Термическая обработка сварных стальных труб не является загадкой.

Во-первых, цель индукционной термообработки сварного шва.

Характеристики сварных стальных труб всесторонне оцениваются по характеристикам двух частей металла: тела стальной трубы и сварного шва. Самое слабое место любой стороны будет определять характеристики сварной стальной трубы. В процессе сварки из-за высокой температуры сварки изменяется структура металла шва и зоны термического влияния, происходит укрупнение зерен, а также возникают большие внутренние напряжения. В результате этих изменений характеристики металла в зоне сварки сильно отличаются от характеристик основного материала (тела стальной трубы). При этом комплексные характеристики металла сварного шва значительно ниже, чем у тела стальной трубы. По этой причине необходимо использовать термическую обработку сварного шва, чтобы устранить разницу и сделать ее «бесшовной сварной стальной трубой» с постоянными комплексными характеристиками.

(1) Устраните внутреннее напряжение, возникающее при сварке. Зона термического влияния, образующаяся по обе стороны шва в результате сварки, образует три совершенно разные области с разной структурой, размером зерен и распределением напряжений со стороны сварного шва и тела стальной трубы. Из-за разной температуры нагрева и скорости охлаждения сварного шва, зоны термического влияния и тела стальной трубы внутренние напряжения внутри них различны. Внутренние напряжения в сварном шве самые большие, зона термического влияния — вторая по величине, а тело стальной трубы — наименьшее. Когда внутреннее напряжение превышает предел текучести, металл подвергается пластической деформации, вызывая изгиб сварной стальной трубы; когда внутреннее напряжение превышает предел прочности, в металле появляются зернограничные трещины, а после расширения трещин сварной шов трескается. Зерна металла в зоне сварного шва крупные, а предел текучести и предел прочности на разрыв самые низкие, что делает его наиболее склонным к растрескиванию. Зона термического влияния также более склонна к растрескиванию, чем тело стальной трубы. Следовательно, чтобы улучшить комплексные характеристики сварного шва, необходимо устранить внутренние напряжения сварного шва путем термообработки. Для устранения внутренних напряжений сварного шва обычно применяют нормализующий или высокотемпературный отжиг.

(2) Улучшить микроструктуру металла в зоне сварного шва и термического влияния. Стальные полосы, используемые для изготовления труб, в основном горячекатаные и нормализованные воздушным охлаждением, имеют мелкую ферритно-перлитную структуру; некоторые полосы из микролегированной высокопрочной стали имеют тонкую игольчатую ферритную структуру. Высокие температуры сварки вызывают два неблагоприятных воздействия на металл сварного шва. Во-первых, укрупнение зерна приводит к снижению предела текучести и охрупчиванию. Во-вторых, неравномерная скорость охлаждения после сварки приводит к медленному охлаждению в зоне сварки, что приводит к образованию крупных ферритов и перлитов, тогда как более быстрое охлаждение в зоне термического влияния приводит к образованию крупного мартенсита и остаточного аустенита в дополнение к ферриту и перлиту. В сочетании с этими факторами укрупнение зерен и изменения микроструктуры металла вызывают охрупчивание металла сварного шва, что приводит к значительным отличиям структуры и свойств от тела стальной трубы. Поэтому термообработка сварного шва необходима для уточнения размера зерна и восстановления металлографической структуры, чтобы минимизировать различия.

Во-вторых, методы термообработки сварных швов с индукционным нагревом.

К типам сталей, требующим термической обработки для улучшения механических свойств сварных швов, относятся в первую очередь трубопроводные стали. К основным методам термической обработки, позволяющим улучшить общие характеристики сварных швов, относятся нормализация, нормализация + отпуск и закалка + отпуск. В настоящее время нормализация сварного шва является наиболее распространенным методом, применяемым в отечественном производстве стальных сварных труб, тогда как другие методы термообработки не получили широкого применения. Наиболее продвинутой термической обработкой сварных стальных труб является закалка + отпуск. Нормализующая обработка в основном используется на крупных линиях по производству сварных стальных труб за рубежом, а отпускная обработка используется лишь несколькими компаниями в Японии, США и Европейском Союзе. Индукционная закалка сварных швов является будущим направлением развития.

(1) Нормализующая обработка индукционным нагревом сварного шва. Обработка, нормализующая сварной шов, включает обработку отжигом, который иногда также называют отжигом для снятия напряжений. Нормализующая обработка индукционным нагревом сварного шва заключается в нагреве сварного шва до температуры выше Ac3, 900-950 ℃, охлаждении на воздухе до температуры ниже 400 ℃, а затем охлаждении водой до комнатной температуры. Это устраняет внутренние напряжения в сварном шве, уменьшает зернистость сварного шва, улучшает микроструктуру, а также улучшает пластичность и ударную вязкость сварного шва. Нормализующая обработка индукционным нагревом сварного шва подходит для обычной низколегированной стали и некоторых низколегированных высокопрочных сталей, эквивалентных сварным стальным трубам марки стали ниже X60. Обработка отжига с индукционным нагревом сварного шва заключается в нагреве сварного шва до двухфазной области 700-750 ℃, а затем охлаждении на воздухе до комнатной температуры. Целью является устранение внутренних напряжений сварного шва и улучшение пластичности. Обработка отжигом в основном используется для сварки труб из углеродистой стали и некоторых обычных труб из низколегированной стали.

(2) Нормализация сварочного индукционного нагрева + отпуск. Если после нормализующей обработки твердость сварного шва все еще высока, но пластичность все еще низкая, в качестве корректирующих мер можно использовать высокотемпературную отпускную обработку. Закалка индукционным нагревом заключается в нагреве сварного шва до температуры ниже Ac1, обычно около 650 ℃, а затем его охлаждении на воздухе. После высокотемпературной отпуска мартенситная структура в исходной стали преобразуется в отпущенный бейнит и феррит, пластичность сварного шва улучшается, твердость снижается, а прочность существенно не меняется.

(3) Сварка, индукционная закалка + отпуск. Этот метод термообработки еще называют закалкой. Закалка индукционным нагревом сварки в режиме онлайн является самой передовой технологией термообработки на сегодняшний день. После отпуска комплексные механические свойства сварного шва полностью достигают уровня тела стальной трубы, а характеристики сварного шва и тела стальной трубы гомогенизируются. Суть реализации этой технологии процесса термообработки заключается в освоении технологии нагрева поперечным магнитным полем для обеспечения однородности и точности температуры нагрева. Для сварных швов из низколегированной высокопрочной стали и слаболегированной высокопрочной стали температура закалки составляет 900-950°С, температура отпуска - 600-650°С. При закалке используется распылительное охлаждение, а при отпуске — сочетание воздушного и водяного охлаждения. При использовании нагрева продольным магнитным полем для закалки и отпуска температуру можно контролировать с точностью ±10°C, что является уровнем контроля, необходимым для поддержания стабильных характеристик сварных стальных труб высокой прочности. Использование нагрева сварных швов поперечным магнитным полем также требует высокой точности контроля температуры.

В-третьих, индукционный нагрев, нормализация сварных швов.

В настоящее время нормализация является наиболее часто используемым методом термообработки сварных стальных труб в Китае, иногда его также называют отжигом сварного шва. Разница между ними заключается в том, что для нормализации требуется температура нагрева выше Ac3, а для отжига требуется более низкая температура нагрева около Ac1. Для трубопроводных стальных сварных труб нормализация сварного шва представляет собой метод термообработки, указанный в стандарте API.

Нормализацию сварных швов индукционным нагревом можно разделить на поточную и автономную, в зависимости от конфигурации производства. Автономную нормализацию можно использовать для продуктов с широким диапазоном характеристик и небольшими партиями. Онлайн-нормализацию следует использовать для продуктов с небольшим количеством спецификаций и большими партиями.

Индукционную нормализацию сварных швов применяют преимущественно для труб из низкоуглеродистых, низколегированных сталей, армированных ванадием, ниобием и титаном. Целью нормализации сварных швов является устранение внутренних напряжений, возникающих при сварке, уменьшение размера зерен металла сварного шва, улучшение пластичности и ударной вязкости металла, а также минимизация разницы в характеристиках сварного шва и трубы.

В-четвертых, выбор температуры индукционной нормализации сварных швов.

Традиционные температуры нормализации низколегированных сталей составляют на 30-50°С выше Ас3. Однако при скорости индукционного нагрева 20-50°С/с⁻¹ Ас3 увеличивается с увеличением скорости нагрева. По эмпирическому опыту при температурах индукционной закалки Ас3 увеличивается на 20-50°С. Поэтому температура нормализации для индукционной нормализации сварных швов низколегированных сталей должна быть на 50-100°С выше Ас3. Верхний предел используется, когда сталь содержит легирующие элементы, такие как Cr, V и Ti; нижний предел используется, когда сталь не содержит этих легирующих элементов.

Нормализующая температура не должна быть слишком высокой. При нормальных условиях нагрева исходные аустенитные зерна низколегированной доэвтектоидной стали начинают расти при температуре около 900°С, а при температуре выше 950°С наблюдается быстрый рост. Поэтому чрезмерно высокие температуры нормализации препятствуют измельчению зеренной структуры сварного шва и снижают эффективность нормализации. Кроме того, чрезмерно высокие температуры нормализации могут усугубить окисление металла в зоне сварного шва, влияя на качество поверхности свариваемой стальной трубы и снижая выход стали. Аналогичным образом, чрезмерно низкие температуры нормализации не улучшают пластичность и вязкость металла сварного шва, что противоречит цели нормализации.

В-пятых, время выдержки и методы охлаждения индукционного нагрева, нормализующие сварные швы.

Выбор времени выдержки индукционного нагрева для нормализации сварных швов. Закалка, растворение и нормализация — это термическая обработка, которая включает нагрев стали до температуры аустенизации и последующее ее охлаждение с различной скоростью. Хотя цель аустенизации одинакова, все три метода преследуют одну и ту же цель. Эксперименты по устранению времени аустенитизационной выдержки при индукционной закалке низколегированной стали и обработке на раствор аустенитной термоупрочняемой стали показали, что при увеличении температур индукционной закалки и обработки на раствор на 50-100°С выше обычных температур обработки можно достичь эквивалентных результатов термообработки без необходимости времени выдержки. Концентрация упрочняющих элементов в растворе постоянна, а механические свойства при комнатной температуре и при высоких температурах после отпуска и старения превосходят свойства традиционных обработок. Это демонстрирует, что исключение времени выдержки при индукционной нормализации не влияет на результаты последующей термообработки.

Таким образом, для низколегированной доэвтектоидной стали при правильном выборе температуры индукционной нормализации и однородности температуры нагрева сварного шва время нормализации можно полностью исключить без ущерба для результатов термообработки. Это связано с тем, что для скорости металлографического фазового превращения решающую роль играет температура, и ее влияние значительно превосходит влияние времени. Изменение температуры на время является отличительной чертой индукционной быстрой термообработки.