500600Y=271+5.3X-0.03X2+8.6*10-5X3-9.1*10-8X4icorr/Tensilestress/MPa图6不同加载应力下的腐蚀电流图7不同应力下的腐蚀前后电流差值试验结果与讨论腐蚀电流在腐蚀前后随加载应力的变化情况示于图6，试样在腐蚀前，随着应力的增大，腐蚀电流逐渐增大；腐蚀之后，试样在焊缝处产生了沟槽，腐蚀电流随应力增大显著增大，并在350MPa的拉应力下达到最大值848μA。焊缝试样在腐蚀前后的电流差与加载应力的关系示于图7,可以用如下多项式来拟和：其中x为加载的拉应力，它具有明确的物理意义。腐蚀电流差反映了焊缝腐蚀产生的沟槽和加载应力的耦合强度。样品经过24h腐蚀之后，清除表面腐蚀产物，测定的沟槽腐蚀敏感系数示于图8，随着应力的增大，沟槽腐蚀系数呈线性增加。48352101.9106.803.03.5271xxxxbeforeiafteriicorrcorr++==试验结果与讨论01002003004005001.01.11.21.31.41.5GroovingcorrosioncoeffecientTensileStress/MPa图8不同拉应力下的沟槽腐蚀敏感系数试验表明，在加载拉应力小于260MPa的情况下，沟槽腐蚀敏感系数均低于1.33。由于N80-1焊管宏观残余应力小于260MPa,因此,N80-1套管仍具有较好的抗沟槽腐蚀敏感性。另一方面，由于N80-Q经过整管热处理，残余应力得到充分的释放，更不易发生沟槽腐蚀现象。4.结论1）制备的N80-1、N80-QHFW焊管力学性能相当，N80-1金相组织为铁素体、珠光体及少量贝氏体,N80-Q组织为回火索氏体;2）N80-1HFW焊管宏观残余应力达235-258MPa，而N80-Q残余应力很小，整管热处理可以有效的消除焊管残余应力,但增加了生产成本;3)随着应力的增大，沟槽腐蚀系数增大。腐蚀前后的电流差与加载应力的关系示为，反映了焊缝腐蚀产生的沟槽和加载应力的耦合强度。48352101.9106.803.03.5271xxxxi++=BetterSteel,BetterLife更好的钢铁更好的环境更好的生活谢谢！