陳 楠，孫志剛，李建一，孫少卿，祁 超，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

X80級(jí)φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管的研制

陳 楠，孫志剛，李建一，孫少卿，祁 超，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

采用低C高M(jìn)n及Nb-Mo復(fù)合添加、微合金化設(shè)計(jì)和潔凈化冶煉、控軋控冷工藝制造的X80級(jí)大壁厚熱軋卷板，通過鋼管低應(yīng)力成型、焊接速度優(yōu)選以及雙探架超聲波檢測(cè)等技術(shù)，成功開發(fā)出X80級(jí)φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管。按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了組批力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：鋼管管體橫向屈服強(qiáng)度為580～670 MPa，抗拉強(qiáng)度為665～770 MPa，焊縫抗拉強(qiáng)度為695～760 MPa；焊接接頭最大硬度小于268 HV10；-10℃管體橫向平均沖擊功大于319 J，熱影響區(qū)平均沖擊功大于183 J，焊縫平均沖擊功大于137 J；0℃管體橫向DWTT剪切面積均為100%。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管整體具有良好的力學(xué)性能和可焊性。

X80；超大壁厚；螺旋埋弧焊管；力學(xué)性能

隨著石油天然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也不斷增大，以增加其輸送效率?？紤]到管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全性，還需增加管壁厚度和提高管材的強(qiáng)度。因此，高鋼級(jí)、大直徑、大壁厚、高壓輸送已成為未來油氣長(zhǎng)輸管線發(fā)展的必然選擇[1]。近年來，隨著西氣東輸、中亞、中緬等國(guó)內(nèi)外系列重大管道工程的建設(shè)，我國(guó)鋼鐵冶金企業(yè)、制管企業(yè)的裝備能力和生產(chǎn)技術(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性得以持續(xù)提升，為生產(chǎn)更高鋼級(jí)、更大壁厚的管材產(chǎn)品創(chuàng)造了先決條件。為滿足國(guó)內(nèi)天然氣快速增長(zhǎng)的需求，降低管道建設(shè)成本，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司立項(xiàng)開展了“第三代高壓大輸量油氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”，一方面是X90/X100超高強(qiáng)度油氣管材的開發(fā)，另一方面則是大直徑厚壁油氣管材的開發(fā)。

筆者介紹了渤海裝備華油鋼管公司為適應(yīng)大直徑、厚壁管道建設(shè)需求，在X80級(jí)φ1 219 mm×22.0mm螺旋埋弧焊管產(chǎn)品研發(fā)方面所做的工作，其中包括超大壁厚X80熱軋卷板成分設(shè)計(jì)和鋼管低應(yīng)力成型、焊接工藝、超聲波檢測(cè)等技術(shù)的研究，最后介紹了該產(chǎn)品的實(shí)物性能，以期為工業(yè)生產(chǎn)和新產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

1 22.0 mm厚X80熱軋卷板化學(xué)成分與顯微組織

1.1 化學(xué)成分

借鑒以往大批量X80管線鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此次22.0 mm厚X80熱軋卷板采用了低C，高M(jìn)n，輔以微合金化技術(shù)，尤其是利用Nb-Mo復(fù)合添加技術(shù)、潔凈鋼冶煉技術(shù)、夾雜物數(shù)量和形態(tài)控制技術(shù)，并配合先進(jìn)的熱機(jī)械軋制工藝（TMCP），通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、晶粒細(xì)化等機(jī)制，以得到強(qiáng)韌性兼?zhèn)淝揖哂辛己煤附有缘暮癖赬80管線鋼[2]。22.0 mm厚X80熱軋卷板化學(xué)成分見表1。

在卷板成分設(shè)計(jì)上，碳含量和碳當(dāng)量控制在較低水平，為材料獲得良好的可焊性奠定了基礎(chǔ)；采用高M(jìn)n一定程度上彌補(bǔ)了低C的固溶強(qiáng)化損失，并且還降低了γ-α相變溫度，促使奧氏體向針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，提高了鋼的韌性；高Nb設(shè)計(jì)主要作用是擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，大量彌散細(xì)小析出的Nb（C，N）為相變提供了形核位置，從而顯著細(xì)化晶粒，使鋼的低溫韌性增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低[3]；添加適當(dāng)Mo可實(shí)現(xiàn)在較寬的冷速區(qū)間內(nèi)均形成針狀鐵素體組織，改善厚壁板材表面及芯部的冷卻均勻性，細(xì)化芯部組織，同時(shí)Mo的添加還增大了Nb（C，N）在奧氏體中的固溶度，提高了沉淀強(qiáng)化效果[4]；鑒于對(duì)鋼材性能的高標(biāo)準(zhǔn)要求，Ni，Cr和Cu元素的適量添加，進(jìn)一步增強(qiáng)了鋼的強(qiáng)韌性；嚴(yán)格控制S和P含量，減少成分偏析和帶狀組織，保證了鋼材組織均勻性，提高了抗HIC和SSCC能力。

表1 22.0 mm厚X80熱軋卷板化學(xué)成分 %

1.2 顯微組織

對(duì)開發(fā)出的厚壁X80管線鋼進(jìn)行了多視域顯微組織分析。板材中心未見明顯偏析帶，帶狀組織0.5級(jí)。夾雜物尺寸、形態(tài)控制合理，未見明顯夾雜物聚集分布區(qū)。板材表面和壁厚中心組織均勻一致，金相組織如圖1所示。組織以粒狀貝氏體為主，輔之少量的多邊形鐵素體，M/A島狀組織為黑色點(diǎn)狀，分布于粒狀貝氏體的邊界和內(nèi)部，為典型針狀鐵素體型管線鋼，平均晶粒度達(dá)到12級(jí)。

圖1 X80熱軋卷板顯微組織

2 22.0 mm厚X80螺旋埋弧焊管制造技術(shù)

2.1 低應(yīng)力成型技術(shù)

管線鋼強(qiáng)度和壁厚越大，鋼管制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大，對(duì)鋼管質(zhì)量以及服役性能的影響也就愈發(fā)明顯[5]。此次研制的X80螺旋埋弧焊管壁厚高達(dá)22.0 mm，如果仍采用傳統(tǒng)的成型工藝，易造成板邊受力不均勻，成型合縫狀況差，且易形成噘嘴、錯(cuò)邊等缺陷，成型后鋼管殘余應(yīng)力大，對(duì)后續(xù)焊接質(zhì)量有較大影響。因此，為獲得高質(zhì)量焊接接頭和高精度鋼管幾何尺寸，2#輥壓下采用直線導(dǎo)軌控制方式，使其壓下量更加精密準(zhǔn)確?；诔尚蛥?shù)數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化修正系數(shù)，對(duì)成型器1#輥、2#輥和3#輥進(jìn)行了重新校準(zhǔn)定位，當(dāng)成型輥壓在鋼板上時(shí)，每個(gè)輥對(duì)鋼板的作用力一致，不產(chǎn)生分力，使鋼管塑性變形充分，降低了鋼管殘余應(yīng)力。采用板邊預(yù)彎技術(shù)，在成型前使用雙輥預(yù)彎?rùn)C(jī)對(duì)卷板的遞送邊和自由邊在一定范圍進(jìn)行預(yù)彎，防止成型后板邊噘嘴。同時(shí)，研發(fā)了一種螺旋埋弧焊管成型包角角度顯示儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程中成型輥角度偏移誤差的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使其得到及時(shí)修正，保證了鋼管成型的高精度和穩(wěn)定性。

上述系列措施實(shí)施后，鋼管尺寸精度得到有效控制，鋼管周長(zhǎng)范圍3 824～3 831 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求（3 821～3 835 mm），且兩端周長(zhǎng)差波動(dòng)較小，鋼管橢圓度≤2 mm，噘嘴和錯(cuò)邊等成型工藝缺陷的出現(xiàn)幾率顯著降低。按照標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)頻次，采用環(huán)切法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量殘余應(yīng)力，試樣如圖2所示。所有鋼管試樣測(cè)試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且試樣環(huán)向、軸向及徑向尺寸偏差均較小，實(shí)現(xiàn)了鋼管的柔性成型。

圖2 環(huán)切法測(cè)量殘余應(yīng)力試樣

2.2 焊接速度優(yōu)化

對(duì)于焊管生產(chǎn)，焊接速度直接決定著產(chǎn)量和效益，制管企業(yè)往往想擁有更高的焊接速度。但針對(duì)此次試制的超大壁厚X80熱軋卷板，過快的焊接速度，不僅會(huì)造成設(shè)備損壞、折舊情況嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)使焊縫的內(nèi)在缺陷（如氣孔、夾渣、裂紋等）隨之增多，降低焊接一通率。相反，當(dāng)焊速過慢時(shí)，不僅會(huì)影響產(chǎn)能，而且低焊速下的高焊接熱輸入會(huì)使焊縫高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，組織形態(tài)發(fā)生惡化，焊縫、熱影響區(qū)韌性水平下降嚴(yán)重，并且易造成“大肚子”、“窄而深”的不良焊縫形貌，增加了熱裂紋產(chǎn)生幾率[6]。因此，為獲得外觀和性能優(yōu)良的焊接接頭，圍繞不同焊速進(jìn)行了大量匹配試驗(yàn)，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。

焊速匹配試驗(yàn)分別選取1.1m/min，1.2m/min，1.3 m/min，1.4 m/min和1.5 m/min五種焊速，焊接工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表2。不同焊速下，焊縫宏觀形貌對(duì)比如圖3所示，焊縫、熱影響區(qū)-10℃夏比沖擊韌性對(duì)比如圖4所示。

表2 焊速匹配試驗(yàn)工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同焊速下焊縫宏觀形貌

圖4 焊速匹配試驗(yàn)焊縫、熱影響區(qū)夏比沖擊韌性對(duì)比

從表2和圖4可以看出，焊速1.3 m/min時(shí)焊縫抗拉強(qiáng)度為745 MPa，焊縫、熱影響區(qū)-10℃夏比沖擊功分別為138 J和198 J，焊接接頭呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性。由圖3可見，在該焊速下，焊縫成形美觀，焊縫與母材過渡平緩，焊道幾何形狀改善明顯。對(duì)1.3 m/min焊速下焊接接頭組織進(jìn)行了金相分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，焊縫金屬為針狀鐵素體+少量先共析鐵素體組織；熱影響區(qū)為粒狀貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見，M/A島狀組織細(xì)小且彌散分布。研究發(fā)現(xiàn)，裂紋遇到針狀鐵素體或粒狀貝氏體時(shí)會(huì)曲折前行，消耗能量較大，裂紋終止處一般也都在這兩種組織部分，因此，該組織賦予了焊接接頭優(yōu)良的力學(xué)性能[7]。小批量試制中，焊接工藝采用了1.3 m/min焊速，試制檢測(cè)結(jié)果表明，該焊速下焊接接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且焊接一通率也維持在較高水平。

圖5 1.3 m/min焊速下焊接接頭顯微組織

2.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)

隨著鋼管壁厚的增加，X射線能檢出的缺陷尺寸隨之增大，對(duì)未焊透和裂紋等嚴(yán)重危害性缺陷的檢出率也隨之降低，因此，對(duì)線性缺陷敏感的超聲波自動(dòng)探傷技術(shù)就顯得尤為重要[8]。為滿足大壁厚螺旋埋弧焊管的檢測(cè)需求，提出了采用雙探架技術(shù)方案，即兩個(gè)探頭架同時(shí)檢測(cè)，每個(gè)探頭架上布置8個(gè)探頭，共16個(gè)探頭。與之前單探頭架檢測(cè)相比，無論探頭數(shù)量還是檢測(cè)范圍都大幅度增加。為保證其檢測(cè)的有效性，要求雙探架需在鋼管的兩個(gè)螺距上同時(shí)檢測(cè)，并且這兩個(gè)探架在檢測(cè)時(shí)做同步運(yùn)動(dòng)。但在檢測(cè)開始和檢測(cè)結(jié)束的兩個(gè)時(shí)段里，為減少檢測(cè)盲區(qū)，又要求這兩個(gè)探頭架上的探頭不能同時(shí)落下或升起。

針對(duì)上述問題，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上增加了一個(gè)探頭架，兩個(gè)探頭架之間采用絲杠連接，保證其同步性。增加了管端自動(dòng)檢測(cè)傳感器，重新編寫了相關(guān)的電氣控制程序，保證檢測(cè)開始時(shí)第一個(gè)探頭架落下，直到其運(yùn)行至第二個(gè)螺距時(shí)，第二個(gè)探頭架才落下；檢測(cè)結(jié)束時(shí)，第一個(gè)探頭架先升起，直到第二個(gè)探頭架檢測(cè)完畢，第二個(gè)探頭架才升起。通過以上改進(jìn)，采用雙探架技術(shù)完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲波檢測(cè)的要求，應(yīng)用效果良好。改進(jìn)后的超聲波雙探架設(shè)備如圖6所示。

圖6 超聲波雙探架設(shè)備

3 鋼管產(chǎn)品性能

基于試驗(yàn)研究和管道建設(shè)需求，渤海裝備華油鋼管公司進(jìn)行了X80級(jí)φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管小批量試制，共計(jì)投料11爐28卷（884.177 t），生產(chǎn)焊管109根，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)頻次要求對(duì)鋼管進(jìn)行組批力學(xué)性能試驗(yàn)。

3.1 拉伸及彎曲性能

鋼管管體橫向和焊縫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，管體橫向及焊縫強(qiáng)度適中，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，且管體橫向屈服強(qiáng)度最小值距標(biāo)準(zhǔn)下限要求裕度較大，充分保證了管道在高壓輸送下的安全系數(shù)。對(duì)焊縫進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，彎心直徑220 mm，彎曲角度180°，試驗(yàn)后母材、熱影響區(qū)和焊縫均未見裂紋或斷裂，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 X80級(jí)φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 斷裂韌性

鋼管管體橫向、熱影響區(qū)、焊縫-10℃夏比沖擊韌性及0℃管體橫向DWTT性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，母材、熱影響區(qū)和焊縫-10℃夏比沖擊性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)不同溫度下母材進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，-60℃平均吸收功仍高達(dá)303 J，呈現(xiàn)出了優(yōu)良的低溫韌性。DWTT性能方面，0℃剪切面積均為100%。根據(jù)系列溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（樣本數(shù)量8組）來看，管體橫向85%FATT大約為-40℃，管體縱向85%FATT大約為-30℃，管體橫向FATT總體上低于管體縱向，兩個(gè)方向85%FATT最低能達(dá)到-60℃以下。

表4 X80級(jí)φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管夏比沖擊及DWTT性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 硬度

焊接接頭維氏硬度測(cè)試結(jié)果見表5，測(cè)試點(diǎn)分布如圖7所示。其中，管體最大硬度268HV10，焊縫最大硬度255HV10，熱影響區(qū)最大硬度238HV10，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，管體平均硬度值最高，焊縫其次，熱影響區(qū)最低，熱影響區(qū)較母材平均硬度值低27 HV10，存在一定的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象[10]，在后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)給予足夠關(guān)注。

表5 焊接接頭維氏硬度測(cè)試結(jié)果 HV10

圖7 焊接接頭維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布示意圖

4 結(jié) 論

（1）采用低C高M(jìn)n及Nb-Mo復(fù)合添加技術(shù)和全流程潔凈鋼冶煉工藝并配合先進(jìn)TMCP，獲得了細(xì)小均勻、潔凈度高以粒狀貝氏體為主，輔之少量的多邊形鐵素體，M/A島狀組織彌散分布的典型針狀鐵素體型厚壁管線鋼。

（2） 形成X80級(jí) φ1 219 mm×22.0 mm 螺旋埋弧焊管生產(chǎn)、檢驗(yàn)成套工藝技術(shù)。焊接速度1.3 m/min時(shí)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫性能優(yōu)良，可作為該規(guī)格鋼管 “一步法”生產(chǎn)推薦使用規(guī)范。首次在螺旋埋弧焊管上應(yīng)用雙探架超聲波檢測(cè)技術(shù)，提高了檢測(cè)范圍，確保了厚壁鋼管線性缺陷檢出率。

（3）檢測(cè)了試制鋼管實(shí)物水平，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足Q/SY GJX 130—2014《OD 1219mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求。建議后續(xù)試制中，鋼廠應(yīng)充分考慮鋼材的焊接軟化問題，努力提高鋼材的抗軟化能力，同時(shí)管廠應(yīng)加強(qiáng)焊接工藝研究，利用焊接熱模擬技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，尋求最優(yōu)焊接工藝。

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Research and Development of X80 Grade SAWH Pipe with Size ofφ1 219 mm×22.0 mm

CHEN Nan,SUN Zhigang,LI Jianyi,SUN Shaoqing,QI Chao,WANG Haisheng
(Bohai Equipment Huayou Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

The X80 grade hot-rolled coil with large wall thickness was manufactured by using the technology of low carbon,high manganese,Nb-Mo compound additive,micro alloying,clean smelting,controlled rolling and controlled cooling.Through research on steel pipe low tress forming technology,welding speed optimization,double rack ultrasonic testing technology,the X80 grade SAWH pipe with size of φ1 219 mm×22.0 mm was developed.The property tests were conducted in accordance with relevant technical standard.The test results showed that the transverse yield strength of pipe body is 580～670 MPa;the tensile strength is 665～770 MPa;the tensile strength of weld seam is 695～760 MPa;the hardness of welded joint is less than 268 HV10Under-10℃，the average impact energy of pipe body in transverse is higher than 319 J;the average impact energy of HAZ is higher than 183 J,and the average impact energy of weld seam is higher than 137 J.Under 0℃，the DWTT shear area of pipe body in transverse is 100%.The pipe is with good mechanical properties and weldability.

X80； large wall thickness； SAWH pipe;mechanical properties

TE973

A

1001-3938（2015）10-0036-06

陳 楠（1985—），男，工程師，主要從事螺旋埋弧焊管焊接技術(shù)研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作。

2014-12-25

羅 剛