彭立山，楊瑋瑋，趙志偉，張海波，白雷杰，劉 旭，王 飛

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司管件分公司，河北 青縣 062658；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備研究院鋼管研究所，河北 青縣 062658）

近年來(lái)，隨著我國(guó)油氣管線產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，油氣輸送鋼管正在向高鋼級(jí)、大壁厚、高壓力的方向發(fā)展。彎管的制造是管道鋪設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，以其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)越來(lái)越受到重視。目前，彎管的煨制多采用中頻感應(yīng)加熱的工藝來(lái)完成［1-3］，但隨著壁厚的不斷增大，彎管的制造難度也直線上升，特別是如何保證厚壁彎管的壁厚中心能夠達(dá)到所需的強(qiáng)度。因此，隨著彎管壁厚的不斷增大，最初用于鋼管表面熱處理的感應(yīng)加熱工藝會(huì)對(duì)彎管的生產(chǎn)造成怎樣的影響，以及是否具有廣泛的適用性，已經(jīng)成為彎管生產(chǎn)企業(yè)必須解決的新問(wèn)題［4-5］。

本文從理論和實(shí)踐兩方面入手，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了探討，并用一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證中頻感應(yīng)加熱生產(chǎn)的厚壁彎管內(nèi)、外層之間存在組織與性能的差異，為業(yè)界提供一些參考。

1 理論分析

感應(yīng)加熱是一種利用電磁感應(yīng)原理，把坯料放在交變磁場(chǎng)中，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生焦耳熱來(lái)加熱坯料的方法。當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)直流電流時(shí)，電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的；但當(dāng)交變電流特別是中、高頻電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流的分布是不均勻的，越接近導(dǎo)體表面處電流密度越大，越接近導(dǎo)體中心處電流密度越小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)或集膚效應(yīng)，即電流有趨于導(dǎo)體表面的現(xiàn)象［6］。

由于中頻感應(yīng)加熱線圈在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流是交變的，因而處于線圈中心的彎管也存在集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)的存在決定了電流分布以彎管表面最強(qiáng)，在徑向從外到里按指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小。這種電流不均勻分布的現(xiàn)象，隨電流頻率升高而更加顯著。將由外而內(nèi)、由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的電流折合成按電流密度分布的形式，其寬度即為透入深度。距物體表面x處的電流密度可用公式（1）計(jì)算，即：

式中Ix——距物體表面x處的電流密度，A/cm2；

I0——導(dǎo)體表面的電流密度，A/cm2；

x——表面到測(cè)量處的距離，cm；

δ——電流透入深度，cm。

當(dāng)x=δ時(shí)，Ix=I0e-1=0.368I0，即電流透入深度是電流密度降低到表面的36.8%時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)到彎管表面的距離，感應(yīng)電流分布曲線如圖1所示。由圖1可以看出距鋼管表面5倍透入深度處的電流接近0。

圖1 感應(yīng)電流分布曲線

根據(jù)理論計(jì)算，在感應(yīng)加熱時(shí)，86.5%的功率是在電流透入深度內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能的；因此電流透入深度δ成為選擇加熱電流頻率的重要參數(shù)。電流透入深度δ可用公式（2）計(jì)算，即：

式中 ρ——被加熱物體電阻率，Ω·cm；μr——被加熱物體的相對(duì)磁導(dǎo)率；

f——電流頻率，Hz。

另外，除了加熱環(huán)節(jié)之外，其后的噴水冷卻也是由外而內(nèi)作用的，如圖2所示。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家都采用外部噴水方式進(jìn)行淬火冷卻，冷卻的過(guò)程也是由外到內(nèi)，對(duì)于厚壁彎管來(lái)說(shuō)，在內(nèi)外壁部分不可避免地存在冷卻速度的差別。

圖2 感應(yīng)線圈及加熱、冷卻

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)：在厚壁彎管的淬火過(guò)程中，加熱和冷卻都要依靠外層向內(nèi)層傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么在厚壁彎管的內(nèi)層與外層間，必然存在組織和性能尤其是強(qiáng)度性能上的差異。選取X80鋼級(jí)、壁厚為33.8 mm的彎管母管進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)管化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用全管體淬火+回火的處理工藝，熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

牟澤雄：對(duì)于書(shū)法創(chuàng)作和展覽中過(guò)度“制作”的問(wèn)題，近年來(lái)中國(guó)書(shū)法家協(xié)會(huì)的展覽征稿通知中也特別強(qiáng)調(diào)“拒絕過(guò)度的制作”，中國(guó)書(shū)協(xié)所說(shuō)的“過(guò)度”似乎并不完全排斥“制作”。聯(lián)方兄是中國(guó)書(shū)法家協(xié)會(huì)教育委員會(huì)委員，你對(duì)此怎么看？

表1 試驗(yàn)管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 試驗(yàn)管熱處理工藝參數(shù)

3 組織分析

首先從淬火后的彎管上取一組試樣進(jìn)行金相組織分析，觀察其組織特征（取樣位置為直管段外弧側(cè)），淬火態(tài)彎管不同壁厚處的金相組織如圖3所示。

從圖3可以看出：靠近外表面位置的組織為板條狀貝氏體，而內(nèi)表面的組織為粒狀貝氏體，M/A組織逐漸由線狀分布向島狀分布轉(zhuǎn)變，到達(dá)中間位置時(shí)板條狀貝氏體組織幾乎消失不見(jiàn)。同時(shí)，外層可以看到明顯的原奧氏體晶界，其尺寸由外向內(nèi)逐漸變小，并且越靠近外側(cè)，其組織與晶粒尺寸的差異越大。

圖3 淬火態(tài)彎管不同壁厚處的金相組織

從以上現(xiàn)象可以推斷出不同壁厚處加熱溫度與冷卻速度的差異對(duì)組織的演變產(chǎn)生了明顯的影響，特別是溫度的影響［7］。外層有明顯的原奧氏體晶界存在且尺寸較大，而內(nèi)層則由于加熱溫度低、保溫時(shí)間短，晶粒長(zhǎng)大并不均勻。但外層的組織差異相比內(nèi)層的大，這是由于外層為透入式加熱，電流密度隨x的增大而迅速減小，而內(nèi)層更多依靠傳導(dǎo)加熱，溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)更為接近。

對(duì)圖3對(duì)應(yīng)的5個(gè)位置進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，每個(gè)位置測(cè)量3個(gè)值，計(jì)算其平均值并繪制成曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出：從外到內(nèi)硬度逐漸下降，并且趨勢(shì)與圖1中的電流密度分布基本一致，說(shuō)明外表面由于加熱溫度較高合金溶解較充分，在冷卻時(shí)發(fā)生低溫轉(zhuǎn)變行為，因此其硬相數(shù)量更多。越靠近外表面，硬度值的變化幅度越大；這與組織的分布特點(diǎn)相符，也說(shuō)明了感應(yīng)電流加熱對(duì)彎管不同壁厚處的影響不同［8-9］。

圖4 淬火態(tài)彎管不同壁厚處硬度變化曲線

彎管回火處理后在同樣位置取樣進(jìn)行試驗(yàn)，回火態(tài)彎管不同壁厚處的金相組織如圖5所示。

從圖5可以看出：在彎管各處，M/A均發(fā)生了不同程度的溶解，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹭愂象w組織。外層更加明顯，由于低溫轉(zhuǎn)變組織的特點(diǎn)使其在回火時(shí)，殘余奧氏體能夠在較低溫度時(shí)率先發(fā)生溶解，生成碳化物和鐵素體。內(nèi)部的高溫轉(zhuǎn)變組織的變化則相對(duì)要慢一些［10］，由于回火并不能使原奧氏體晶界發(fā)生改變，因此晶粒大小不均的特點(diǎn)仍然保留。

測(cè)試回火態(tài)彎管不同壁厚處的硬度，結(jié)果如圖6所示。

與淬火態(tài)的特點(diǎn)一樣，回火態(tài)的試樣由外到內(nèi)也呈硬度逐漸降低的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比兩種狀態(tài)下的硬度，可以發(fā)現(xiàn)除了外層的硬度由淬火態(tài)的301 HV10降至回火態(tài)的265 HV10之下，其余部位的硬度在回火前后變化很小。這是由于雖然硬相發(fā)生了部分溶解，但回火過(guò)程中，部分元素的析出起了強(qiáng)化作用，對(duì)強(qiáng)度和硬度有一定彌補(bǔ)。在外層，M/A的溶解程度更高，起主要影響作用。

圖5 回火態(tài)彎管不同壁厚處的金相組織

圖6 回火態(tài)彎管不同壁厚處硬度變化曲線

4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

為了近一步驗(yàn)證中頻淬火工藝造成的組織差異以及對(duì)性能的影響，對(duì)彎管不同壁厚處進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)仍針對(duì)直管段外弧側(cè)進(jìn)行，分別在靠近外表面、壁厚中心、內(nèi)表面的3個(gè)位置取棒狀拉伸試樣，取樣方向包括橫向與縱向，試樣標(biāo)距部分直徑為12.7 mm。橫向拉伸試驗(yàn)取樣位置如圖7所示。

圖7 橫向拉伸試驗(yàn)取樣位置示意

在Instron 5585H型材料試驗(yàn)機(jī)上，按GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)［11］進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。對(duì)3組試樣的強(qiáng)度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出：彎管的不同壁厚位置存在著拉伸性能的差異，外層的加熱溫度最高，合金元素在奧氏體內(nèi)溶解最為充分，組織中的位錯(cuò)密度更大，其強(qiáng)度值相對(duì)最高，中心部位的要低一些，內(nèi)層的最低?？估瓘?qiáng)度的差異比屈服強(qiáng)度的差異更明顯，外層的差異比內(nèi)層的差異明顯。這與前面硬度測(cè)試結(jié)果的特征是一致的。

圖8 橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）感應(yīng)加熱彎管的工藝特點(diǎn)，決定了在煨制厚壁彎管時(shí)，在管壁的內(nèi)外表面之間存在加熱溫度與冷卻速度的差距，造成組織與性能的差異。

（2）中頻淬火的集膚效應(yīng)在不同壁厚處造成的溫度差異起著主要的作用。

（3）外層的加熱溫度較高，使合金元素溶解最為充分，因此強(qiáng)度性能相對(duì)于其他位置更高。

（4）內(nèi)層的電流密度較低，更多地依靠熱傳導(dǎo)作用來(lái)進(jìn)行加熱，因此溫度較低。

（5）高鋼級(jí)、大壁厚的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)彎管生產(chǎn)提出了更高的要求。從西氣東輸二線時(shí)彎管最大壁厚29.1 mm，到如今新粵浙輸氣管線的彎管壁厚已達(dá)37.9 mm。在同樣的高鋼級(jí)要求下，如何保證厚壁彎管中心部位的強(qiáng)度性能，已成為彎管生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵所在。中頻加熱的工藝特點(diǎn)決定了其有限的透入深度，而依靠熱傳導(dǎo)來(lái)加熱的壁厚中心與內(nèi)層要獲得足夠高的加熱溫度，則需要延長(zhǎng)加熱時(shí)間來(lái)完成熱傳導(dǎo)過(guò)程，但是，這使得彎管外層在高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起過(guò)熱，導(dǎo)致外層的硬化和脆化，從而對(duì)性能產(chǎn)生不利的影響。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本試驗(yàn)采用的彎管經(jīng)淬火+回火處理后，外層的平均硬度值遠(yuǎn)高于壁厚中心與內(nèi)層，已接近西氣東輸二線硬度上限標(biāo)準(zhǔn)（285 HV），并且內(nèi)、外層晶粒度相差約1倍，從一定程度上說(shuō)明其韌性已惡化［12］。因此，面對(duì)高鋼級(jí)、大壁厚的發(fā)展趨勢(shì)，如何改進(jìn)現(xiàn)有彎管煨制技術(shù)，使其與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)市場(chǎng)的需求，需要業(yè)內(nèi)同仁的共同努力。

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