标题：15CrMo无缝钢管
概述
15CrMo无缝钢管可回收，符合环保、节能、节约资源的国家战略，国家政策鼓励扩大15CrMo无缝钢管的应用领域。 　目前我国  15CrMo无缝钢管消费量占钢材总量的比重仅为发达国家的一半，15CrMo无缝钢管使用领域扩大为行业发展提供更广阔的空间。根据中国特钢协会15CrMo无缝钢管分会的研究，未来我国高压15CrMo无缝钢管长材的需求年均增长可达10-12%。 
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，
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
焊后热处理
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。 退火是将15CrMo无缝钢管加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使15CrMo无缝钢管内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或 者为进一步淬火作组织准备。　　
热处理
正火是将15CrMo无缝钢管加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理[1]。 
淬火是将15CrMo无缝钢管加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后冷轧精密光亮钢管变硬，但同时变脆。
为了降低15CrMo无缝钢管的脆性，将淬火后的15CrMo无缝钢管在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。
“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。
把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使15CrMo无缝钢管获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使15CrMo无缝钢管不氧化，不脱碳，保持处理后冷轧精密光亮钢管表面光洁，提高15CrMo无缝钢管的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。
表面热处理是只加热15CrMo无缝钢管表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热冷轧精密光亮钢管表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的15CrMo无缝钢管上给予较大的热能，使15CrMo无缝钢管管表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
化学热处理是通过改变15CrMo无缝钢管表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。
热处理是机械15CrMo无缝钢管和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高15CrMo无缝钢管的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于行各种冷、热加工。
例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用
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。 
方案Ⅱ虽可省去焊后热处理，但焊缝在高温下发生碳的迁移扩散而导致焊缝破坏的可能性不容忽视，因此，只有在焊后无法进行热处理时才慎重采用。无缝钢管尺寸及允许偏差
偏差等级
标准化外径允许偏差
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
无缝钢管重量公式：[(外径-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/每米（每米的重量）