15CRMo无缝钢管1. 无缝钢管

　　因其制造工艺不同，又分为热轧(挤压)无缝钢管和冷拔(轧)无缝钢管两种。冷拔(轧)管又分为圆形管和异形管两种。

　　a. 工艺流程概述

　　热轧(挤压无缝钢管)：圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径(或减径)→冷却→坯管→矫直→水压试验(或探伤)→标记→入库。

　　冷拔(轧)无缝钢管：圆圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油(镀铜)→多道次冷拔(冷轧)→坯管→热处理→矫直→水压试验(探伤)→标记→入库。

　　b.无缝钢管，因其用途不同而分为如下若干品种：

　　GB/T8162-2008(结构用无缝钢管)。主要用于一般结构和机械结构。其代表材质(牌号)：碳素钢20、45号钢;合金钢Q345、20Cr、40Cr、20CrMo、30-35CrMo、42CrMo等。

　　GB/T8163-2008(输送流体用无缝钢管)。主要用于工程及大型设备上输送流体管道。代表材质(牌号)为20、Q345等。

　　GB3087-2008(低中压锅炉用无缝钢管)。主要用于工业锅炉及生活锅炉输送低中压流体的管道。代表材质为10、20号钢。

　　GB5310-2008(高压锅炉用无缝钢管)。主要用于电站及核电站锅炉上耐高温、高压的输送流体集箱及管道。代表材质为20G、15CrMoG、15CrMoG等。

　　GB5312-1999(船舶用碳钢和碳锰钢无缝钢管)。主要用于船舶锅炉及过热器用I、II级耐压管等。代表材质为360、410、460钢级等。

　　GB6479-2000(高压化肥设备用无缝钢管)。主要用于化肥设备上输送高温高压流体管道。代表材质为20、16Mn、12CrMo、12Cr2Mo等。

　　GB9948-2006(石油裂化用无缝钢管)。主要用于石油冶炼厂的锅炉、热交换器及其输送流体管道。其代表材质为20、12CrMo、1Cr5Mo、1Cr19Ni11Nb等。

　　GB18248-2000(气瓶用无缝钢管)。主要用于制作各种燃气、液压气瓶。其代表材质为37Mn、34Mn2V、35CrMo等。

　　GB/T17396-1998(液压支柱用热轧无缝钢管)。主要用于制作煤矿液压支架和缸、柱，以及其它液压缸、柱。其代表材质为20、45、27SiMn等。

　　GB3093-1986(柴油机用高压无缝钢管)。主要用于柴油机喷射系统高压油管。其钢管一般为冷拔管，其代表材质为20A。

　　GB/T3639-1983(冷拔或冷轧精密无缝钢管)。主要用于机械结构、碳压设备用的、要求尺寸精度高、表面光洁度好的钢管。其代表材质20、45钢等。

　　GB/T3094-1986(冷拔无缝钢管异形钢管)。主要用于制作各种结构件和零件，其材质为优质碳素结构钢和低合金结构钢。

　　GB/T8713-1988(液压和气动筒用精密内径无缝钢管)。主要用于制作液压和气动缸筒用的具有精密内径尺寸的冷拔或冷轧无缝钢管。其代表材质为20、45钢等。

　　GB13296-1991(锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管)。主要用于化工企业的锅炉、过热器、热交换器、冷凝器、催化管等。用的耐高温、高压、耐腐蚀的钢管。其代表材质为0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

　　GB/T14975-1994(结构用不锈钢无缝钢管)。主要用于一般结构(宾馆、饭店装饰)和化工企业机械结构用的耐大气、酸腐蚀并具有一定强度的钢管。其代表材质为0-3Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

　　GB/T14976-1994(流体输送用不锈钢无缝钢管)。主要用于输送腐蚀性介质的管道。代表材质为0Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等。

　　YB/T5035-1993(汽车半轴套管用无缝钢管)。主要用于制作汽车半轴套管及驱动桥桥壳轴管用的优质碳素结构钢和合金结构钢热轧无缝钢管。其代表材质为45、45Mn2、40Cr、20CrNi3A等。

　　API SPEC5CT-1999(套管和油管规范)，是美国石油学会(American Petreleum Instiute, 简称"API")编制并发布的在世界各地通用。其中： 套管：由地表面伸进钻井内，作为井壁衬的管子，其管子之间通过接箍连接。主要材质为J55、N80、P110等钢级，以及抗硫化氢腐蚀的C90、T95等钢级。其低钢级(J55、N80)可为焊接钢管。油管：由地表面插入套管内直至油层的管子，其管子之间通过接箍或整体连接。其作用于是抽油机将油层石油经油管输送到地面。主要材质为J55、N80、P110、以及抗硫化氢腐蚀的C90、 美国石油学会编制并发布的，在世界各地通用。

　　钢管重量公式:[(外径-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米(每米的重量)

　　15CrMo钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性(δb≥440MPa)和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。

　　15CrMo焊接性

　　焊接材料

　　针对15CrMo钢的焊接性的工作特点，根据以往的经验，参照国外提供的焊接工艺卡，我们选择了两种方案进行焊接试验。

　　方案Ⅰ：焊接预热，采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E8018-B2焊条，焊条电弧焊盖面，焊后进行局部热处理。

　　方案Ⅱ：采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E309Mo-16焊条，焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理。焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表1。

　　焊后热处理

　　采用方案Ⅰ焊接的试件，焊后应进行局部高温回火处理。热处理的工艺为：升温速度为200℃/h，升到715℃保温1小时15分钟，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷。具体采用JL-4型履带式电加热器(1146×310)包绕焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，温度控制采用DJK-A型电加热器自动控温仪。

　　焊接工艺评定试验结果

　　试验方案 拉伸试验 弯曲试验 冲击韧性试验aky(J/cm2)

　　抗拉强度δb/Mpa 断裂部位 弯曲角度 面弯 背弯 焊缝 熔合线 热影响区(HAZ)

　　方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6

　　方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7

　　15CrMo焊接工艺

　　2.1 焊接材料

　　针对15CrMo钢的焊接性及现场高压管道的工作特点，根据以往的经验，参照国外提供的焊接工艺卡，我们选择了两种方案进行焊接试验。

　　方案Ⅰ：焊接预热，采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E8018-B2焊条，焊条电弧焊盖面，焊后进行局部热处理。

　　方案Ⅱ：采用ER80S-B2L焊丝，T1G焊打底，E309Mo-16焊条，焊条填充电弧焊盖面，焊后不进行热处理。焊丝和焊条的化学成分及力学性能见表1。

　　表1 焊接材料的化学成分和力学性能

　　型号 C Mn Si Cr Ni Mo S P δb/Mpa δ,%

　　ER80S-B2L≤0.05 0.70.41.2 <0.20.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤500 25

　　E8018-B2 0.070.7 0.3 1.1 0.5 ≤0.04 ≤0.03 550 19

　　E309Mo-16≤0.12 0.5～2.5 0.9 22.0～25.0 12.0～14.0 2.0～3.0≤0.025≤0.035 550 25

　　2.2 焊前准备

　　试件采用15CrMo钢管,规格为φ325×25，坡口型式及尺寸见图1。

　　焊前用角向磨光机将坡口内外及坡口边缘50mm范围内打磨至露出金属光泽，然后用丙酮清洗干净。

　　试件为水平固定位置，对口间隙为4mm，采用手工钨极氩弧焊沿园周均匀点焊六处，每处点固长度应不小于20mm。焊条按表2的规范进行烘烤。

　　表2 焊条烘烤规范

　　焊条型号 烘烤温度 保温时间

　　E8018-B2 300 ℃ 2h

　　E309Mo-16 150 ℃ 1.5h

　　2.3 焊接工艺参数

　　按方案Ⅰ焊前需进行预热，根据Tto-Bessyo等人提出的计算预热温度公式：

　　To=350√[C]-0.25(℃) 式中，To——预热温度，℃。

　　[C]=[C]x [C]p [C]p=0.005S[C]x

　　[C]x=C (Mn Cr)/9 Ni/18 7Mo/90 式中，

　　[C]x——成分碳当量;

　　[C]p——尺寸碳当量; S——试件厚度(本文中S=25mm);

　　[C]x=C (Mn Cr)/9 7/90Mo=0.361

　　[C]p=0.045 则To=138℃

　　因此预热温度选为150℃。采用氧-乙炔焰对试件进行加温，先用测温笔粗略判断试件表面的的温度(以笔迹颜色变化快慢进行估计)，最后用半导体点温计测定，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度。

　　焊接时，第一层采用手工钨极氩弧焊打底，为避免仰焊处焊缝背面产生凹陷，送丝时采用内填丝法，即焊丝通过对口间隙从管内送入。其余各层采用焊条电弧焊，共焊6层，每个焊层一条焊道。方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工艺参数见表3、4。按方案Ⅰ焊

　　表3 方案Ⅰ的焊接工艺参数

　　焊道名称 焊接方法 焊接材料 焊材规格/mm 焊接电流/A 电弧电压/V 预热及层间温度 热处理规范

　　打底层 钨板氩弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12

　　填充层 焊条电弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25150℃ 715。×75min

　　盖面层 焊条电弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25

　　表4 方案Ⅱ的焊接工艺参数

　　焊道名称 焊接方法 焊接材料 焊材规格/mm 焊接电流/A 电弧电压/V 预热及层间温度 热处理规范

　　打底层 钨板氩弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12

　　填充层 焊条电弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24 / /

　　盖面层 焊条电弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24

　　接时，层间温度应不低于150℃，为防止中断焊接而引起试件的降温，施焊时应由二名焊工交替操作，焊后应立即采取保温缓冷措施。

　　2.4 焊后热处理

　　采用方案Ⅰ焊接的试件，焊后应进行局部高温回火处理。热处理的工艺为：升温速度为200℃/h，升到715℃保温1小时15分钟，降温速度100℃/h，降到300℃后空冷。具体采用JL-4型履带式电加热器(1146×310)包绕焊缝，用硅酸铝棉层保温，保温层厚度50mm，温度控制采用DJK-A型电加热器自动控温仪。

　　3 焊接工艺评定试验

　　试件焊后按JB4730-94《压力容器无损检测》标准进行100%的超声波探伤检验，焊缝Ⅰ级合格。按JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》标准进行焊接工艺评定试验。评定结果见表5。

　　表5 焊接工艺评定试验结果

　　试验方案 拉伸试验 弯曲试验 冲击韧性试验aky(J/cm2)

　　抗拉强度δb/Mpa 断裂部位 弯曲角度 面弯 背弯 焊缝 熔合线 热影响区(HAZ)

　　方案Ⅰ 550/530 母材 50。 合格 合格 84.8 162 135.6

　　方案Ⅱ 525/520 母材 50。 合格 合格 79.4 109.2 96.7

　　从拉伸试验结果可知，两种方案的拉伸试样全部断在母材，说明焊缝的抗拉强度高于母材;弯曲试验全部合格，说明焊缝的塑性较好。根据表5中的冲击韧性试验结果可知，方案Ⅰ的冲击韧性明显高于方案Ⅱ，证明方案Ⅰ的焊后热处理规范比较理想，高温回火不仅达到了改善接头组织和性能目的，而且使韧性与强度配合适当。从室温机械性能结果可知，所推荐的两种焊接工艺方案均可用于现场施工。方案Ⅰ采用了与母材成分接近的焊条，焊缝性能同母材匹配，焊缝应具有较高的热强性，焊缝在高温下长期使用不易破坏。难点是焊后热处理规范较为严格，回火温度和保温时间及加热和冷却速度控制不当反而会引起焊缝性能下降。方案Ⅱ采用了奥氏体不锈钢焊条施焊，虽然可以省去焊后热处理，但由于焊缝与母材膨胀系数不同，长期高温工作时可发生碳的扩散迁移现象，容易导致焊缝在熔合区发生破坏。因此，从使用可靠性考虑，现场采用方案Ⅰ施焊更为稳妥。

　　4 结论

　　15CrMo钢厚壁高压管的焊接采用两种焊接方案均为可行。为了保证焊缝性能同母材匹配且具有较高的热强性，采用方案Ⅰ效果更佳，关键是要严格控制焊后热处理工艺。