一种改变低碳微合金钢焊缝组织与性能的方法与流程

本发明涉及一种低碳微合金钢，特别是涉及一种改变低碳微合金钢焊缝组织与性能的方法。

背景技术：
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油气开采中要用到大量油井管材，管材的价值占石油设备总资产的60％。石油专用钢管的质量、品种、性能对石油工业的发展关系重大。传统油井管一般长度为10米左右，作业时通过接箍或者焊接进行连接，作业时间很长，效率低下。由于接头多，并且接头处性能与管体相比差别较大，容易产生安全事故，存在很大安全风险。

连续管(Coiled Tube，CT)是一种单根长度可达万米的新型管材，可携带作业工具进行修井、测井、钻井、完井等各种作业，还可以用作输油、输气管线或者特殊的军事用途。连续管与传统钢管最大的不同之处在于，传统成品钢管是按定尺长度(如12米)包装运输，在现场使用中再采用环焊工艺对接起来投入使用。而连续管单根长度可达万米，成品缠绕在卷筒上，使用时打开，完成作业后重新缠绕在卷筒上备下次使用。因而传统钢管在成品12米外可以有缺陷，切除后不影响其它位置钢管质量，而单根近万米连续管却不能有一处缺陷，否则整根万米钢管全部报废。另外，传统钢管焊接后一般再不能回收使用，属于一次性耗材，而连续管使用完后缠绕在卷筒上，可以重复使用多次，大大提高了管材使用率，降低了材料成本。

连续管的制造技术难度很大，如何一次性连续生产单根万米连续管，并保证单根近万米连续管产品各个位置性能的均匀一致性，是连续管制造技术关键难点之一。最初的连续管采用的是环焊对接的制造工艺，采用这种工艺制造的连续管环焊缝使用寿命不到母管的25％，而且由于焊缝质量的不稳定性，经常会出现突然断裂的情况，风险很大。随着钢铁冶炼与轧制技术的进步，连续管产品所用的卷板长度越来越长，连续管的单根长度也达到了两三百米，但环焊缝的隐患依然存在。常用低碳微合金钢连续管管径在25.4毫米～89毫米，单根长度在3000米以上，要一次性生产3000米以上的连续管，就需要单根长度3000米以上的热轧钢带作为原料。仅仅依靠钢铁技术的进步很难彻底解决这个技术难题。

现代钢管制造技术的进步，钢管的连续生产已不是难题，采用活套技术或在线对接技术，将热轧钢带在钢管成型前焊接在一起，就可以实现钢管的连续生产。但由于焊缝质量不可靠，钢带对接焊缝位置在钢管成型焊接完成后，一般都会切除。通常情况下，用户也不会接受对接管。

二十世纪八十年代，连续管的制造工艺中也改进了钢带对接技术，优化了对接焊缝质量，淘汰了环焊技术对接的连续管产品，使连续管焊缝位置的寿命大幅提高，达到了母材的60％以上。但由于焊缝本身组织性能与母材的差异较大，对接焊缝位置仍然是整个连续管最为簿弱的地方，加之由于连续管长期在油气井中作业应用，井下服役环境极其恶劣，既要承受拉、压、弯等复合载荷作用和塑性变形引起的疲劳，又要受到硫化氢、氯离子、水等腐蚀介质的腐蚀影响，同时还有温度的影响，因此，该位置仍然是发现缺陷或产生断裂较多的地方，安全隐患最高。

技术实现要素：
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为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种改变低碳微合金钢焊缝组织与性能的方法。采用本发明所述的方法对钢带对接焊缝进行处理后，改变了低碳微合金钢焊缝的铸态组织，使其组织与母材相近或一致，同时焊缝综合性能也与母材相当，避免了焊缝在使用过程中因组织粗大、硬度过高、残余应力过大及焊缝形貌不佳带来的开裂、腐蚀等问题，或因焊缝不能达标而报废。采用本方法处理后的钢带所生产的连续管焊缝位置整体寿命得到了大幅提高，可达母管寿命的95％以上。

本发明所采用的技术方案是：

一种改变低碳微合金钢焊缝组织与性能的方法，其主要工艺包括，将低碳微合金钢焊缝加热至820℃～950℃，到达设定温度后，对低碳微合金钢焊缝施加外力使其变形；冷却至150℃以下，再次将低碳微合金钢焊缝加热至650℃～780℃，在该温度范围内，对低碳微合金钢焊缝再次施加一定外力使其产生变形；空冷至室温。

按照质量百分比，所述低碳微合金钢的成分为：C 0.05～0.20、Si≤0.45、Mn 0.5～2.0、Cr 0.4～0.7、Ni≤0.25、Cu≤0.4、Mo≤0.25、Nb≤0.06，并限制P、S为P≤0.02、S≤0.003，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

所述低碳微合金钢焊缝可采用TIG焊+填充焊丝或等离子焊接+填充焊丝工艺进行焊接。

所述方案采用中频感应随动加热方式，对焊缝整体加热，加热温度为820℃～950℃，加热速度为30～35℃/秒。

所述方案采用中频感应随动加热方式对焊缝整体加热至820℃～950℃时，停止加热，同时对焊缝施加外力，外力方向垂直于低碳微合金钢焊缝所在的母材表面。

所述方案对焊缝施加的外力大小为3～5吨，可采用碾压方式，也可采用锻压方式施加外力。

所述方案对焊缝施加外力后，焊缝空冷至150℃以下。

所述将焊缝空冷至150℃以下后，对焊缝进行第二次加热，加热温度为650℃～780℃，加热速度为30～35℃/秒。

所述方案采用中频感应随动加热方式对焊缝整体加热至650℃～780℃时，停止加热，同时对焊缝施加外力，外力方向垂直于低碳微合金钢焊缝所在的母材表面。

所述低碳微合金钢焊缝可采用TIG焊+填充焊丝或等离子焊接+填充焊丝工艺进行焊接，所述焊丝的成分包括：C 0.04～0.08、Si 0.01～0.2、Mn 0.7～1.3、P≤0.0095、S≤0.008、Mo 0.1～0.3、Ni 0.5～1.3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明中的方法，可以改变低碳微合金钢焊缝的铸态组织，细化晶粒，使焊缝晶粒度提高到12级左右，使其组织与母材相近或一致，同时消除焊缝残余应力，使焊接缺陷焊合，大幅度提高焊缝塑性韧性，焊缝综合性能也与母材基本一致，避免了焊缝在使用过程中因组织粗大、硬度过高、残余应力过大及焊缝形貌不佳带来的开裂、腐蚀等问题，或因焊缝不能达标而报废。采用本发明的方法对连续管斜焊缝进行处理后，含斜焊缝连续管的寿命可达与母管寿命的95％以上。连续管使用寿命提高了30％以上。

除连续管产品外，在焊接钢管领域，采用本方法，可以减少对接接头的浪费，提高原材料的利用率，钢管成材率提高3％以上。

附图说明：

图1为等离子填丝工艺焊接接头处理前对接焊缝组织照片；

图2为等离子填丝工艺焊接接头处理后对接焊缝组织照片。

图3为等离子填丝工艺焊接接头处理前焊接热影响区组织照片；

图4为等离子填丝工艺焊接接头处理后焊接热影响区组织照片。

图5为母材组织照片。

图6为P+T焊接接头处理前对接焊缝组织照片；

图7为P+T焊接接头处理后对接焊缝组织照片。

图8为P+T焊接接头处理前焊接热影响区组织照片；

图9为P+T焊接接头处理后焊接热影响区组织照片。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例一：

图1、图3为CT80级连续管用原材料钢带对接焊缝及焊接热影响区的显微组织照片。焊接采用等离子填丝工艺进行焊接。在未对焊接接头进行组织性能优化处理前进行检测，焊接接头显微硬度HV₁₀高达300以上，超过了腐蚀环境中选材要求的248最低值。同时，未经处理的焊接接头组织粗大，塑性极差。采用未经处理的焊接接头制成的CT80钢级、外径31.8mm，厚度3.18mm的连续管进行连续管低周疲劳试验，不超过100次就破裂失效。

发明人采用专用的连续管钢带对接焊缝形变热处理装置，对焊接接头进行形变热处理，加热温度为895℃，达到加热温度后对焊缝进行热碾压，使其变形，施加的碾压力为3吨。碾压后，将焊缝冷却至150℃以下。再次加热焊缝至680℃，达到加热温度后对焊缝进行碾压，施加的碾压力为3吨。碾压完后，将焊缝空冷至室温。

采用以上工艺处理的连续管钢带对接接头的焊缝和热影响区显微硬度均降到了248以下，原始粗大的焊缝与热影响区组织得到极大改善，残余应力大幅降低。

采用该工艺处理后的的对接钢带制成的CT80级连续管产品，疲劳寿命高达550-650次，与不带对接焊缝的母管疲劳寿命相当。而不采用焊缝优化处理的钢带制成的同钢级的连续管，疲劳寿命仅为100次左右，并且由于焊接接头组织性能的不均匀性，在使用中存在很大的安全隐患。

实施例二：

图6、图8为CT80级连续管用原材料钢带对接焊缝及焊接热影响区的显微组织照片。焊接接头采用P+T工艺(等离子打底+TIG盖面) 进行焊接。焊接接头未进行优化处理前，焊接接头最高显微硬度HV₁₀达294以上，也远远超过了标准要求的248。同时，焊缝与热影响区组织粗大，综合性能不好。

发明人采用专用的连续管钢带对接焊缝形变热处理装置，对焊接接头进行形变热处理，加热温度为895℃，达到加热温度后对焊缝进行热碾压，使其变形，施加的碾压力为3吨。碾压后，将焊缝冷却至150℃以下。再次加热焊缝至680℃，达到加热温度后对焊缝进行碾压，施加的碾压力为3吨。碾压完后，将焊缝空冷至室温。

采用以上工艺处理的连续管钢带对接接头的焊缝和热影响区显微硬度均降到了248以下，原始粗大的焊缝与热影响区组织得到极大改善，残余应力大幅降低。

采用该工艺处理后的的对接钢带制成的CT80级连续管产品，疲劳寿命高达550-650次，与不带对接焊缝的母管疲劳寿命相当。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。