15CrMo無縫鋼管可回收，符合環保、節能、節約資源的國家戰略，國家政策鼓勵擴大15CrMo無縫鋼管的套用領域。
基本介紹
- 中文名：15CrMo無縫鋼管
- 特點：環保、節能、節約資源
- 材質：15CrMo鋼厚壁高壓管
- 優點：可回收
目前我國15CrMo無縫鋼管消費量占鋼材總量的比重僅為已開發國家的一半，15CrMo無縫鋼管使用領域擴大為行業發展提供更廣闊的空間。根據中國特鋼協會15CrMo無縫鋼管分會的研究，未來我國高壓15CrMo無縫鋼管長材的需求年均增長可達10-12%。
1. 無縫鋼管
因其製造工藝不同，又分為熱軋（擠壓）無縫鋼管和冷拔（軋）無縫鋼管兩種。冷拔（軋）管又分為圓形管和異形管兩種。
a． 工藝流程概述
熱軋（擠壓無縫鋼管）：圓管坯→加熱→穿孔→三輥斜軋、連軋或擠壓→脫管→定徑（或減徑）→冷卻→坯管→矯直→水壓試驗（或探傷）→標記→入庫。
冷拔（軋）無縫鋼管：圓圓管坯→加熱→穿孔→打頭→退火→酸洗→塗油（鍍銅）→多道次冷拔（冷軋）→坯管→熱處理→矯直→水壓試驗（探傷）→標記→入庫。
b．無縫鋼管，因其用途不同而分為如下若干品種：
GB/T8162-2008（結構用無縫鋼管）。主要用於一般結構和機械結構。其代表材質（牌號）：碳素鋼20、45號鋼；合金鋼Q345、20Cr、40Cr、20CrMo、30-35CrMo、42CrMo等。
GB/T8163-2008（輸送流體用無縫鋼管）。主要用於工程及大型設備上輸送流體管道。代表材質（牌號）為20、Q345等。
GB3087-2008（低中壓鍋爐用無縫鋼管）。主要用於工業鍋爐及生活鍋爐輸送低中壓流體的管道。代表材質為10、20號鋼。
GB5310-2008（高壓鍋爐用無縫鋼管）。主要用於電站及核電站鍋爐上耐高溫、高壓的輸送流體集箱及管道。代表材質為20G、15CrMoG、15CrMoG等。
GB5312-1999（船舶用碳鋼和碳錳鋼無縫鋼管）。主要用於船舶鍋爐及過熱器用I、II級耐壓管等。代表材質為360、410、460鋼級等。
GB6479-2000（高壓化肥設備用無縫鋼管）。主要用於化肥設備上輸送高溫高壓流體管道。代表材質為20、16Mn、12CrMo、12Cr2Mo等。
GB9948-2006（石油裂化用無縫鋼管）。主要用於石油冶煉廠的鍋爐、熱交換器及其輸送流體管道。其代表材質為20、12CrMo、1Cr5Mo、1Cr19Ni11Nb等。
GB18248-2000（氣瓶用無縫鋼管）。主要用於製作各種燃氣、液壓氣瓶。其代表材質為37Mn、34Mn2V、35CrMo等。
GB/T17396-1998（液壓支柱用熱軋無縫鋼管）。主要用於製作煤礦液壓支架和缸、柱，以及其它液壓缸、柱。其代表材質為20、45、27SiMn等。
GB3093-1986（柴油機用高壓無縫鋼管）。主要用於柴油機噴射系統高壓油管。其鋼管一般為冷拔管，其代表材質為20A。
GB/T3639-1983（冷拔或冷軋精密無縫鋼管）。主要用於機械結構、碳壓設備用的、要求尺寸精度高、表面光潔度好的鋼管。其代表材質20、45鋼等。
GB/T3094-1986（冷拔無縫鋼管異形鋼管）。主要用於製作各種結構件和零件，其材質為優質碳素結構鋼和低合金結構鋼。
GB/T8713-1988（液壓和氣動筒用精密內徑無縫鋼管）。主要用於製作液壓和氣動缸筒用的具有精密內徑尺寸的冷拔或冷軋無縫鋼管。其代表材質為20、45鋼等。
GB13296-1991（鍋爐、熱交換器用不鏽鋼無縫鋼管）。主要用於化工企業的鍋爐、過熱器、熱交換器、冷凝器、催化管等。用的耐高溫、高壓、耐腐蝕的鋼管。其代表材質為0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。
GB/T14975-1994（結構用不鏽鋼無縫鋼管）。主要用於一般結構（賓館、飯店裝飾）和化工企業機械結構用的耐大氣、酸腐蝕並具有一定強度的鋼管。其代表材質為0-3Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti等。
GB/T14976-1994（流體輸送用不鏽鋼無縫鋼管）。主要用於輸送腐蝕性介質的管道。代表材質為0Cr13、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等。
YB/T5035-1993（汽車半軸套管用無縫鋼管）。主要用於製作汽車半軸套管及驅動橋橋殼軸管用的優質碳素結構鋼和合金結構鋼熱軋無縫鋼管。其代表材質為45、45Mn2、40Cr、20CrNi3A等。
API SPEC5CT-1999（套管和油管規範），是美國石油學會（American Petreleum Instiute, 簡稱"API"）編制並發布的在世界各地通用。其中： 套管：由地表面伸進鑽井內，作為井壁襯的管子，其管子之間通過接箍連線。主要材質為J55、N80、P110等鋼級，以及抗硫化氫腐蝕的C90、T95等鋼級。其低鋼級（J55、N80）可為焊接鋼管。油管：由地表面插入套管內直至油層的管子，其管子之間通過接箍或整體連線。其作用於是抽油機將油層石油經油管輸送到地面。主要材質為J55、N80、P110、以及抗硫化氫腐蝕的C90、 美國石油學會編制並發布的，在世界各地通用。
鋼管重量公式:[(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米(每米的重量)
15CrMo鋼系珠光體組織耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強性（δb≥440MPa）和抗氧化性，並具有一定的抗氫腐蝕能力。由於鋼中含有較高含量的Cr、C和其它合金元素，鋼材的淬硬傾向較明顯，焊接性差。
15CrMo焊接性
焊接材料
針對15CrMo鋼的焊接性的工作特點，根據以往的經驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。
方案Ⅰ：焊接預熱，採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊後進行局部熱處理。
方案Ⅱ：採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊後不進行熱處理。焊絲和焊條的化學成分及力學性能見表1。
焊後熱處理
採用方案Ⅰ焊接的試件，焊後應進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃後空冷。具體採用JL-4型履帶式電加熱器（1146×310）包繞焊縫，用矽酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制採用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。
焊接工藝評定試驗結果
試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 衝擊韌性試驗aky（J/cm2）
抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(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焊接工藝
2.1 焊接材料
針對15CrMo鋼的焊接性及現場高壓管道的工作特點，根據以往的經驗，參照國外提供的焊接工藝卡，我們選擇了兩種方案進行焊接試驗。
方案Ⅰ：焊接預熱，採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E8018-B2焊條，焊條電弧焊蓋面，焊後進行局部熱處理。
方案Ⅱ：採用ER80S-B2L焊絲，T1G焊打底，E309Mo-16焊條，焊條填充電弧焊蓋面，焊後不進行熱處理。焊絲和焊條的化學成分及力學性能見表1。
表1 焊接材料的化學成分和力學性能
型號 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 焊前準備
試件採用15CrMo鋼管,規格為φ325×25，坡口型式及尺寸見圖1。
焊前用角向磨光機將坡口內外及坡口邊緣50mm範圍內打磨至露出金屬光澤，然後用丙酮清洗乾淨。
試件為水平固定位置，對口間隙為4mm，採用手工鎢極氬弧焊沿園周均勻點焊六處，每處點固長度應不小於20mm。焊條按表2的規範進行烘烤。
表2 焊條烘烤規範
焊條型號 烘烤溫度 保溫時間
E8018-B2 300 ℃ 2h
E309Mo-16 150 ℃ 1.5h
2.3 焊接工藝參數
按方案Ⅰ焊前需進行預熱，根據Tto-Bessyo等人提出的計算預熱溫度公式：
To=350√[C]-0.25（℃） 式中，To——預熱溫度，℃。
[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——成分碳當量；
[C]p——尺寸碳當量； S——試件厚度（本文中S=25mm）;
[C]x=C （Mn Cr）/9 7/90Mo=0.361
[C]p=0.045 則To=138℃
因此預熱溫度選為150℃。採用氧-乙炔焰對試件進行加溫，先用測溫筆粗略判斷試件表面的的溫度（以筆跡顏色變化快慢進行估計），最後用半導體點溫計測定，測量點至少應選擇三點，以保證試件整體均達到所要求的預熱溫度。
焊接時，第一層採用手工鎢極氬弧焊打底，為避免仰焊處焊縫背面產生凹陷，送絲時採用內填絲法，即焊絲通過對口間隙從管內送入。其餘各層採用焊條電弧焊，共焊6層，每個焊層一條焊道。方案Ⅰ和方案Ⅱ的焊接工藝參數見表3、4。按方案Ⅰ焊
表3 方案Ⅰ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規範
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25150℃ 715。×75min
蓋面層 焊條電弧焊 E8018-B2 φ3.2 5 85～90 23～25
表4 方案Ⅱ的焊接工藝參數
焊道名稱 焊接方法 焊接材料 焊材規格/mm 焊接電流/A 電弧電壓/V 預熱及層間溫度 熱處理規範
打底層 鎢板氬弧焊 ER80S-B2L φ2.4 110 12
填充層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24 / /
蓋面層 焊條電弧焊 E309Mo-16 φ3.2 90～95 22～24
接時，層間溫度應不低於150℃，為防止中斷焊接而引起試件的降溫，施焊時應由二名焊工交替操作，焊後應立即採取保溫緩冷措施。
2.4 焊後熱處理
採用方案Ⅰ焊接的試件，焊後應進行局部高溫回火處理。熱處理的工藝為：升溫速度為200℃/h，升到715℃保溫1小時15分鐘，降溫速度100℃/h，降到300℃後空冷。具體採用JL-4型履帶式電加熱器（1146×310）包繞焊縫，用矽酸鋁棉層保溫，保溫層厚度50mm，溫度控制採用DJK-A型電加熱器自動控溫儀。
3 焊接工藝評定試驗
試件焊後按JB4730-94《壓力容器無損檢測》標準進行100%的超音波探傷檢驗，焊縫Ⅰ級合格。按JB4708《鋼製壓力容器焊接工藝評定》標準進行焊接工藝評定試驗。評定結果見表5。
表5 焊接工藝評定試驗結果
試驗方案 拉伸試驗 彎曲試驗 衝擊韌性試驗aky（J/cm2）
抗拉強度δb/Mpa 斷裂部位 彎曲角度 面彎 背彎 焊縫 熔合線 熱影響區(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
從拉伸試驗結果可知，兩種方案的拉伸試樣全部斷在母材，說明焊縫的抗拉強度高於母材；彎曲試驗全部合格，說明焊縫的塑性較好。根據表5中的衝擊韌性試驗結果可知，方案Ⅰ的衝擊韌性明顯高於方案Ⅱ，證明方案Ⅰ的焊後熱處理規範比較理想，高溫回火不僅達到了改善接頭組織和性能目的，而且使韌性與強度配合適當。從室溫機械性能結果可知，所推薦的兩種焊接工藝方案均可用於現場施工。方案Ⅰ採用了與母材成分接近的焊條，焊縫性能同母材匹配，焊縫應具有較高的熱強性，焊縫在高溫下長期使用不易破壞。難點是焊後熱處理規範較為嚴格，回火溫度和保溫時間及加熱和冷卻速度控制不當反而會引起焊縫性能下降。方案Ⅱ採用了奧氏體不鏽鋼焊條施焊，雖然可以省去焊後熱處理，但由於焊縫與母材膨脹係數不同，長期高溫工作時可發生碳的擴散遷移現象，容易導致焊縫在熔合區發生破壞。因此，從使用可靠性考慮，現場採用方案Ⅰ施焊更為穩妥。
4 結論
15CrMo鋼厚壁高壓管的焊接採用兩種焊接方案均為可行。為了保證焊縫性能同母材匹配且具有較高的熱強性，採用方案Ⅰ效果更佳，關鍵是要嚴格控制焊後熱處理工藝。
方案Ⅱ雖可省去焊後熱處理，但焊縫在高溫下發生碳的遷移擴散而導致焊縫破壞的可能性不容忽視，因此，只有在焊後無法進行熱處理時才慎重採用。無縫鋼管尺寸及允許偏差
偏差等級 | 標準化外徑允許偏差 |
D1 | ±1.5%，最小±0.75 mm |
D2 | ±1.0%。最小±0.50 mm |
D3 | ±0.75%．最小±0.30 mm |
D4 | ±0.50%。最小±0.10 mm |
無縫鋼管重量公式：[(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/每米（每米的重量）
