孫 宏，孫志剛，宗秋麗，鄭青昊

（渤海裝備華油鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

隨著人類對天然氣需求的不斷增大，國內(nèi)外開發(fā)并大規(guī)模應用了X80 鋼級焊管，尤其是我國的西氣東輸二線、西氣東輸三線及陜京四線等天然氣長輸管道工程，其主干線采用了X80 鋼級Φ1 219 mm 焊管，管道最大輸送壓力達到了12 MPa［1-2］。2017 年中俄東線天然氣管道工程全面加快建設，這是我國首條采用Φ1 422 mm 規(guī)格焊管的長輸天然氣管道工程，管道最大設計壓力也達到了12 MPa［3］?，F(xiàn)主要介紹X80M 鋼級（M 代表熱機械軋態(tài)交貨）Φ1 422 mm×21.4 mm 螺旋縫埋弧焊管的主要性能指標及特點。

1 材料性能

1.1 化學成分

X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體的化學成分見表1，管體C、Nb 元素區(qū)間如圖1 所示，管體與焊縫的主要化學成分對比見表2；與文獻［4］中介紹的X80 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 螺旋縫埋弧焊管的化學成分（平均值）進行對比，具體如圖2 所示。從圖1~2 可以看出，X80M 鋼級Φ1 422 mm焊管的化學成分均滿足Q/SYGD 0503.2—2016《中俄東線天然氣管道工程技術規(guī)范第2 部分：X80 級螺旋縫埋弧焊管技術》要求；C 元素含量大部分在0.055%及以下，Nb 元素呈雙峰分布，這主要是因為不同鋼廠的成分設計存在差異。

表1 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

圖1 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體C、Nb 元素區(qū)間

表2 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

圖2 不同壁厚X80 鋼級螺旋縫埋弧焊管的化學成分對比

化學成分方面，Φ1 422 mm 規(guī)格焊管中的C 含量上限值從Φ1 219 mm 規(guī)格的0.09%下降到0.07%，實測值在0.037%～0.070%，平均值為0.053%；Cr、Mo、Nb 及Ni 含量均增加了下限要求，特別是Nb含量上限值從0.11%下降到0.08%，同早期應用于冀寧聯(lián)絡線的X80 鋼級管道工程Nb 含量上限值。較高的Nb 含量可滿足大壁厚X80M 鋼級管線管高強度和高韌性的要求，另一方面也保證了可焊性。

從表2 可以看出，焊縫中的Cr、Ni 與Nb+Ti+V 含量明顯低于管體，但B 元素含量明顯高于管體，B 元素主要來源于焊絲。微量的B 元素可顯著提高鋼的淬透性［5］；適量的B 元素可促進熔敷金屬產(chǎn)生均勻細小的針狀鐵素體組織，有助于改善熔敷金屬的低溫沖擊韌性［6］。

1.2 顯微組織

在X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管上取金相試樣，采用硝酸乙醇溶液（體積分數(shù)為4%）浸蝕，其顯微組織如圖3 所示。X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體的顯微組織（圖3a~b）為粒狀貝氏體、少量鐵素體和少量珠光體，管體表面附近的晶粒尺寸略小于壁厚中心的。外焊道的顯微組織（圖3c）主要為晶內(nèi)成核針狀鐵素體和柱狀先共析鐵素體，柱狀先共析鐵素體的寬度較小，平均寬度不超過20 μm；因晶內(nèi)成核針狀鐵素體的晶粒取向具有隨機性，起到了阻止裂紋擴展的作用［7-8］。內(nèi)焊道的顯微組織（圖3d）主要為晶內(nèi)成核針狀鐵素體，未見柱狀先共析鐵素體，存在局部可見的原奧氏體晶界［9］；生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，晶內(nèi)成核針狀鐵素體有的呈針狀，而有的呈塊狀。熱影響區(qū)的顯微組織主要為粒狀貝氏體，存在晶界較明顯的原奧氏體晶粒，生產(chǎn)實際中也經(jīng)常有原奧氏體晶界不明顯或消失的情況，晶內(nèi)分布有條狀或顆粒狀馬奧組元（M-A）［9］，M-A 組元呈鏈狀，有明顯的方向性。從圖3（f）可以看出，焊縫金屬依附熔池邊界母材晶粒外延生長，形成聯(lián)生結(jié)晶［8］，但是沒有形成連續(xù)的柱狀晶。

1.3 力學性能

1.3.1 拉伸性能

在X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體取橫向Ф12.7 mm 圓棒試樣，在焊接接頭取寬度38.1 mm板狀試樣，檢測其拉伸性能，具體如圖4~5 所示。從圖4~5 可以看出，鋼管管體的屈服強度、抗拉強度和屈強比總體上呈正態(tài)分布；焊接接頭的抗拉強度最小值、最大值及平均值分別為680 MPa、785 MPa 及726 MPa，抗拉強度平均值比Q/SYGD 0503.2 要求高100 MPa 以上。

1.3.2 夏比沖擊韌性

在X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體橫向、焊縫中心及熱影響區(qū)分別取10 mm×10 mm×55 mm 尺寸V 型缺口試樣，檢測其在-10 ℃的夏比沖擊吸收功，結(jié)果如圖6 所示。檢測發(fā)現(xiàn)，管體橫向、焊縫中心及熱影響區(qū)在-10 ℃時的夏比沖擊吸收功平均值分別為346 J、169 J 及203 J，沖擊功總體上符合正態(tài)分布。焊縫中位向各異的細小針狀鐵素體有助于改善焊縫區(qū)的低溫韌性［8，10］。為了對比熱影響區(qū)不同位置的沖擊性能，除了進行試樣缺口中心線通過外焊道熔合線的-30 ℃夏比沖擊試驗外，還進行了試樣缺口中心線通過內(nèi)焊道熔合線的-30 ℃夏比沖擊試驗，兩種試樣的缺口中心線通過的區(qū)域不同，但是試驗平均值相同，均為140 J。

圖4 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管體橫向拉伸性能

圖5 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管焊接接頭抗拉強度

X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管在-45 ℃的夏比沖擊吸收功如圖7 所示。從圖7 可以看出：管體橫向與管體縱向的夏比沖擊吸收功均在300 J 上下波動，僅管體橫向出現(xiàn)了一個偶發(fā)低值；焊縫中心線及熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收功均在100 J 上下波動；與-10 ℃試驗時不同，焊縫中心線及熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收功的差異性減小，并趨于一致。檢測時由于部分樣本進入韌-脆轉(zhuǎn)變區(qū)間，所以部分組（1 組3 個試樣）試樣的沖擊功的組間差異變大。

1.3.3 落錘撕裂試驗

圖6 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管在-10 ℃的夏比沖擊吸收功

圖7 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管在-45 ℃的夏比沖擊吸收功

研究表明，在三維應力狀態(tài)下，裂紋尖端處于三軸拉伸狀態(tài)，厚度方向上存在離面約束，使得管材韌性隨著壁厚的增加而降低［11］。在-5 ℃對Φ1 422 mm×21.4 mm 規(guī)格焊管進行了600 多次的落錘撕裂試驗，試樣尺寸為305 mm×76 mm×厚度，采用深度為5 mm 的壓制缺口。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X80M鋼級焊管在-5 ℃時的剪切面積百分比絕大多數(shù)為100%，壁厚提高至21.4 mm 后，仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，試驗結(jié)果均滿足Q/SYGD 0503.2 要求。

1.3.4 焊接接頭的維氏硬度特性

為了對比應用于中俄東線管道工程不同壁厚（21.4 mm 和17.8 mm）X80M 鋼級Φ1 422 mm 螺旋縫埋弧焊管焊接接頭的硬度特性，選取了同一鋼廠板卷生產(chǎn)的焊管，且生產(chǎn)日期差別不大。硬度平均值分布如圖8 所示。檢測發(fā)現(xiàn)：硬度最大值均低于Q/SYGD 0503.2 規(guī)定（要求≤280 HV10）。21.4 mm 壁厚焊管硬度值的高點在1、8、9 及14 位置，均為母材；其次是4、5、11 及12 位置，即焊縫，并且內(nèi)焊道的硬度值略高于外焊道；硬度值低點在2、3、6、7、10 及13 位置，即熱影響區(qū)，其中靠近焊管外表面的2、3、6、7 位置硬度值基本相同，靠近鋼管內(nèi)表面的10 及13 位置硬度值基本相同，靠近焊管內(nèi)表面的熱影響區(qū)的硬度值略高于靠近焊管外表面的硬度值。17.8 mm 壁厚焊管硬度值的高點在11、12 位置，即內(nèi)焊道位置；其次是1、8、9 及14 位置，即母材位置；硬度值低點在2、3、6、7 位置，即靠近焊管外表面的熱影響區(qū)，其中2、3、6、7 位置硬度值基本相同，靠近焊管內(nèi)表面的10、13 位置硬度值基本相同，靠近焊管內(nèi)表面的熱影響區(qū)的硬度值略高于靠近焊管外表面的硬度值。

圖8 不同壁厚X80 鋼級螺旋縫埋弧焊管焊接接頭硬度平均值分布

熱影響區(qū)的硬度低于母材的原因可以歸究于熱影響區(qū)的軟化［12-13］。用硬度衡量的熱影響區(qū)軟化率，21.4 mm 壁厚焊管約為9.0%，17.8 mm 壁厚焊管約為5.3%，可見壁厚對焊管熱影響區(qū)軟化率有顯著影響。21.4 mm 壁厚焊管焊縫的硬度比母材低5.7%，17.8 mm 壁厚焊管焊縫的硬度與母材相當?？梢?，對于硬度指標，21.4 mm 壁厚焊管焊接接頭存在低強匹配問題。從圖8 可以看出，21.4 mm 壁厚焊管焊接接頭的硬度波動幅度明顯大于17.8 mm 壁厚焊管的。因此，對于大壁厚焊管，應關注壁厚增加帶來的熱影響區(qū)軟化和焊接接頭的低強匹配問題。

2 焊管殘余應力

依據(jù)Q/SYGD 0503.2，采用切環(huán)法檢測X80M鋼級Φ1 422 mm×21.4 mm 焊管的殘余應力，通過切開彈復量得到的殘余應力近似代表整個焊管的殘余應力水平［14-15］。檢測發(fā)現(xiàn)，周向切口張開間距平均值為13 mm，滿足Q/SYGD 0503.2 要求（要求切口張開間距≤90 mm）。文獻［16］指出，水壓試驗和穩(wěn)壓試驗均會使螺旋縫埋弧焊管內(nèi)外表面的殘余應力分布趨于均勻，并且可明顯降低殘余應力。因此，X80M 鋼級Φ1 422 mm×21.4 mm 焊管的實際殘余應力會比焊后狀態(tài)更低一些。

3 焊管外觀和幾何尺寸

檢查X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管的外觀質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)外表面質(zhì)量和管端內(nèi)、外焊道修磨質(zhì)量良好，均滿足Q/SYGD 0503.2 要求。對于輸送管道的環(huán)縫焊接，焊管管端的尺寸至關重要。中俄東線管道工程項目要求：管端外徑允許偏差為-1.0～+1.5 mm（對應的管端周長為4 461.9～4 469.8 mm），且兩端平均直徑之差≤2.0 mm，管端橢圓度≤8.5 mm。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管實際的管端周長為4 463～4 469 mm，兩端直徑之差平均值 ∧1.5 mm，管端橢圓度≤4.5 mm，頭端與尾端的實際管端橢圓度平均值分別為2.07 mm 與1.84 mm，鋼管管端尺寸精度控制良好。X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管端橢圓度分布如圖9 所示，管端橢圓度呈多峰分布，并非正態(tài)分布，這可能是由于樣本是3 個生產(chǎn)階段組成造成的。

圖9 X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管管端橢圓度分布

4 結(jié) 語

（1） X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管的合金元素范圍比Φ1 219 mm 焊管明顯縮窄，管體的顯微組織為細小的粒狀貝氏體，內(nèi)外焊縫組織主要為交錯分布的、細小的晶內(nèi)成核針狀鐵素體，外焊縫存在較窄的柱狀先共析鐵素體，熱影響區(qū)的顯微組織主要為粒狀貝氏體。

（2） X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管的力學性能相比Q/SYGD 0503.2 要求有較大的裕量，管體、焊縫和熱影響區(qū)韌性良好；從焊接接頭的硬度來看，熱影響區(qū)存在一定程度的軟化，需進一步研究。

（3） X80M 鋼級Φ1 422 mm 焊管的殘余應力保持在較低水平，管端幾何尺寸控制良好，很好地滿足了中俄東線管道工程的需求。