CN112475787A - 大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法 - Google Patents

大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，具体按照以下步骤实施：1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；2、对步骤1得到的冶金复合板进行破口加工；3、将经步骤2破口加工的冶金复合板制成管状；4、采用激光+冷金属过渡复合焊和埋弧自动焊工艺方法在相应破口处进行焊接，制成大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材，其中焊接过程对不锈钢层焊缝熔池长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护，不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为5～10mm，碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为1～3mm。通过本发明方法制备复合管材的效率更高，得到的复合管材焊缝性能更好。

Description

大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法
技术领域
本发明属于复合管材制备技术领域，涉及大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法。
背景技术
不锈钢/碳钢层状结构冶金复合管材，具有优良的界面结合强度，综合力学性能，能避免分层、塌陷等质量问题；最重要的是内层不锈钢具有优良抗腐蚀性能，一般酸性环境均能安全服役，且能满足腐蚀性介质储运要求，最大限度地实现材料的优势互补，显著降低管道建设成本，提高管道耐蚀性和安全可靠性，在各领域有非常巨大的市场价值和经济效益。
例如，城市饮用水，由于输送管材的腐蚀性问题，容易造成生活饮用水水质的二次污染，出现黄水、黑水等现象，严重影响市民的身体健康，为此我国全面实施的最新《生活饮用水卫生标准》和《城市给水工程规划规范》对城市饮用水水质和管网工程建设规划提出了新要求，将促使市政管网建设及改造更新工作加快发展。不锈钢/碳钢层状结构冶金复合管材的开发和应用，将有力保障生活饮用水的高品质，将有效解决我国超级大城市发展面临的高品质生活饮用水供给问题。对于城市间给、排水管网工程建设，不锈钢 /碳钢层状结构冶金复合管材是一种极具生命力的新型供水管材，其具有内防腐、使用寿命长、运行安全可靠等众多优点。另外，在能源化工领域，不锈钢/碳钢层状结构冶金复合管材的开发和应用，将很好解决我国酸性油气田能源的开采、集输和炼化中出现的储运设备腐蚀失效等问题，为国家油气开采和管网建设提供支撑。
目前，制管行业对于大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的生产制备，多采用TIG和SAW方法，即SAW焊接碳钢层，TIG焊接不锈钢层，焊接方法单一，焊接工艺适应性较差，焊接质量不稳定，焊缝性能多因热积累而变差，尤其体现在焊缝的韧性性能和抗晶间腐蚀性能上。例如，对于大壁厚 N08825/X65Φ610mm×(3+17.5)mm×8000mm奥氏体不锈钢/碳钢层状结构复合管材的焊接生产制备，其管线钢层采用SAW焊接，复合层不锈钢采用 TIG焊接，较低的TIG焊接效率(平均焊速80～120mm/min)将严重制约复合管材的生产制备，8500mm的管材，仅焊接就需要约1.5天时间。
发明内容
本发明的目的是提供大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，解决了现有技术中存在的焊接效率低，焊缝质量和性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是，大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行坡口加工；
步骤3、将经步骤2破口加工的冶金复合板制成管状；
步骤4、采用激光加冷金属过渡复合焊和自动埋弧焊(SAW焊)在对应破口处进行焊接，制成大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材，其中焊接过程对不锈钢层焊缝熔池长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护，不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为5～10mm，碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为1～3mm。
本发明的特点还在于：
步骤1中不锈钢层为304、304L、316、316L、N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、 443、446铁素体不锈钢。
步骤1中不锈钢层厚度为1～4mm。
步骤1中碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90 或X100碳素结构钢、压力容器钢或高强韧性管线钢。
步骤2中对大壁厚冶金复合板进行坡口加工具体为：对复合板两纵边进行“I+V”型坡口加工。
“I+V”型坡口的加工参数为：“V”型坡口位于碳钢层一侧，深度为 0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为10～28mm，“I”型坡口位于不锈钢层一侧且深度为10～26mm。
步骤3具体为：采用多道次渐进压制方法成管状，其中不锈钢层在管内侧，碳钢层在管外侧。
步骤4具体为：先采用激光加冷金属过渡复合焊接技术从不锈钢层一侧进行施焊，待内焊结束不锈钢层焊缝熔覆金属成形后再采用埋弧自动焊从碳钢层一侧进行焊接，形成碳钢层焊缝熔覆金属。
冷金属过渡焊焊材选用
Figure RE-GDA0002912329690000031
的ER309L焊丝，埋弧自动焊焊材选用 H08E，焊剂选用SJ101G。
本发明的有益效果是：本发明采用激光+冷金属过渡复合焊接方法，对于不锈钢层一侧的焊接，可实现一次穿透焊接成形，避免了传统焊接方法 (TIG焊)的多次填充，大大提高了焊接效率并能显著降低热积累，使得复合管材的生产制备效率成倍增加，焊缝质量和性能也有显著提高；
本发明针对大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材焊接生产给出了最佳焊接制备方法，实用性更强、适用范围更广。
附图说明
图1是通过本发明制备的复合管材的结构示意图；
图2是通过本发明制备得到的复合管材焊缝与传统方法钨极氩弧焊和埋弧自动焊方法得到的复合管材的焊缝在10℃下的冲击韧性性能对比图；
图3是本发明方法和传统方法钨极氩弧焊和埋弧自动焊方法生产制备同规格、同材质大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的焊接生产效率对比图。
其中，1为碳钢层；2为不锈钢层；3为不锈钢层焊缝熔覆金属；4为碳钢层焊缝熔覆金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将不锈钢层1和碳钢层2通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板，其中不锈钢层2为304、304L、316、316L、 N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、443、446铁素体不锈钢，不锈钢层2厚度为1～ 4mm，碳钢层1为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100 碳素结构钢、压力容器钢或高强韧性管线钢；
步骤2：对步骤1得到的大壁厚冶金复合板进行破口加工，具体为：对复合板两纵边进行“I+V”型坡口加工，坡口加工参数为：“V”型坡口位于碳钢层一侧，深度为0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为 10～28mm，“I”型坡口位于不锈钢层一侧且深度为10～26mm。
步骤3：将经步骤2坡口加工的冶金复合板采用多道次渐进压制方法压制成管状，其中不锈钢层在管内侧，碳钢层在管外侧；
步骤4：采用激光+冷金属过渡复合焊和埋弧自动焊方法在对应破口处进行焊接，制成大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材，其中焊接过程对不锈钢层焊缝熔池长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护，不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为5～10mm，碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为 1～3mm，焊接过程具体为：先采用激光+冷金属过渡复合焊接技术从不锈钢层一侧进行施焊，待内焊结束不锈钢层焊缝熔覆金属3成形后再采用埋弧自动焊从碳钢层一侧进行焊接，形成碳钢层焊缝熔覆金属4；其中，冷金属过渡焊焊材选用
Figure RE-GDA0002912329690000051
的ER309L焊丝，埋弧自动焊焊材选用H08E，焊剂选用SJ101G。
具体实例
参见图1，以“真空封焊+热轧+连续控轧控冷”技术制备的壁厚为28mm 的2205/X65大壁厚不锈钢/管线钢层状结构复合板为实验原料板材，2205不锈钢层厚度为3mm，X65管线钢层厚度为25mm，清理板材双面杂物、铁锈、硬块后进行Φ610×28mm 2205/X65不锈钢/管线钢层状结构复合管材的制造，具体步骤依次为：
步骤1：对2205/X65大壁厚不锈钢/管线钢层状结构复合板材进行两纵边“I+V”型坡口铣削加工，并对坡口两边10～20mm范围内再次进行表面清理，坡口加工具体参数为：“V”型坡口位于碳钢层一侧，深度为12mm，坡口夹角为60°，坡口外沿宽度为16mm，“I”型坡口位于不锈钢层一侧且深度为16mm；
步骤2：采用渐进压制方法压制成管状，坡口间隙为0，同时采用激光+ 冷金属过渡复合焊接技术从不锈钢层一侧即管材内部进行施焊，待内焊结束不锈钢层焊缝熔覆金属成型后再采用埋弧自动焊方法从外部碳钢层进行施焊，形成碳钢层焊缝熔覆金属。焊接过程对不锈钢层焊缝熔池长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护；
冷金属过渡焊焊材选用
Figure RE-GDA0002912329690000061
的ER309L焊丝；埋弧自动焊焊材选用 H08E，焊剂选用SJ101G。
焊接工艺参数如下表1和表2所示，焊缝性能如表3所示：
表1激光+冷金属过渡复合焊接参数
Figure RE-GDA0002912329690000062
表2埋弧自动焊焊接参数
Figure RE-GDA0002912329690000063
表3 2205/X65不锈钢/管线钢层状结构复合管材焊缝性能测试结果
Figure RE-GDA0002912329690000064
对于N08825/X65Φ610×(3+17.5)mm奥氏体不锈钢/管线钢层状结构复合管材的焊接生产制备，焊接工艺方案和方法不同，对复合管材焊缝质量和焊接生产效率产生严重影响。图2给出了，分别采用本发明方法和传统方法钨极氩弧焊和埋弧自动焊工艺方案，焊接生产N08825/X65Φ610mm× (3+17.5)mm×8000mm层状结构复合管材，焊缝在10℃下的冲击韧性性能对比情况；图3给出了本发明方法和传统方法的焊接生产效率对比情况。由图2和图3可明显看出通过本发明方法进行焊接生产得到的N08825/X65 Φ610×(3+17.5)mm奥氏体不锈钢/管线钢层状结构复合管材焊缝的冲击韧性性能明显更好，且焊接生产效率更高。

Claims (9)

1.大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将不锈钢层和碳钢层通过真空封焊、热轧、连续控轧控冷方式制备成层状结构冶金复合板；
步骤2、对步骤1得到的冶金复合板进行坡口加工；
步骤3、将经步骤2破口加工的冶金复合板制成管状；
步骤4、采用激光加冷金属过渡复合焊和自动埋弧焊工艺方法在相应破口处进行焊接，制成大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材，其中焊接过程对不锈钢层焊缝熔池长250mm、宽20mm范围内进行惰性气体保护，不锈钢层焊缝熔覆金属宽度为5～10mm，碳钢层焊缝熔覆金属宽度为10～30mm，余高为1～3mm。
2.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中不锈钢层为304、304L、316、316L、N08825、N06625奥氏体不锈钢或3RE60、SAF2304、SAF2205铁素体-奥氏体双相不锈钢或AISI442、443、446铁素体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中不锈钢层厚度为1～4mm。
4.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，步骤1中碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素结构钢、压力容器钢或高强韧性管线钢。
5.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述步骤2中对大壁厚冶金复合板进行坡口加工具体为：对复合板两纵边进行“I+V”型坡口加工。
6.根据权利要求5所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述“I+V”型坡口的加工参数为：“V”型坡口位于碳钢层一侧，深度为0～24mm，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为10～28mm，“I”型坡口位于不锈钢层一侧且深度为10～26mm。
7.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：采用多道次渐进压制方法成管状，其中不锈钢层在管内侧，碳钢层在管外侧。
8.根据权利要求1所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：先采用激光加冷金属过渡复合焊接技术从不锈钢层一侧进行施焊，待内焊结束不锈钢层缝熔覆金属成型后再采用埋弧自动焊从碳钢层一侧进行焊接，形成碳钢焊缝熔覆金属。
9.根据权利要求8所述的大壁厚不锈钢/碳钢层状结构复合管材的制备方法，其特征在于，所述冷金属过渡焊焊材选用
Figure FDA0002737826560000021
的ER309L焊丝，埋弧自动焊焊材选用H08E，焊剂选用SJ101G。
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