1 海底用管線鋼管及其焊材

1.1 深水用管線鋼的概況與發(fā)展趨勢(shì)

海底管道在國(guó)外發(fā)展很快，自1954年美國(guó)在墨西哥灣覆設(shè)世界第一條海底管道以來，北海、黑海、地中海、巴西等海洋油氣田被相繼發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，全世界海底管道工程得到蓬勃發(fā)展。目前世界最長(zhǎng)的海底管道是挪威至英國(guó)的朗格勒得北海管道，總長(zhǎng)度1 200 km，管徑1 016 mm，壁厚34.1 mm，材質(zhì)X70，最大工作壓力25 MPa，最大水深1 000 m。目前世界最深海底管道是美國(guó)墨西哥灣東部灣的獨(dú)立管道，水深為2 454 m，其管徑為610 mm，壁厚34.3 mm，材質(zhì)X65，最大工作壓力25 MPa。目前世界深水管道的典型水深為2 500 m，正面臨3 000 m及以上深度的挑戰(zhàn)。

中國(guó)擁有300萬(wàn)平方千米的海洋面積，油氣資源儲(chǔ)量豐富，僅南海海域探明的油氣儲(chǔ)量達(dá)到220億桶當(dāng)量，是墨西哥灣的兩倍。政府開始加大海洋油氣資源的開發(fā)力度，在“十二五”發(fā)展綱要中，明確提出要重點(diǎn)扶持海洋裝備制造產(chǎn)業(yè)，并出臺(tái)了一系列扶持政策。與此相適應(yīng)的南海荔灣3-1項(xiàng)目已于2009年啟動(dòng)，預(yù)計(jì)2014年竣工投產(chǎn)，總投資規(guī)模100億美元。該氣田水深為1 410 m（最深），海底管道分深水和淺水兩段，鋼管均已完成供貨任務(wù)，其中淺水段265 km由珠江鋼管有限公司和國(guó)內(nèi)其他兩家管廠共同完成供貨，而深水段150 km由珠江鋼管公司獨(dú)家完成供貨，這也是國(guó)內(nèi)制管企業(yè)第一次提供1 500 m深海用海底管線。深海段管徑為559 mm，壁厚22～27 mm（彎管用母管壁厚31.8 mm），材質(zhì)X65，最大工作壓力29.4 MPa，年運(yùn)行時(shí)間350天，使用年限50年。

1.2 深海管線鋼管的特點(diǎn)

海底管道與陸地管道有很大差異，海底管道除了考慮管道正常運(yùn)行中承受的工作載荷外，還需考慮管道鋪設(shè)過程中承受的拉伸屈曲應(yīng)力和鋪設(shè)完成后的殘余應(yīng)力，以及運(yùn)行過程中環(huán)境載荷對(duì)管道的影響，如外水壓力、風(fēng)、海浪、暗流、地震等對(duì)管道造成的平移和振動(dòng)。為滿足應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)需求，使鋼管獲得最大的臨界應(yīng)變屈曲能力，要求鋼管具有足夠小的D/t（即徑厚比），因此小直徑和大壁厚是深海管線鋼管的主要特點(diǎn)。海水深度與管徑的關(guān)系如表1所示。由表1可以看出，隨水深的增加，要求的徑厚比減小。

為適應(yīng)海底管道的安裝要求和服役條件，海底管線在成分設(shè)計(jì)和性能方面要求更為嚴(yán)格。主要特點(diǎn)有：①具有高的形變強(qiáng)化指數(shù)和均勻延伸率；②低的屈強(qiáng)比；③優(yōu)良的縱向拉伸性能；④低的鑄坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的斷口分離和層狀撕裂的幾率；⑤優(yōu)異的夏比沖擊、落錘撕裂和CTOD性能；⑥優(yōu)異的 焊接性；⑦嚴(yán)格的尺寸偏差和精度控制。為保證鋼管具有上述性能，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：低的碳含量、低的碳當(dāng)量、低的硫磷含量，其軋制工藝為TMCP。荔灣3-1項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)鋼板的典型化學(xué)成分如表2所示，力學(xué)性能如表3所示。

從化學(xué)成分和力學(xué)性能結(jié)果看，國(guó)產(chǎn)鋼板鋼質(zhì)純凈，性能優(yōu)良，斷裂韌性優(yōu)異，完全可滿足深海管線的使用性能。

1.3 深海X65鋼管的焊接材料及其焊接

深海管線在前期的試制過程中，采用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的焊接材料有針對(duì)性地進(jìn)行了大量的焊接X65厚壁板的試驗(yàn)研究，結(jié)果不能令人滿意。表現(xiàn)在：①焊縫中心熔合線的夏比沖擊吸收能量偏低，甚至不能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，更不能滿足應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二倍的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)；②現(xiàn)有焊接材料強(qiáng)度偏低，焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)斷在焊縫的情況時(shí)有發(fā)生，不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此有必要開發(fā)一種性能更高、更穩(wěn)定的新型焊絲，絕對(duì)保證焊縫接頭具有足夠的低溫沖擊韌性和斷裂韌性以及足夠的焊縫抗拉強(qiáng)度，為此珠江鋼管與猴王焊材進(jìn)行了共同開發(fā)，并取得成功。

南海荔灣深海鋼管的焊接要求如下：

（1）焊接接頭的低溫韌性：試驗(yàn)溫度為-20 ℃，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm時(shí)，焊縫中心、FL，F(xiàn)L+2，F(xiàn)L+5的單個(gè)最小值≥38 J，平均值≥45 J。內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)加倍，即：最小值≥80 J，平均值≥90 J。

（2）焊縫的低溫?cái)嗔秧g性：試驗(yàn)溫度為-10 ℃時(shí)，CTOD值≥0.2 mm。

（3）焊接接頭橫向抗拉強(qiáng)度：Rm ≥535 MPa，且不允許斷在焊縫中心，即要求焊縫的抗拉強(qiáng)度必須大于母材的抗拉強(qiáng)度。從前面數(shù)據(jù)看出，X65母材的抗拉強(qiáng)度一般在600～620 MPa，為保證接頭斷于母材，焊材熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度應(yīng)在630～660 MPa之間（即匹配系數(shù)為1.05～1.10為佳）。

1.3.1 焊絲成分設(shè)計(jì)思路

目前在制管行業(yè)主要使用二種合金化思路的高強(qiáng)高韌性焊絲，效果都比較好，已應(yīng)用了10多年。一種是以H08C為代表的Mn-Mo-Ti-B合金化方式，另一種則是以H08D為代表的Mn-Ni-Ti-B合金化方式，這二種焊絲各有千秋，就熔敷金屬性能而言，H08C的強(qiáng)度更強(qiáng)，H08D的韌性則更高。新型焊絲成分設(shè)計(jì)立足于二者的優(yōu)點(diǎn)，將采用Mn-Mo-Ni-Ti-B的新合金成分體系，適當(dāng)提高M(jìn)n，Mo含量以提高抗拉強(qiáng)度，添加適量Ni元素以提高焊縫韌性，降低P，S含量，以穩(wěn)定焊縫力學(xué)性能和改善焊縫的抗裂性能。其合金化元素作用如下：

（1）C：C含量對(duì)焊縫的強(qiáng)韌塑性及其組織均有較大的影響，不宜過高或過低。C含量過高，將會(huì)使焊縫的韌性和塑性迅速下降，甚至引起焊縫開裂，C含量過低，將影響焊縫強(qiáng)度，一般含量在0.04%～0.10%。

（2）Si：加入一定的Si可以使焊縫金屬鎮(zhèn)靜，加快熔池金屬的脫氧過程，保證焊縫的致密性，同時(shí)也可提高焊縫的強(qiáng)度。但過量的Si含量，容易形成硅酸鹽夾雜，還易出現(xiàn)硅裂。

（3）Mn：焊縫強(qiáng)韌化的有效元素。Mn可以細(xì)化晶粒，提高焊縫的低溫沖擊韌性，并有脫氧脫硫作用；另由于降碳會(huì)引起強(qiáng)度下降，所以加入Mn的同時(shí)會(huì)彌補(bǔ)所失去的強(qiáng)度。

（4）Mo： 焊縫中含有一定量的Mo元素有利于提高焊縫中針狀鐵素體的含量，減少先共析鐵素體，并有細(xì)化鐵素體晶粒的作用，提高焊縫的強(qiáng)韌性。

（5）Ni：有助于提高焊縫金屬的韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。此外，Ni還能有效地阻止Cu的熱脆性引起的網(wǎng)裂，并能有顯著提高鋼和焊縫的耐腐蝕性能。

（6）Ti：焊接時(shí)Ti可與N和O結(jié)合形成TiN或TiO質(zhì)點(diǎn)作為晶核，在焊接加熱過程中阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大而細(xì)化焊縫奧氏體晶粒，同時(shí)又可在焊接冷卻過程中作為相變核心，形成晶內(nèi)形核的針狀鐵素體，使焊縫的韌性提高。但若Ti過量，形成大量的TiC和TiN質(zhì)點(diǎn)，將使韌性降低。

（7）B：加入微量的B，可明顯降低奧氏體晶界的界面能，抑制鐵素體從奧氏體晶界上形核，避免不利的魏氏鐵素體或網(wǎng)狀先共析鐵素體形成，因而可使焊縫最大限度地獲得韌性較高的晶內(nèi)針狀鐵素體組織，提高焊縫的韌性。

（8）S，P：焊縫中的主要有害元素，顯著降低焊縫金屬的低溫沖擊韌性和塑性，這也是焊縫性能波動(dòng)的重要原因。為了消除S對(duì)焊縫的熱脆和P對(duì)焊縫冷脆作用，焊絲鋼冶煉時(shí)應(yīng)盡量降低S，P的含量，焊縫中S的含量應(yīng)低于0.003%，P的含量應(yīng)低于0.012%。

1.3.2 焊縫熔敷金屬性能

熔敷金屬試驗(yàn)按GB/T12470—2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，焊絲牌號(hào)為MK65HGX-III，匹配的焊劑為SJ102G的氟堿性焊劑。檢驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。熔敷金屬性能滿足預(yù)期要求。

1.3.3 對(duì)接試板焊縫性能對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)接采用4絲焊，第1組4根絲全部為新型焊絲，第2組前2根為新型焊絲，后2根為H08DG焊絲。對(duì)接試板均為SMYS 450F/X65深海用鋼板，壁厚27 mm。試板對(duì)接性能結(jié)果如表6所示。第1組結(jié)果要優(yōu)于第2組，但二組試驗(yàn)結(jié)果均合格，且均有加大的富余。第2組的成本優(yōu)勢(shì)明顯，故正式生產(chǎn)擬選用第2組匹配。

1.3.4 埋弧焊焊絲MK65HGX-Ⅲ的應(yīng)用

以埋弧焊焊絲MK65HGX-Ⅲ為主和SJ102G焊劑匹配焊接了南海荔灣項(xiàng)目淺海段的鋼管6.5萬(wàn)噸。其材質(zhì)為X65（武鋼），管徑為φ762 mm，壁厚度為28.6和30.2 mm。

以同樣的焊接材料匹配焊接了南海荔灣項(xiàng)目深海段鋼管5萬(wàn)噸，其材質(zhì)為SMYS 450F（POSCO和南鋼），管徑為φ558.8 mm，管壁厚度分別為31，29，27，26，25.4，24和22.2 mm，深海段彎管250 t，其材質(zhì)為SMYS 450F（南鋼），管徑為φ566 mm，壁厚為30.5 mm。

以上所有規(guī)格的焊接接頭實(shí)物質(zhì)量的低溫沖擊韌性均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二倍以上。焊縫中心的CTOD值，淺海段和深海段先后進(jìn)行了15次試驗(yàn)，焊縫實(shí)物質(zhì)量的CTOD值均滿足了標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且富余量較大。焊接接頭的橫向拉伸試驗(yàn)全部都斷在母材上，試驗(yàn)證明埋弧焊的焊接接頭具有高強(qiáng)度、高韌性和高塑性的性能。圖1為部分鋼管焊縫性能數(shù)據(jù)分布圖。表7為鋼管焊縫CTOD試驗(yàn)結(jié)果。

2 關(guān)于焊接材料標(biāo)準(zhǔn)的二點(diǎn)建議

2.1 關(guān)于S，P含量的問題

通過近10年的發(fā)展，中國(guó)的冶金和軋鋼技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)鋼廠企業(yè)建立了現(xiàn)代化煉鋼流程和現(xiàn)代化TMCP軋鋼工藝。鐵水幾乎100%實(shí)現(xiàn)了預(yù)處理，80%實(shí)施了爐外精煉工藝，極大地提高了鋼材的純凈度，匹配現(xiàn)代TMCP軋制工藝，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)代板材高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接性的統(tǒng)一。例如：現(xiàn)在普通的熱軋板雜質(zhì)含量可控制S≤0.010%，P≤0.020%；普通低合金高強(qiáng)板可控制S≤0.005%，P≤0.015%；X80，X90管線鋼S≤0.001 5%，P≤0.010%；抗HIC鋼板S≤0.001%，P≤0.008%。然而現(xiàn)在的焊縫性能已經(jīng)明顯落后于鋼板性能，焊縫性能不穩(wěn)定，波動(dòng)大，其主要原因之一，就是焊接材料中S，P偏高，焊接材料實(shí)物質(zhì)量雖然可滿足現(xiàn)行焊接材料標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，但已難滿足用戶實(shí)際生產(chǎn)需要。現(xiàn)行的焊絲標(biāo)準(zhǔn)S，P大都≤0.030%或≤0.035%，而焊劑更離譜，S≤0.06%，P≤0.08%，作為焊接材料使用單位完全無(wú)法接受。建議新修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正，以滿足和規(guī)范國(guó)內(nèi)焊接材料市場(chǎng)。

2.2 關(guān)于ASME牌號(hào)焊接材料的問題

現(xiàn)行焊接材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌力度較弱，基本在國(guó)內(nèi)采購(gòu)不到完全符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)焊絲，低合金鋼焊絲表現(xiàn)尤為明顯，總是有個(gè)別元素對(duì)不上，致使公司接國(guó)外訂單時(shí)麻煩重重，評(píng)定工作量加多不少，因此建議在修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)適當(dāng)加以考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）南海1 500 m深海管線的開發(fā)成功，開創(chuàng)了中國(guó)制造的SAWL焊管適用于深海管線的先河，這是國(guó)內(nèi)企業(yè)向深海進(jìn)軍的里程碑。

（2）開發(fā)高端產(chǎn)品，需要走聯(lián)合開發(fā)的路子，例如企業(yè)與企業(yè)聯(lián)合、企業(yè)與研究院（所）聯(lián)合。深海管線項(xiàng)目的成功開發(fā)，就是一個(gè)很好的范例。

（3）現(xiàn)行焊接材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修訂，以滿足用戶的需求。

黎劍峰簡(jiǎn)介： 1970年出生，本科學(xué)歷，總焊接師；主要從事鋼管的制管工藝和新產(chǎn)品開發(fā)工作； lijf@pck.com.cn 。