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用双相不锈制造焊接钢管的方法

阅读:1029发布:2020-09-27

专利汇可以提供用双相不锈制造焊接钢管的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用双相不锈 钢 制造 焊接 钢管的方法,包括步骤为:制备 热轧 双相 不锈钢 板,包含:以重量计,0.03%或更少的C,1%或更少Si,0.8至2.0%的Mn,0.03%或更少的P,0.01%或更少的S,20至30%的Cr,2.5至4%的Mo,4至7%的Ni,0.08至0.2%的N,其余基本为Fe。用多步成型辊将该热轧钢板连续成型为开口管。用激光 辐射 加热同时顶锻将开口管相对两边焊接。磨削焊接部位板厚增加的部分。 对焊 接部位施加 温度 范围950至1100℃保温时间30至300秒的固溶处理。本 发明 也提供一种用 激光束 焊接并对焊接部位进行前述固溶处理的方法。,下面是用双相不锈制造焊接钢管的方法专利的具体信息内容。

1.一种用双相不锈制造焊接钢管的方法,包括如下步骤:
用多步成型辊将热轧双相不锈钢连续成型为有相对边的开口管,该双相 不锈钢板包含:以重量计,0.03%或更少的C,1%或更少的Si,0.8至 2.0%的Mn,0.03%或更少的P,0.01%或更少的S,20至30%的Cr, 2.5至4%的Mo,4至7%的Ni,以及0.08至0.2%的N,其余基本为Fe;
焊接上述开口管相对边形成焊接管,同时顶锻,采用激光束将相对边加 热至焊接温度
磨削焊接部位由于顶锻发生板厚增加的部分,以及
对焊接部位实行温度范围950至1100℃保温时间30至300秒的固溶处 理。
2.权利要求1的方法,所述激光束为二气体激光束。
3.权利要求1的方法,在所述开口管成型之后,焊接之前,以电阻加热预 热开口管相对边。
4.权利要求2的方法,在其开口管成型之后,焊接之前,以电阻加热预热 开口管相对边。
5.一种用双相不锈钢制造焊接钢管的方法,包括如下步骤:
用多步成型辊将热轧双相不锈钢连续成型为有相对边的开口管,该双相 不锈钢包含:以重量计,0.03%或更少的C,1%或更少的Si,0.8至2.0% 的Mn,0.03%或更少的P,0.01%或更少的S,20至30%的Cr,2.5至 4%的Mo,4至7%的Ni,以及0.08至0.2%的N,其余基本为Fe;
用电阻加热法加热上述开口管的相对两边并通过施加顶锻使该相对边 产生加压连接形成焊接管;
磨削焊接部位由于顶锻发生板厚增加的部分;
用激光束使焊接部位重熔产生熔化区,以及
对焊接部位实行温度范围950至1100℃,保温时间30至300秒的固溶 处理。
6.权利要求5的方法,所述激光束为二氧化碳气体激光束。

说明书全文

发明涉及一种用双相不锈制造焊接管的方法,特别是用激光焊接的 方法。

素体相和奥氏体相组成的双相不锈钢作为一种优良的抗腐蚀钢材 应用于化工企业、管线、油井管等等。通过控制此类钢中Cr、Ni、Mo以及N的含量可以增强在包含氯离子和二的环境中的抗腐蚀性。此 类钢材的屈服应和拉伸强度高于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢。

在一种现行的连续管材成型工艺中,焊接钢管的制造是通过用一组成型 辊将钢带辊压成型为管状再将其对边焊接起来。该工艺比较适合于用双相 不锈钢制造焊接管。

上述工艺中的焊接方法,可以是熔焊如TIG焊,等离子焊或埋弧焊,或 者是加压焊接如电阻焊(ERW)。

一般地说,熔焊很少产生焊接缺陷且有优良的可焊性。但是熔焊由于焊 接速度低因而生产率低。

埋弧焊的焊接速度较高,因该方法允许进行大热输入量焊接。但是埋弧 焊由于在空气中使用粉末焊剂不可避免地引起诸如O、N等气体侵入钢 中,其结果是焊接部位有氧化物和氮化物析出,使其韧性下降。另外,埋 弧焊由于热输入量大,高温裂纹产生频率提高。

韧性下降可通过采用强性焊剂以降低焊接部位氧含量来改善。采用强 碱性焊剂,由于焊剂改善可作为点蚀起始点的元素浓度无规分布,还可提 高腐蚀抗力。

但是,强碱性焊剂由于其熔点较高,不利于提高焊接速度。另外,强碱 性焊剂易于引入诸如夹渣或咬边(熔化部位凹陷)等焊接缺陷。

另一方面,采用电阻加热或感应加热的加压焊接方法(或缝焊)生产率比 熔焊高。但是缝焊因焊接过程中加热,易于在接合面上形成氧化物,产生 焊接缺陷。尤其是双相不锈钢,会析出诸如Cr、Si或Mn等的氧化物。 这些氧化物可能遗留在焊接部位成为缺陷,因其熔点比基体高,这些缺陷 被称之为过烧,这样焊接部位的韧性和耐腐蚀性就下降。

在缝焊中,结合面在焊接时要加压,因而焊接部位因塑性变形(金属流变 升高)而出现一个较厚的局部。虽然该局部通常都进行机加工,但机加工使 非金属夹杂物暴露在管的表面,使其韧性和耐腐蚀性下降。

一般地说,力学特性尤其是韧性,在垂直于钢板表面的方向比平行于钢 板表面的方向要差。因此,结合部金属流变升高使得垂直于钢板表面的方 向相对于管材园周面成直,造成韧性的降低。

本发明的目的是提供一种以高生产率用双相不锈钢制造具有优良韧性 和耐腐蚀性的焊接钢管的方法。

为达到上述目的,采用了一种用双相不锈钢制造焊接钢管的方法,该方 法包括如下步骤:

(a)生产一种热轧双相不锈钢板,含有:以重量计,0.03%或更少的C, 1%或更少的Si,0.8至2.0%的Mn,0.03%或更少的P,0.01%或更少 的S,20至30%的Cr,2.5至4%的Mo,4至7%的Ni,0.08至0.2% 的N,其余基本为Fe;

(b)用多步成型辊将热轧钢板连续成型为开口管;

(c)用激光焊接法在顶锻的同时将开口管相对的两边焊接起来;

(d)对焊接部位板厚增加的部分进行磨削;以及

(e)对焊接部位进行温度范围950至1100℃、保温时间30至300秒的固 溶处理。

优选在步骤(b)和步骤(c)之间插入下面的步骤:

(f)用电阻加热法对开口管相对的两边进行加热。

发明目的也可通过采用另一种用双相不锈钢制造焊接钢管的方法实 现,该方法包括如下步骤:

(a)生产一种热轧双相不锈钢板,包含:以重量计,0.03%或更少的C, 1%或更少的Si,0.8至2.0%的Mn,0.03%或更少的P,0.01%或更少 的S,20至30%的Cr,2.5至4%的Mo,4至7%的Ni,0.08至0.2% 的N,其余基本为Fe;

(b)用多步成型辊将热轧钢板连续成型为开口管;

(g)用电阻法加热开口管相对的两边,将两边加压连接同时在该处产生 顶锻;

(h)对连接部位板厚增加的部分进行磨削;

(i)用激光束使连接部位重熔形成熔化部位;以及

(e)对焊接部位进行温度范围950至1100℃,保温时间30至300秒的 固溶处理。

图1所示为模拟在本发明的一个实施方案中制造焊接钢管的试验装置的 示意图。

为制造作为本发明的焊接钢管的母材的双相不锈钢热轧钢板,这种钢的 化学成分为: C:碳形成碳化物并产生贫Cr层,因C含量高于0.03%会增加贫Cr层量 并降低耐腐蚀性,C含量定为0.03%或更少,优选为0.02%或更少。 Si:由于Si含量高于1%会降低热加工性,Si含量定为1%或更少,优选 为0.5%或更少。 Mn:为保证在氯化物环境下对抵抗点蚀有利的元素N的充分固溶,Mn加入量须为0.8%或更多。另一方面,Mn加入量过多超过2.0%会降低在 硫化氢环境下的点蚀抗力。因此,Mn含量范围为0.8至2.0%,优选为1.0 至1.7%。 P:由于P含量高于0.03%时在氯化物环境或硫化氢环境下引起应力腐蚀 开裂,P含量定为0.03%或更少,优选为0.02%或更少。 S:由于S含量高于0.01%会降低热加工性,S含量定为0.01%或更少, 优选为0.001%或更少。 Cr:铬对耐腐蚀性有利。低于20%的Cr含量不能提供足够的点蚀抗力, 而高于30%的Cr含量降低热加工性。因此,Cr含量定为20至30%,优 选为22至25%。 Mo:钼有利于抵抗氯化物腐蚀。低于2.5%的Mo含量不能提供足够的点 蚀抗力,而高于4%的Mo含量降低热加工性。因此,Mo含量最佳范围定 为2.5至4%,优选为2.9至3.3%。 Ni:镍在加入量为4%或更多时有利于保证韧性,高于7%的Ni含量降低 点蚀抗力。所以,Ni含量的适宜范围定为4至7%,优选为5.0至6.2%。 N:氮可有效调节铁素体相的分数。N加入量高于0.08%可增强氯化物腐 蚀抗力。但是,N含量高于0.2%时,由于Cr2N析出使耐腐蚀性下降。因 此,N含量适宜范围定为0.08至0.2%,优选为0.10至0.15%。

除上述之外的其它元素只要不对本发明的目的产生不利影响都可加入 或包含。

在含有上述成分的热轧钢板成型完成之后,开始进行用于制造焊接管的 管材成型步骤。

在管材成型步骤中,采用类似于一般的电缝钢管生产中所用的多步成型 辊将热轧钢板连续成型为管材,在该步骤中,热轧钢板被成型为将接缝焊 上后就成为管材的形状,即开口管,其设备包括与常规缝焊管生产设备相 同的一系列成型辊。

钢板的两条待结合边采用挤压辊或类似设备对接到一起并产生顶锻,再 用激光束发生装置施行激光焊接。

由于激光焊采用气体屏蔽将焊接部位与空气隔绝,焊接部位的屏蔽效果 高于采用粉末焊剂隔离焊接部位的埋弧焊,因此,激光焊降低了进入焊接 部位的氧量。因为不使用焊剂,激光焊不引入夹渣。

由于激光焊采用高密度能量束,其要求的热输入比埋弧焊低得多。其结 果是性能可能下降的热影响区的宽度显著变窄。另外,激光焊在很高的焊 接速度下进行,故生产率提高。

激光焊是将整个结合面都熔化的熔焊法,故该方法很少产生常出现于缝 焊中的过烧缺陷等缺陷。

在激光焊时对边缘部位施加顶锻,可避免熔区分离及咬边。

对顶锻造成的板厚增加部位进行磨削可保证板厚的均一性,以便在下一 步固溶处理时均匀加热焊接部位。

双相不锈钢的焊接使焊接部位铁素体相分数增加,降低耐腐蚀性和低温 韧性。为避免这些缺限,对焊接部位进行950至1000℃温度范围内保温30 至300秒的固溶处理可有效地实现组织均匀化。低于950℃的加热温度会 引发σ相的形成而显著降低低温韧性,而高于1100℃的加热温度造成铁素 体相达到或超过60%,因而降低耐腐蚀性。短于30秒的保温时间不能达到 充分固溶,而长于300秒保温时间又会造成晶粒粗化而降低低温韧性。优 选地加热温度为1020至1070℃,保温时间为30至200秒。

如上所述,本发明的方法可在高生产率下用双相不锈钢制造焊接部位有 优良韧性和耐腐蚀性的焊接管材。

在上述激光焊接法中,在管材成型步骤之后,优选用电阻法加热开口管 相对的两边以预热待焊部位。预热可缩短随后的激光焊步骤的熔化时间并 提高生产率。

本发明还提供一种方法,在完成管材成型步骤之后,成型开口管相对的 两边以电阻加热焊接在一起并产生顶锻,然后磨削接头部位板厚增加的部 分,即顶锻部分以便在下一步的重熔过程中使激光束集中于接头部位,随 后用激光束加热使接头部位自管内向管外发生重熔,例如用二氧化碳激光 束以10kW的激光输出加热来在高生产率下生产具有优良韧性和耐腐蚀性 的双相不锈钢焊接管。

由于前一段所述过程中包括的管材成型步骤和焊接步骤与生产电缝钢 管的过程相同,进一步提高速度是有可能的。这种接头中仍含有能造成过 烧的氧化物夹杂及其它缺陷。但是如果激光束定向于接头部位从而使氧化 物夹杂破碎且破碎的夹杂物弥散分布或是熔化时由于对流作用而被排除到 边缘,所制得的焊接钢管可具有优良的韧性和耐腐蚀性。上述制造方法可 用于现成的电缝钢管生产设备上,只需增加一套激光发生器,当然该方法 也可用于新建的生产设备。 实施例1

本发明的主要目的是改善焊接部位的力学特性和耐腐蚀性。在这方面, 发明人进行了实验室模拟试验以模拟实际焊接钢管的焊接部位。

表1所示为实验用钢的化学分析结果。每种钢都在实验室中真空熔化制 成50kg的钢锭。钢锭热轧至12mm厚以制备试样。

图1所示为模拟焊接管制造过程的试验装置。标号1所示为钢板,2为 电阻加热用电极(触头),3为挤压辊,4为激光束,5为成型辊。

成型辊5接纳模拟钢板1的相对两边的两试样,试样通过由触头2输 入的高频电流进行电阻加热法加热,然后由挤压辊3施压,二氧化碳激光 束4射向双边接合部。对于工业用挤压辊,顶锻形成于开口管外部面,而 模拟装置的挤压辊产生的顶锻在试样横向。

表1中所示成分的试样以图1所示装置焊接制成焊接试样。焊接条件 为:焊接速度10m/min,激光输出10kW,焦点处束斑直径0.5mm。激 光束垂直照向钢板聚焦于焊边接合部。

对每个制成的焊接试样,进行1050℃下保温180秒的固溶处理,然后 冷。试样进行接头拉伸试验、夏比冲击试验及点蚀试验。有无焊接缺陷 通过观察夏比冲击试验试样断面来确定。

焊接部位的腐蚀试验通过在不同温度条件下将试样浸入10% FeCl3·6H2O溶液中72小时的点蚀试验来进行,通过产生点蚀的临界温 度CPT来评价,焊接部位的韧性通过-40℃下的吸收能vE-40来评价。

试验结果归纳于表2。

本发明钢样1号至8号vE-40都超过100J,范围从119至225J,CPT 等于或高于35℃,范围从35至50℃,表现出较好的韧性和耐腐蚀性。接 头拉伸强度范围从753至785N/mm2(MPa),表明其强度在足够高的范围 内。这些钢样中未发现焊接缺陷。

相反,对比钢样9号及10号韧性差,vE-40分别为75J和63J,耐腐蚀 性差,CPT为20℃。在10号对比钢样中,夏比冲击试验试样断面上有焊 接缺陷,其接头拉伸强度低,为507N/mm2(MPa)。 实施例2

采用实施例1中5号和7号钢热轧样品,以图1所示试验装置制作激光 焊接样品和缝焊接样品。

缝焊样品制作不使用激光束加热而是采用触头输入的高频电流以加热 样品,然后用挤压辊施压,随后进行与实施例1相同的固溶处理。

所有样品焊接部位韧性都以与上述相同的方法评价。

试验结果归纳于表3。

缝焊样品的vE-40值比激光焊样品低得多。因此,激光焊对于获得好的 焊接部位韧性更有利。 实施例3

对实施例1中5号和7号钢热轧样品以图1所示试验装置进行激光焊接 后制取1050℃180秒或30秒固溶处理以及不经固溶处理的样品。

对所有这些样品进行前述夏比冲击试验和点蚀试验,试验结果归纳于表 4。

未固溶处理样品的vE-40和CPT值远低于经固溶处理的样品,本发明的 固溶处理对于获得焊接部位好的韧性和好的耐腐蚀性是必要的。

表1   钢号                        化学成分(wt%)   C      Si   Mn    P     S     Cr   Mo   Ni    N    备注     1     2     3     4     5     6     7     8     9     10  0.010 0.49 1.01 0.016 0.0010 23.02 2.97 4.96 0.124  0.012 0.48 0.94 0.019 0.0006 22.12 2.93 5.90 0.130  0.019 0.41 1.48 0.018 0.0008 21.30 2.92 5.80 0.150  0.024 0.45 1.11 0.017 0.0010 22.80 2.90 4.90 0.100  0.018 0.48 1.01 0.015 0.0009 24.30 3.00 6.20 0.110  0.008 0.00 0.82 0.010 0.0006 23.60 3.10 6.90 0.140  0.018 0.49 1.77 0.019 0.0010 22.40 3.05 5.85 0.143  0.025 0.48 1.68 0.016 0.0007 22.56 3.28 6.18 0.088  0.020 0.70 0.70 0.020 0.0110 22.58 5.00 9.50 0.210  0.038 0.60 0.61 0.015 0.0010 24.50 2.93 9.94 0.160   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明    对比    对比

表2   钢号  接头拉伸强度     (N/mm2)    vE-40     (J)    CPT   (℃)   有/无焊接缺陷   备注     1     2     3     4     5     6     7     8     9     10     785     774     781     753     762     768     783     756     752     507     203     173     131     120     231     225     121     119     75     63     50     35     30     35     55     50     40     40     35     20     无     无     无     无     无     无     无     无     无     有   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明   本发明    对比    对比

表3  钢号   焊接   方法     vE-40     (J)    备注    5    5    7    7     LW     ERW     LW     ERW     231     25     121     10   本发明    对比   本发明    对比

LW:激光焊         ERW:电阻焊

表4  钢号     固溶处理     vE-40     (J)    CPT   (℃)   备注   5   5   7   7   7  1050℃×180sec    未处理  1050℃×180sec  1050℃×30sec    未处理     231     65     131     120     30     55     20     40     35     20  本发明   对比  本发明  本发明   对比

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