大直徑、大壁厚K65鋼級(jí)耐低溫直縫埋弧焊管的開發(fā)

韓秀林，張遠(yuǎn)生，孫靈麗，蔣幽君，楊瑋瑋

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣 062658；2.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100009；3.渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造公司抽油機(jī)公司，河北 青縣062658）

0 前 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)向邊遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展，高寒地區(qū)輸送管線的建設(shè)成為熱點(diǎn)之一。由于這些鋼管可能穿越不連續(xù)凍土帶，還要適應(yīng)土壤凍脹和溶沉造成的影響，對(duì)鋼管的低溫韌性有較高要求；另一方面，近幾年來，深海惡劣環(huán)境下的油氣輸送管線建設(shè)也逐漸增多，對(duì)大壁厚鋼管產(chǎn)品也要求較高強(qiáng)度和較好的低溫韌性。

國際上歐美等先進(jìn)的鋼廠、制管企業(yè)為滿足開發(fā)高寒地區(qū)及深海環(huán)境用管的需求，均開發(fā)了相應(yīng)的低溫鋼管，包括俄羅斯、歐洲和日本等，并在鋼管的低溫韌性和應(yīng)變性能研究方面都取得了重大進(jìn)展。目前國內(nèi)對(duì)低溫管道還沒有明確定義，僅對(duì)部分寒冷地區(qū)站場所用鋼管提出了低溫要求。一般管道CVN要求在－10℃條件下進(jìn)行。DWTT一般要求在0℃條件下進(jìn)行，國內(nèi)現(xiàn)制定的站場管CVN要求一般在－30℃，DWTT一般要求在－10℃。而低溫管道對(duì)于上述試驗(yàn)提出了更加嚴(yán)格的要求，以滿足低溫環(huán)境用管的需求。

目前，國際上高鋼級(jí)大壁厚耐低溫鋼管的代表是俄羅斯巴甫年科沃—烏恰天然氣管道采用的K65鋼管。K系列管線鋼是俄羅斯油氣輸送鋼管GOST標(biāo)準(zhǔn)和俄氣企標(biāo)中的鋼級(jí)，與我國常用的API SPEC 5L和中石油企標(biāo)有較大差別。K系列采用國際單位制（SI），強(qiáng)度單位kgf/mm2；以抗拉強(qiáng)度最小值表示（kgf/mm2），K65表示管線鋼最小抗拉強(qiáng)度為65 kgf/mm2（640 MPa），最小屈服強(qiáng)度為545 MPa，相當(dāng)于API標(biāo)準(zhǔn)中的X80鋼級(jí) （最小屈服強(qiáng)度555 MPa，最小抗拉強(qiáng)度640 MPa）。

目前，渤海裝備研究院于2013年積極組織進(jìn)行K65直縫埋弧焊管的開發(fā)和研究，從鋼板材料研究到制管，都屬國內(nèi)首次，這不僅彌補(bǔ)了國內(nèi)制管行業(yè)空白，也為迎接國際上高性能耐低溫鋼管的發(fā)展提供了技術(shù)儲(chǔ)備和技術(shù)支持。

筆者將對(duì)研究所做的低溫韌性試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹，為國內(nèi)設(shè)計(jì)低溫環(huán)境下高鋼級(jí)耐低溫管線管提供技術(shù)依據(jù)。

1 焊管試制情況

渤海裝備研究院在綜合研究俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參照俄羅斯巴甫年科沃—烏恰天然氣管道的技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合俄羅斯、德國等鋼管企業(yè)的研制經(jīng)驗(yàn)，最終確定了大直徑、大壁厚耐低溫K65焊管的技術(shù)指標(biāo)，拉伸強(qiáng)度要求見表1，夏比沖擊性能要求見表2，DWTT性能要求見表3，硬度≤280 HV10。

表1 大直徑、大壁厚耐低溫K65焊管拉伸強(qiáng)度要求

表2 大直徑、大壁厚耐低溫K65焊管夏比沖擊性能要求

表3 大直徑、大壁厚耐低溫K65焊管DWTT性能要求

渤海裝備研究院與相關(guān)鋼廠合作開發(fā)大直徑、大壁厚K65鋼級(jí)耐低溫直縫埋弧焊管。研制采用的鋼板為低C高M(jìn)n高Nb的化學(xué)成分體系，鋼板的化學(xué)成分見表4，性能見表5。鋼板經(jīng)渤海裝備巨龍鋼管公司制成JCOE直縫埋弧焊管，其規(guī)格為 準(zhǔn)1 420 mm×27.7 mm，鋼級(jí)為K65，鋼管力學(xué)性能見表6。

按照API SPEC5L標(biāo)準(zhǔn)分別在鋼管上取夏比沖擊和DWTT試樣。夏比沖擊試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，缺口為V形，取樣方向均為橫向，試樣缺口位置分別開在鋼管母材、焊縫及熱影響區(qū)；DWTT試樣沿鋼管焊縫90°位置，分橫向和縱向取樣，缺口為V形壓制缺口，缺口深度為5 mm。夏比沖擊試驗(yàn)執(zhí)行ASTM E23―2012標(biāo)準(zhǔn)，DWTT試驗(yàn)執(zhí)行API RP 5L3―2007標(biāo)準(zhǔn)。

表4 大直徑、大壁厚耐低溫K65鋼板的化學(xué)成分 %

表5 大直徑、大壁厚耐低溫K65鋼板力學(xué)性能

表6 大直徑、大壁厚耐低溫K65鋼管的力學(xué)性能

2 低溫韌性試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低溫夏比沖擊韌性

分別在兩根鋼管上沿的橫向取母材、焊縫及熱影響區(qū)各12個(gè)試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-40℃，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 -40℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

在母材12個(gè)橫向試樣的測試結(jié)果中，最低沖擊吸收功為287 J，最高可達(dá)436 J，平均為323 J。韌性剪切面積最小為85%，平均值為97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于API SPEC 5L中對(duì)對(duì)X80鋼管斷裂韌性試驗(yàn)的要求，也超過了渤海裝備公司制定的技術(shù)指標(biāo)要求，可見鋼管有足夠高的低溫沖擊韌性。

焊縫低溫夏比沖擊試驗(yàn)測試結(jié)果中，沖擊吸收功最小為161 J，均值為188 J，低溫韌性剪切面積最低值為60%，均值為68%。

焊接熱影響區(qū)低溫夏比沖擊試驗(yàn)測試結(jié)果中，沖擊吸收功最小為36 J，均值為105 J，低溫韌性剪切面積最低值為10%，均值為30%。

由以上分析可知，不論是沖擊功還是韌性剪切面積，焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性都比焊縫低。圖1為K65鋼管不同區(qū)域低溫韌性對(duì)比，是根據(jù)表7中沖擊功和剪切面積值繪制而成的。由圖1可見，K65鋼管焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性較差，焊縫居中，鋼管母材韌性最好。

圖1 K65級(jí)鋼管不同區(qū)域-40℃低溫沖擊韌性對(duì)比

2.2 低溫DWTT性能

K65級(jí)鋼管母材橫向低溫DWTT試驗(yàn)的試樣在兩根鋼管上各取兩個(gè)，試驗(yàn)溫度為-20℃，試驗(yàn)結(jié)果見表8。在所有試樣測試結(jié)果中，斷口韌性剪切面積最低為60%，最高為90%，平均為80%。可見，試驗(yàn)測得的單個(gè)最小值和平均值都達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求。為此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API SPEC 5L和GB/T 8363進(jìn)行了減薄DWTT試驗(yàn)，在相同的兩根鋼管上各取兩個(gè)試樣，單側(cè)減薄至19 mm，試驗(yàn)溫度為-31℃，試驗(yàn)結(jié)果見表9。斷口韌性剪切面積最低為85%，最高為100%，平均為92.5%?？梢姡瑴p薄DWTT試驗(yàn)測得的單個(gè)最小值和平均值都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求和技術(shù)指標(biāo)要求，說明K65直縫埋弧焊管在低溫環(huán)境下具有較好的韌性。

表8 低溫全壁厚DWTT試驗(yàn)結(jié)果 （-20℃）

表9 低溫減薄DWTT試驗(yàn)結(jié)果 （-31℃）

2.3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度測試

為了測試K65鋼管母材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)一步研究K65鋼管在低溫環(huán)境下的斷裂韌性，選擇不同低溫溫度區(qū)間進(jìn)行夏比沖擊性能試驗(yàn)和DWTT性能測試試驗(yàn)，夏比沖擊選擇的溫度區(qū)間分別為-10℃，-40℃和-60℃，DWTT選擇的溫度區(qū)間分別為20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃，-30℃和-40℃。

不同溫度下鋼管母材橫向的夏比沖擊性能如圖2所示。由圖2可見，鋼管母材橫向具有較高的抗沖擊性能，即使在-60℃環(huán)境下，沖擊功都在200 J以上；從試樣斷口形貌來看，在設(shè)計(jì)的所有測試溫度點(diǎn)中，韌性剪切面積均在60%以上。從而可以推測，鋼管母材橫向剪切面積為50%時(shí)的FATT已經(jīng)低于-60℃。

圖2 不同低溫條件下鋼管母材橫向夏比沖擊性能

K65鋼管母材橫向在不同低溫條件下進(jìn)行的全壁厚DWTT和減薄DWTT測試結(jié)果如圖3所示，在給定試驗(yàn)溫度下，鋼管母材橫向全壁厚斷口韌性剪切面積始終比減薄的低，進(jìn)一步根據(jù)圖3關(guān)系曲線可以看出，本次試制K65鋼管母材橫向剪切面積為50%的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-37℃。

圖3 不同低溫條件下全壁厚DWTT和減薄DWTT測試結(jié)果

3 影響鋼管低溫韌性的主要因素

3.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

由表1可知，本次試制K65鋼管化學(xué)成分中，嚴(yán)格控制了C含量，w（C）=0.05%，這對(duì)于韌性和可焊性都是有利的；試制管線鋼中w（Mn）=1.71%，處于API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的上限，提高M(jìn)n含量，擬制鐵素體－珠光體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)向貝氏體轉(zhuǎn)變，從而提高了基體的韌性；Mo可提高鋼的強(qiáng)度而不降低韌性，Mo和Mn及其他元素一起對(duì)產(chǎn)生細(xì)晶粒貝氏體組織有著重要作用；Nb和V都可以細(xì)化晶粒，本次試制管線鋼中w（Nb）和w（V）都高達(dá)0.089%，有效改善了鋼的強(qiáng)度和韌性；w（Ti）=0.016%，由于其與N元素有很強(qiáng)的親和力，Ti與N結(jié)合形成TiN，可固定鋼中N元素，且TiN在鋼中以細(xì)小彌散狀質(zhì)點(diǎn)分布，可以降低板坯加熱奧氏體化溫度，來控制奧氏體晶粒長大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，有效地改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。

3.2 嚴(yán)格的軋制工藝

本次試制的厚壁K65鋼板采用OHTP工藝經(jīng)過嚴(yán)格控軋而成。從板坯加熱奧氏體化，控制溫度，到有效地控制奧氏體晶粒尺寸，再經(jīng)過粗軋，反復(fù)利用再結(jié)晶來細(xì)化奧氏體晶粒，使得再結(jié)晶奧氏體晶粒變得細(xì)小而均勻，最后經(jīng)過精軋，嚴(yán)格控制軋制速度及終軋溫度，最終獲得均勻細(xì)小的貝氏體組織，從而保證了鋼材具有較高的強(qiáng)韌性。

3.3 合理焊接工藝

通常受到焊接過程中產(chǎn)生熱量的影響，直縫埋弧焊管熱影響區(qū)具有離散的微觀組織，與母材相比韌性較低。特別是在粗晶熱影響區(qū)靠近焊縫的位置，發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象并形成M/A組元時(shí)，韌性明顯惡化。本次試制K65鋼管合金成分較高，強(qiáng)度高且厚壁大，導(dǎo)致熱影響區(qū)韌性較低，甚至出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的值。在今后的試制中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整板材的合金成分并優(yōu)化軋制工藝，保證組織的均勻性。本次試制采用了專門研制的低溫焊絲，并在平板試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理確定了焊接工藝參數(shù)，包括焊材匹配、熱輸入和焊接電流電壓等，同時(shí)優(yōu)化調(diào)整了坡口尺寸、成型工藝和擴(kuò)徑率，從而使焊縫以及焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能和金相組織都得到了良好的保證。

4 結(jié) 論

通過K65管線鋼管試制及對(duì)低溫性能的試驗(yàn)和研究，結(jié)果表明：

（1）鋼管整體具有較好的低溫韌性，焊接熱影響區(qū)具有較好的低溫沖擊韌性，焊縫居中，母材韌性最好。

（2）-20℃條件下，減薄DWTT試驗(yàn)測得的單個(gè)最小值和平均值都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求和技術(shù)指標(biāo)要求，說明K65直縫埋弧焊管在低溫環(huán)境下具有較好的韌性。

（3）在-60℃條件下，鋼管母材橫向沖擊功都在200 J以上；從試樣斷口形貌來看，鋼管母材橫向剪切面積為50%時(shí)的FATT已經(jīng)低于-60℃。

（4）根據(jù)K65鋼管母材在不同溫度條件下的DWTT結(jié)果，計(jì)算得出本次試制K65級(jí)鋼管母材橫向剪切面積為50%的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-37℃。

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