ND鋼高頻焊管的應(yīng)用可行性研究

叢相州　彭杏娜　彭先寬　王濤

摘要：簡(jiǎn)要介紹了高頻焊管的主要工程應(yīng)用及市場(chǎng)前景，對(duì)三種不同狀態(tài)下（焊態(tài)、正火態(tài)、回火態(tài)）下的ND鋼高頻焊管進(jìn)行了耐硫酸露點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)及爆破試驗(yàn)研究，并與無(wú)縫管進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，焊態(tài)、正火態(tài)和回火態(tài)下的ND鋼高頻焊管耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能與母材相當(dāng)，焊態(tài)和熱處理回火態(tài)下的承壓能力與無(wú)縫管相當(dāng)，正火態(tài)下承壓壓能力弱，且經(jīng)濟(jì)性差。綜合分析得出，從耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性和承壓能力性能考慮，焊態(tài)或回火態(tài)下ND鋼高頻焊管和無(wú)縫管性能相當(dāng)，可替代無(wú)縫管。

關(guān)鍵詞：ND鋼;高頻焊管;可行性;焊接

中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0071-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.12

0 前言

高頻焊接技術(shù)起始于20 世紀(jì)50 年代，70年代直縫高頻焊管生產(chǎn)工藝基本成熟[1]。與無(wú)縫鋼管相比，直縫高頻焊管具有生產(chǎn)效率高、成本低、尺寸精度高、表面質(zhì)量好、母材缺陷少等優(yōu)勢(shì)。隨著現(xiàn)代制鋼和制管技術(shù)的進(jìn)步，高頻焊接管材的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)用條件逐漸由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從最初的結(jié)構(gòu)鋼管到鍋爐鋼管[2-3]、管線鋼管[4-5]，再到目前較高端的油井用管和汽車用管[6-8]，在上述領(lǐng)域高頻焊管實(shí)現(xiàn)了部分甚至完全替代無(wú)縫鋼管。市場(chǎng)需求一直在推動(dòng)著高頻焊接技術(shù)的進(jìn)步和高頻焊管的應(yīng)用，近些年隨著固態(tài)焊機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，業(yè)界對(duì)高頻焊接過(guò)程投入了更多的關(guān)注。

ND鋼，即09CrCuSb鋼，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的“耐硫酸露點(diǎn)腐蝕”用鋼材，其廣泛用于制造在高含硫煙氣中使用的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等裝置設(shè)備，用于抵御含硫煙氣的結(jié)露點(diǎn)腐蝕[9]。此外，ND鋼還具有耐氯離子腐蝕的能力及高的性價(jià)比，因此完全可以代替部分不銹鋼，甚至在耐硫酸露點(diǎn)腐蝕方面還可超越不銹鋼。ND鋼符合當(dāng)今高效、長(zhǎng)壽、節(jié)能、環(huán)保的“綠色”觀念和國(guó)家發(fā)展政策，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

現(xiàn)有技術(shù)中ND鋼主要是以其無(wú)縫鋼管形式得到廣泛應(yīng)用。但至今尚未有關(guān)ND鋼高頻焊接鋼管的相關(guān)報(bào)道。由于焊接鋼管比無(wú)縫鋼管具有成本低、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在此對(duì)ND鋼高頻焊接鋼管的應(yīng)用可行性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)對(duì)象為實(shí)際已經(jīng)應(yīng)用于空氣預(yù)熱器上的φ51×2 mm規(guī)格ND鋼高頻焊管（未除內(nèi)毛刺），分別進(jìn)行了不同狀態(tài)（焊態(tài)、正火態(tài)、回火態(tài)）下的金相組織分析、耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能研究、爆破試驗(yàn)研究。對(duì)焊態(tài)下鋼管分別進(jìn)行了正火和回火兩種不同方式的熱處理。其中正火參數(shù)：880～900 ℃，15～20 min，空冷;回火參數(shù)：600～620 ℃，15～20 min，空冷。通過(guò)力學(xué)性能、耐硫酸露點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)以及爆破試驗(yàn)，與現(xiàn)有的低溫省煤器常用規(guī)格φ38×4 mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行對(duì)比分析。

焊態(tài)下高頻焊管以及無(wú)縫管的化學(xué)成分如表1所示，可以看出，均滿足GB/T 150.2標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。兩種管材的抗拉強(qiáng)度如表2所示。

2 分析及討論

2.1 ND鋼高頻焊管的微觀組織

觀察ND鋼高頻焊管在三種不同狀態(tài)下的微觀組織，如圖1所示。圖1a為焊態(tài)下ND鋼焊管接頭形貌，圖1b為焊態(tài)下焊縫的組織，為鑄態(tài)鐵素體組織，圖1c為未受熱影響的母材的顯微組織，母材由鐵素體+珠光體組織組成。正火態(tài)下的接頭形貌如圖2所示，接頭腐蝕后肉眼不能區(qū)分焊縫及母材，在金相顯微鏡下，可以看出焊縫及母材均為鐵素體+珠光體組織，但是焊縫組織中存在鐵素體大小分布不均勻，出現(xiàn)鐵素體聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象，形成塊狀鐵素體，母材組織同樣出現(xiàn)鐵素體長(zhǎng)大現(xiàn)象，但是長(zhǎng)大程度不及焊縫明顯。主要原因是經(jīng)過(guò)再次正火后，重新奧氏體化所致。回火態(tài)下ND鋼焊管接頭形貌如圖3所示。回火后，焊縫和母材組織均得到了回復(fù)。焊縫的鑄態(tài)組織消失，母材的珠光體組織消失變基本全部轉(zhuǎn)化為鐵素體。

2.2 ND鋼耐硫酸露點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

對(duì)焊態(tài)、正火態(tài)和回火態(tài)三種狀態(tài)下的ND鋼高頻鋼管進(jìn)行了耐硫酸露點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，并于無(wú)縫管做了對(duì)比分析，腐蝕形貌見(jiàn)圖4a。此外切取焊態(tài)下焊縫部分試樣（包含母材），母材部分切片，并進(jìn)行耐硫酸露點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)對(duì)比，見(jiàn)腐蝕形貌見(jiàn)圖4b。腐蝕條件：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的H2SO4溶液中，70 ℃±2 ℃的恒溫條件下浸泡6 h，腐蝕速率結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，三種狀態(tài)的腐蝕速率與母材相當(dāng)，不同的熱處理狀態(tài)對(duì)腐蝕的速率影響較小。

2.3 ND高頻焊管及無(wú)縫管的爆破試驗(yàn)

按照GB/T 241-2007《金屬管液壓試驗(yàn)方法》對(duì)焊態(tài)、正火態(tài)和回火態(tài)三種狀態(tài)下的ND鋼高頻鋼管以及三支同規(guī)格φ38×4 mm ND鋼無(wú)縫管進(jìn)行了爆破試驗(yàn)。理論爆破壓力計(jì)算公式為P=2SR/D，S為鋼管厚度，R為材料抗拉強(qiáng)度，D為鋼管外徑。爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示?？梢钥闯觯饝B(tài)焊管承壓能力較弱，焊態(tài)和回火態(tài)焊管以及無(wú)縫管承壓能力均高于理論值10%以上。文獻(xiàn)[10]也認(rèn)為進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，焊態(tài)下焊管是從母體部分開(kāi)裂，而正火態(tài)的焊管則是從焊縫部位開(kāi)裂。原因?yàn)檎鸷蠛缚p強(qiáng)度大大降低所致。

高頻焊管不同狀態(tài)下的爆破試樣如圖5所示。由圖5可以看出焊態(tài)及回火態(tài)下ND鋼高頻焊管斷在母材位置，正火態(tài)下斷焊縫位置。焊態(tài)下裂口撕開(kāi)長(zhǎng)度78 mm，斷裂鼓包部位周長(zhǎng)175 mm，其他部位未見(jiàn)明顯變形。正火態(tài)下裂口撕開(kāi)長(zhǎng)度60 mm，斷裂鼓包部位周長(zhǎng)190 mm，其他部位周長(zhǎng)不小于175 mm，高于原焊管周長(zhǎng)163 mm，說(shuō)明斷裂前鋼管整體經(jīng)歷了大量變形。回火態(tài)斷裂開(kāi)口長(zhǎng)度75 mm，斷裂鼓包部位周長(zhǎng)180 mm，其他部位未見(jiàn)明顯變形。無(wú)縫管爆破試樣如圖6所示后開(kāi)口長(zhǎng)度55 mm，斷裂鼓包部位周長(zhǎng)146 mm，其他部位周長(zhǎng)130 mm，高于原焊縫120 mm，說(shuō)明斷裂前也經(jīng)歷了變形。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)ND鋼高頻焊管，不同的熱處理狀態(tài)對(duì)耐硫酸露點(diǎn)腐蝕速率影響較小，焊態(tài)下、正火態(tài)和回火態(tài)下焊管的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能基本與母材相當(dāng)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）爆破試驗(yàn)表明，正火態(tài)下焊管的承壓能力最弱，焊態(tài)和回火態(tài)下及無(wú)縫管的承壓能力都高于理論計(jì)算值。從經(jīng)濟(jì)性及承壓性能角度考慮，ND鋼高頻焊管焊后不建議采用正火熱處理。

（3）從耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性和承壓能力角度考慮，ND鋼高頻焊管與無(wú)縫管性能相當(dāng)，可替代無(wú)縫管。

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