趙 波， 王 旭， 王 瑾， 付彥宏，楊瑋瑋， 李國鵬， 侯樹林

（1. 中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司， 河北 青縣 062658；2. 中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司， 北京 100009）

0 前 言

我國長輸油氣管道由西向東穿越高海拔極端低溫區(qū)域， 長期以來， 由于受高鋼級直縫埋弧焊焊接接頭和高鋼級感應(yīng)加熱彎管熱煨技術(shù)的限制， 僅能生產(chǎn)服役溫度不低于-20 ℃的焊管產(chǎn)品， 對于-30 ℃或更惡劣工況環(huán)境下工作的彎管， 為了防止低溫脆斷惡性事故的發(fā)生， 只能對裸露彎管采取伴熱保溫措施。 但是中俄東線天然氣管道工程設(shè)計要求站場內(nèi)直縫埋弧焊管、 彎管、 管件等均為裸露狀態(tài)使用， 因此必須研制出該工程所需的-45 ℃低溫環(huán)境用直縫埋弧焊管、 彎管、 管件等相關(guān)產(chǎn)品。 本研究針對中俄東線-45 ℃低溫環(huán)境用X80 鋼級Φ1 422 mm×33.8 mm 感應(yīng)加熱彎管的研制進(jìn)行了介紹。

1 試驗材料

1.1 板材

試制彎管母管用鋼板為控軋控冷技術(shù)生產(chǎn)的X80 鋼級、 壁厚33.8 mm 彎管母管專用鋼板。 由于彎管制造過程要經(jīng)歷煨制淬火和消應(yīng)力回火熱處理工藝過程， 所以按照鋼種的分類， 彎管用管線鋼屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼大類， 其主要化學(xué)成分見表1。 為了提高鋼材的抗冷裂性和低溫韌性， 采用超低C 及超低S、 P 是很有效的措施， 但降低C 含量會犧牲鋼材的強(qiáng)度，為了彌補這一損失， 通過增加較高含量的Mn、Mo、 Ni、 Cu、 Cr 等多種微量元素， 特別是像B 這種能對淬透性有強(qiáng)烈影響的元素， 來保證鋼材具有足夠的淬透性和抗回火性。 其中適量的Mn、 Ni 等元素能在固溶強(qiáng)化的同時對韌性有改善作用， 使得該鋼調(diào)質(zhì)后具有足夠高的強(qiáng)度和韌性。 該鋼與同等級的一般高強(qiáng)度低合金鋼相比， 具有低C 和低CEpcm 的特點， 使其具有良好的焊接性。

表1 彎管母管化學(xué)成分 %

鋼板母材的金相組織如圖1 所示， 其金相組織主要為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體， 晶粒等級達(dá)到10 級， 晶粒細(xì)小， 壁厚方向組織較為均勻。

圖1 X80 鋼級Φ1 422 mm×33.8 mm 彎管鋼板金相組織

1.2 焊絲

合金元素是影響焊縫組織和性能的重要因素， 隨著合金成分和含量的變化， 焊縫的組織和性能將發(fā)生相應(yīng)的改變， 彎管母管應(yīng)該按照低碳調(diào)質(zhì)鋼焊材進(jìn)行焊縫成分設(shè)計。 在高強(qiáng)鋼焊縫中， 為了提高強(qiáng)度及改善韌性， 除了加入Mn、Mo、 Ni、 Cr 等主要元素外， 還需要加入微合金元素Nb、 V、 Ti、 B， 這些微量元素可與C 元素形成穩(wěn)定性高且呈顆粒狀均勻分布的碳氮化物，有效阻止彎管煨制過程中奧氏體過度長大， 提高焊縫金屬的韌性。

依據(jù)合金元素對焊縫組織和性能的影響規(guī)律， 在低溫彎管試制過程中， 先后設(shè)計了一系列不同合金成分組合的焊絲， 通過進(jìn)行大量的鋼板焊接工藝和彎管焊縫熱處理工藝試驗研究， 對焊絲的成分進(jìn)行優(yōu)化， 最終研制出適用于X80 鋼級低溫彎管專用焊絲。 焊絲化學(xué)成分見表2， 最終使用該焊絲完成了中俄東線工程用-45 ℃的X80 鋼級感應(yīng)加熱彎管新產(chǎn)品小批量試制。

表2 X80 鋼級低溫彎管專用焊絲主要化學(xué)成分 %

2 單絲多層多道埋弧焊工藝試驗

焊接線能量直接影響焊縫的組織和焊接接頭的力學(xué)性能， 焊接線能量大， 焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大傾向增大， 不利于獲得細(xì)化的焊縫和熱影響區(qū)組織， 導(dǎo)致焊接接頭沖擊韌性惡化。為此， 采用低溫鋼焊接常用的線能量更低的單絲多層多道焊接工藝進(jìn)行彎管母管的焊接。 焊接坡口采用對稱X 形坡口， 鈍邊為6 mm， 內(nèi)外坡口角度均為60°， 采用氣保焊絲進(jìn)行外焊縫預(yù)焊。先進(jìn)行內(nèi)焊多層多道埋弧焊接， 焊接層間溫度均控制在150 ℃以下， 完成整個內(nèi)焊縫焊接后，采用自動碳弧氣刨工藝將氣保焊預(yù)焊縫和鈍邊金屬清除， 同時露出內(nèi)焊根焊縫金屬， 使用手工角磨機(jī)將外焊坡口氣刨焊渣、 氧化膜打磨干凈露出金屬本色， 然后依次進(jìn)行外焊縫的根焊、 填充焊和蓋面焊接。 彎管母管單絲多層多道焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 Φ1 422 mm×33.8 mm 彎管母管單絲多層多道焊接工藝參數(shù)

焊后分別從彎管母管壁厚內(nèi)、 中、 外3 處各取3 個焊縫夏比V 形缺口沖擊試樣， 試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm。 彎管母管焊縫焊態(tài)-45 ℃低溫沖擊試驗結(jié)果見表4， 焊態(tài)焊縫壁厚內(nèi)、中、 外處-45 ℃低溫沖擊值最低為117 J、 最高為140 J、 均值約為130 J， 整體焊態(tài)焊縫截面沖擊韌性非常均勻、 優(yōu)良。 焊態(tài)焊接接頭抗拉強(qiáng)度為758 MPa。

表4 Φ1 422 mm×33.8 mm 彎管母管多層多道焊縫沖擊試驗結(jié)果（焊態(tài)）

3 彎管煨制及性能檢測

3.1 彎管煨制

感應(yīng)加熱彎管熱煨制成型的生產(chǎn)方式可分為整體加熱和局部加熱。 前者是在彎管熱煨制成型時， 直管段和彎曲段材料均需要加熱到Ac3+（50～100）℃使材料在奧氏體狀態(tài)塑性成型； 后者彎管的直管段部分則不需要加熱， 保持原鋼板的軋制狀態(tài)， 對于X70 和X80 鋼級高強(qiáng)度感應(yīng)加熱彎管， 最終產(chǎn)品考慮強(qiáng)韌性匹配和殘余應(yīng)力控制等因素， 往往以回火態(tài)交貨。 因此， 采用彎曲段感應(yīng)加熱煨制、 直管段感應(yīng)加熱950～1 050 ℃淬火， 煨制結(jié)束后彎管整體進(jìn)行550～650 ℃保溫、 60～120 min 回火熱處理。

3.2 彎管拉伸試驗

從熱處理后的彎管直管段、 左過渡區(qū)、 右過渡區(qū)、 彎曲段的管體及焊接接頭處分別取樣， 取樣位置如圖2 所示， 試樣為圓棒狀拉伸試樣， 試樣中心線位于對應(yīng)部位的壁厚中心，試樣規(guī)格為標(biāo)距內(nèi)直徑為12.7 mm， 標(biāo)距段長度為50 mm， 依據(jù)ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗， 試驗結(jié)果見表5。 由表5 可以看出， 感應(yīng)加熱彎管各個取樣位置的拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 彎管拉伸性能數(shù)據(jù)

圖2 彎管試樣取樣位置

3.3 沖擊試驗

按照圖2 所示取樣位置， 分別在彎管直管段、左過渡區(qū)、 右過渡區(qū)、 彎曲段的管體及焊接接頭處， 以壁厚中心為試樣中心線， 加工夏比V 形缺口沖擊試樣， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。在ZBC2752-B 型夏比沖擊試驗機(jī)上， 按照ASTM A370 試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗， 試驗結(jié)果見表6。

表6 彎管沖擊試驗結(jié)果（試驗溫度-45 ℃）

從表6 可以看到， 采用多層多道低線能量焊接工藝， 焊縫壁厚中部低溫沖擊韌性比較均勻，單值均達(dá)到了110 J 以上， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，解決了X80 彎管焊縫中心位置低溫沖擊韌性均勻性的難題。

按照圖2 所示取樣位置， 分別在彎管直管段、 彎曲段的焊接接頭處， 取焊縫內(nèi)、 外近表層橫向夏比V 形缺口沖擊試樣， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。 在ZBC2752-B 型夏比沖擊試驗機(jī)上， 按照ASTM A370 試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗， 試驗結(jié)果見表7。 由表7 可以看出， 焊縫內(nèi)、 外表層處低溫沖擊值也比較均勻， 單值均達(dá)到了127 J 以上， 焊縫熱影響區(qū)均值在300 J左右， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求值， 很好的解決了X80 彎管焊縫全壁厚截面低溫沖擊韌性均勻性差的難題。

表7 焊縫近表層夏比沖擊試驗結(jié)果（試驗溫度-45 ℃）

3.4 硬度試驗

在彎管直管段、 左過渡區(qū)、 右過渡區(qū)、 彎曲段的管體及焊接接頭處分別取樣， 按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)要求， 進(jìn)行10 kg 載荷維氏硬度測試， 硬度測試點分布如圖3 所示， 測試結(jié)果見表8。 表8 測試結(jié)果顯示， 彎管管體母材硬度基本分布在201HV10～283HV10， 彎管焊縫硬度分布213HV10～228 HV10，硬度檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求（≤300HV10）。

圖3 維氏硬度測試點分布圖

表8 彎管焊接接頭硬度測試結(jié)果

3.5 導(dǎo)向彎曲試驗

在彎管直管段和彎曲段焊接接頭處取面彎、背彎試樣， 按ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗， 試驗設(shè)備WZW-1000， 彎軸直徑145 mm， 彎曲角度180°， 彎管直管段和彎曲段焊接接頭面彎、背彎均合格， 未出現(xiàn)裂紋， 試驗結(jié)果見表9。

表9 導(dǎo)向彎曲試驗結(jié)果

3.6 金相分析

直管段、 彎曲段焊接接頭宏觀形貌如圖4 所示， 彎管顯微金相照片如圖5 所示。 彎管管體經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后， 組織均為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體， 但是能夠看出彎管管體不同部位的金相組織粗細(xì)程度是不同的， 比較明顯的是圖5 （d）中彎曲段內(nèi)弧側(cè)的組織明顯比圖5 （e） 中彎曲段外弧側(cè)的組織細(xì)化， 這一點和兩個區(qū)域的-45 ℃低溫沖擊韌性值大小是對應(yīng)的， 彎曲段內(nèi)弧側(cè)管體母材沖擊功平均值350 J， 彎曲段外弧側(cè)管體母材沖擊功平均值為224 J， 可能與彎曲段內(nèi)弧側(cè)母材受到煨制擠壓變形產(chǎn)生的晶粒細(xì)化有關(guān)。

圖4 彎管焊接接頭宏觀形貌

圖5 彎管管體顯微組織形貌

直管段、 彎曲段焊縫及熱影響區(qū)的金相照片如圖6 所示， 調(diào)質(zhì)處理后彎管焊縫組織均為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+多邊形鐵素體， 焊縫-45 ℃低溫沖擊值均值在130～275 J； 調(diào)質(zhì)處理后彎管焊縫熱影響區(qū)組織主要為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體，組織均勻細(xì)小， 因此熱影響區(qū)均具有-45 ℃低溫300 J 的沖擊韌性。 彎管焊接接頭良好的金相組織， 使得彎管焊縫獲得了良好的強(qiáng)韌性匹配。

圖6 彎管焊縫及熱影響區(qū)顯微組織形貌

4 結(jié) 論

（1） 對于需要經(jīng)過淬火+回火熱處理工藝過程的X80 高鋼級、 大壁厚低溫彎管母管來說， 為了保證彎管焊縫內(nèi)、 中、 外全壁厚截面的綜合強(qiáng)韌性， 首先需要進(jìn)行合理的焊絲化學(xué)成分設(shè)計。一方面需要適當(dāng)提高焊絲的合金含量、 碳當(dāng)量來提高彎管焊縫淬透性， 以保證焊接接頭抗拉強(qiáng)度；另一方面還需要通過合理的成分匹配， 細(xì)化原始焊縫組織， 抑制二次加熱過程中奧氏體的異常長大， 保證調(diào)質(zhì)處理后能夠獲得綜合強(qiáng)韌性優(yōu)良的針狀鐵素體或者粒狀貝氏體等目標(biāo)組織， 最終保證試制出性能合格的低溫彎管產(chǎn)品。

（2） X80 鋼級焊管的焊接接頭組織存在二次加熱脆化的特性， 厚壁感應(yīng)加熱彎管選用低線能量的單絲多層多道埋弧焊工藝， 可以獲得細(xì)化的原始焊縫組織； 焊縫感應(yīng)加熱奧氏體化過程中，可以遺傳焊態(tài)焊縫細(xì)化的原始組織形態(tài)， 抑制二次加熱焊縫組織粗化的現(xiàn)象。

（3） 本研究試制的X80 鋼級Φ1 422 mm×33.8 mm 感應(yīng)加熱彎管母管， 采用單絲多層多道埋弧焊接工藝， 經(jīng)整體淬火+回火熱處理后， 不僅抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 同時在-45 ℃低溫條件下的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)、 中、 外位置的夏比沖擊韌性遠(yuǎn)優(yōu)于管道工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。