X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管的研發及性能研究*

畢宗岳，黃曉輝，牛 輝，趙紅波，牛愛軍，包志剛，劉 斌

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管的研發及性能研究*

畢宗岳1,2，黃曉輝1,2，牛 輝1,2，趙紅波1,2，牛愛軍1,2，包志剛1,2，劉 斌1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了實現大直徑厚壁焊管的國產化，寶雞石油鋼管有限責任公司聯合太鋼、首鋼、沙鋼等多家鋼廠經過多輪單爐試制和多輪千噸級試制，成功開發出了國產X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋/直縫埋弧焊管，并進行了多項性能檢測。結果表明，螺旋焊管管體屈服強度574～681 MPa，抗拉強度653～759 MPa，-10℃沖擊功平均值373 J；直縫焊管管體屈服強度564～627 MPa，抗拉強度641～694 MPa，-10℃沖擊功平均值460 J；螺旋/直縫焊管-5℃下DWTT剪切面積平均值96%。各項性能指標均達到中俄東線X80級Φ1 422 mm×21.4 mm鋼管的技術要求，說明我國已經具備了工業化批量生產大直徑厚壁焊管的能力。

焊管；X80；大直徑；厚壁；螺旋焊管；直縫焊管；國產化

Abstract:In order to realize the localization of large diameter and thick wall welded pipe，after several rounds of single furnace trial production and several rounds of thousand tons trial production，the domestic X80 grade Φ1 422 mm×21.4 mm large diameter thick wall SAWH/SAWL pipe was successfully developed,which conducted by Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shougang Group，Shashi Iron and Steel Co.，Ltd.，and other steel mills，and a number of performance tests were conducted.The results showed that the yield strength of SAWH pipe body is 574～681 MPa，the tensile strength is 653～759 MPa，the average impact energy is 373 J at-10 ℃.The yield strength of SAWL pipe body is 564 ～627 MPa，the tensile strength is 641～694 MPa，the average impact energy is 460 J at-10 ℃.The average DWTT shear area of SAWH/SAWL pipe is 96%，various performance indicators can meet technical requirements of X80 1 422 mm×21.4 mm steel pipes used for Russia-China Eastern Pipeline，it indicated that China has the ability of industrialized batch production of large diameter thick wall welded pipe.

Key words:welded pipe；X80；large diameter；thick wall；SAWH pipe；SAWL pipe；localization

在滿足輸量要求條件下，減少管道數量、降低管道建造和運營成本等是急需解決的問題。輸氣管道的流量與壓力成一次方的關系，而與管徑成2.5次方的關系[1-3]。西氣東輸一線采用的鋼管為X70級Φ1 016 mm×14.7 mm，輸送壓力10 MPa，設計輸量120×108m3/a，其最高輸送能力可達到170×108m3/a。西二線和西三線提高了鋼級和管徑，采用 X80級 Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋焊管，設計壓力達12 MPa，設計輸量提高到（250～300）×108m3/a[4-6]。 如果采用 X80 級 Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管，系統設計壓力12 MPa以上，年輸氣量可增至450×108m3/a以上，就能更好地適應管道輸量快速增長的需要。為了進一步增大單管輸量，提高管道建設和運行的經濟性，在目前更高鋼級管線鋼如X90、X100沒有工業化應用之前，管徑和壁厚的提高對輸氣量的增加是最為有效的手段。特別是隨著近年來國內鋼鐵冶金企業和制管裝備的更新、工藝改進和技術提升，為高強度大直徑厚壁管材的生產創造了條件。寶雞石油鋼管有限責任公司聯合太鋼、首鋼、沙鋼等多家鋼廠經過多輪單爐試制和多輪千噸級試制，成功開發出了國產X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋/直縫埋弧焊管。

1 板材性能

1.1 化學成分

21.4 mm厚壁X80管線鋼要求具有高強度、高韌性、良好的焊接性能和一定的耐蝕能力[7]?？紤]到管道環焊對成分的要求，結合國外X80厚壁螺旋鋼管低碳當量設計思路，采用低C和Mn-Mo-Cr-Ni系合金設計，并適量添加Nb、Ti和V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，力爭將合金元素的作用發揮到極限，確保板材厚度方向組織和力學性能的均勻穩定。在控軋控冷工藝中，進一步加大了冷卻速度，提高了較低碳當量下板材的強度[8]。各鋼廠21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的化學成分見表1。由表1可見，卷板和鋼板的化學成分基本相同，鋼板與卷板相比，適當降低了Mo、Ni、Cr和Cu等合金元素的含量。

表1 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的化學成分

1.2 組織分析

厚壁板材通過加大粗軋變形量和冷卻量，進一步優化TMCP工藝，實現了全壁厚組織的均勻控制。21.4 mm厚X80卷板/鋼板的金相組織如圖1所示。由圖1可見，不論卷板、鋼板均以AF為主，具有良好的組織均勻性。保證了厚壁X80板材良好的低溫韌性，實現了對DWTT性能的有效控制[3-4]。

圖1 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的金相組織

1.3 力學性能

對21.4mm厚X80熱軋卷板/鋼板在不同條件下進行力學性能試驗，其試驗結果見表2。拉伸試樣取與軋制方向成30°的Φ12.7 mm圓棒試樣。

表2 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板不同條件下的力學性能

由表2可以看出，X80厚壁卷板/鋼板強度適中，硬度控制良好，-20℃沖擊韌性≥337 J，-15℃時DWTTSA≥98%，表明卷板/鋼板強韌性控制較好。

2 成型工藝研究

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm直縫焊管通過小步長JCO成型和合適的擴徑等工藝，可降低管體的殘余應力，提高管體尺寸精度[9-10]。厚壁螺旋焊管通過進一步優化成型工藝和水壓工藝，增大成型輥壓下量，使鋼管塑性變形充分，降低了焊管殘余應力，實現了X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋焊管幾何尺寸精度的有效控制。

采用環切法對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫管進行殘余應力測試，結果見表3。由表3可見，螺旋管彈復量最大為+20 mm，直縫管彈復量最大為+70 mm，均小于標準要求的+90 mm。為了進一步研究鋼管不同部位局部殘余應力，采用盲孔法分別對3家螺旋管廠和1家直縫管廠生產的X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管殘余應力進行了測試，水壓后內外表面環向殘余應力測試結果如圖2所示。由圖2可見，螺旋焊管內外表面環向殘余應力在-197～193 MPa波動，直縫焊管內外表面環向殘余應力在-65～163 MPa波動。檢測結果表明，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管殘余應力值與直縫焊管相當，均小于200 MPa。

表3 21.4 mm厚X80焊管彈復量

圖2 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管內外表面環向殘余應力

3 焊接工藝研究

為了優化厚壁管線鋼焊接工藝參數，研究了焊接熱輸入線能量對21.4 mm厚X80管線鋼熱影響區（HAZ）的影響規律[11-12]。采用線能量為5～65 kJ/cm不同焊接熱輸入進行熱模擬試驗，試驗結果如圖3所示。由圖3可見，在不同焊接熱輸入下，HAZ在-20℃溫度下沖擊韌性隨著線能量的增加呈下降趨勢，當線能量為45 kJ/cm時HAZ韌性開始顯著下降；當線能量為55 kJ/cm時沖擊功急劇降到30 J。因此，21.4 mm厚X80管線鋼HAZ獲得較高韌性的焊接線能量以20～45 kJ/cm為宜。

圖3 不同線能量對21.4mm厚X80管線鋼HAZ沖擊韌性的影響

螺旋管焊接時，前一焊道會受到二次焊道焊接熱循環作用而形成二次HAZ[13]，因此對一次HAZ區中最薄弱的粗晶熱影響區（CGHAZ）進行不同二次熱循環峰值溫度的研究。分別在600℃、800℃、1000℃和1200℃條件下進行熱模擬試驗，結果如圖4所示。由圖4可以看出，當二次熱循環峰值溫度在800℃，也就是在α+γ兩相區范圍時，ICCGHAZ韌性最低，出現脆化。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察800℃峰值溫度下韌性最低試樣的微觀組織，結果如圖5所示。由圖5可見，導致ICCGHAZ局部脆化的因素一是晶粒粗化，二是含有粗大項鏈狀的硬脆性M-A組元。

圖4 21.4mm厚X80管線鋼二次熱循環峰值溫度下粗晶區沖擊韌性

圖5 粗晶區SEM照片

通過多種焊材匹配試驗，優選出適合21.4 mm厚X80管線鋼焊絲、焊劑及焊接參數組合。優選結果表明，BG-H08C焊絲和SJ101H1焊劑匹配時，焊縫韌性穩定，-10℃焊縫沖擊功均在100 J以上。

隨著焊管壁厚的增加，焊接坡口的變化將直接影響焊接接頭力學性能、焊縫組織與焊縫宏觀形貌。21.4 mm厚X80管線鋼埋弧焊接時，為保證內外焊道的熔深，減小焊縫余高，選擇不同的內外坡口及鈍邊進行焊接試驗，結果如圖6所示，當內60°/外 60°，鈍邊在 8～9 mm 時，焊縫及熱影響區沖擊值較為穩定，且-10℃沖擊功均在100 J以上。

圖6 －10℃不同坡口形式下沖擊試驗結果

4 產品性能

4.1 金相組織

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接頭的金相組織如圖7所示。由圖7（a）可見，焊縫熔深、重合量控制較好，內外焊縫表面過渡平滑，焊接過程中焊縫尺寸得到了較好的控制。由圖7（a）和圖7（b）可見，外焊縫組織為針狀鐵素體（AF）+粒狀貝氏體（B 粒）+多邊形鐵素體（PF），熱影響區（HAZ）組織以B粒為主。X80管線鋼管焊縫橫斷面各位置顯微組織均勻細密，保證了厚規格X80管線鋼管焊接接頭具有一定的強度。

圖7 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接頭金相組織照片

4.2 拉伸性能

在X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體180°橫向取Φ12.7 mm圓棒試樣進行拉伸試驗，結果見表4。由表4可以看出，螺旋焊管管體屈服強度為574～681 MPa，抗拉強度為653～759 MPa，焊接接頭抗拉強度≥679 MPa；直縫焊管管體屈服強度564～627 MPa，管體抗拉強度674～694 MPa，焊接接頭抗拉強度≥635 MPa，均符合X80鋼級管材技術條件要求。

表4 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管的拉伸性能

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管抗拉強度正態分布如圖8所示。由圖8可見，不論螺旋焊管還是直縫焊管，其屈服強度和抗拉強度值分布合理，均在標準要求的中值附近。

圖8 X80級Φ1422 mm×21.4 mm焊管抗拉強度正態分布圖

4.3 韌性

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體、焊縫及熱影響區進行夏比沖擊試驗和管體DWTT試驗，結果見表5。由表5可以看出，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管在-10℃管母橫向沖擊功239～476J，焊縫沖擊功104～247J，HAZ沖擊功102～504J；X80級Φ1422mm×21.4 mm直縫焊管在-10℃下管母橫向沖擊功234～503 J，焊縫沖擊功 110～266 J，HAZ 沖擊功 108～459 J。由此可見，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管管體、焊縫及HAZ沖擊性能較高，且均符合相關技術條件的要求。

表5 －10℃下X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管夏比沖擊試驗結果

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體橫向進行落錘撕裂試驗，因標準不同，在0℃時剪切面積單值為90%～100%，均值99%，符合第三代大輸量標準要求的0℃下DWTT單值最小70%、均值最小85%的標準要求；在-5℃時剪切面積單值為86%～100%，平均值94%，也符合較為嚴格的中俄東線要求的-5℃下DWTT單值最小70%、平均值最小85%的標準要求。

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體在20℃、0℃、-20℃、-40℃和-60℃系列溫度下DWTT撕裂試驗的剪切面積如圖9所示。由圖9可見，采用4家鋼廠原料生產的厚壁X80焊管FATT85%均低于-20℃，其中A廠螺旋焊管FATT85%為-45℃。卷板制成鋼管后，雖然硬化效應帶來DWTT性能略有下降，但在-20℃條件下管體仍能獲得良好的抗撕裂韌性，且部分管材具有一定余量。

圖9 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管系列溫度DWTT性能

4.4 硬度

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm管體母材焊縫和HAZ硬度測試結果見表6。由表6可見，母材最大硬度271HV10，焊縫硬度最大值279HV10，HAZ硬度最大值278HV10，焊縫最高，HAZ次之，母材最低，均符合相關技術標準要求。

表6 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管焊接接頭的硬度

4.5 幾何尺寸控制

在X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管生產過程中，利用板邊數字定位和激光跟蹤等技術，精確控制成型過程中原料遞送位置及運行平直度，可有效控制焊管管徑和橢圓度等尺寸精度。X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管周長和橢圓度尺寸測量結果見表7。由表7可見，生產的螺旋焊管管體周長變化范圍可控制在4 458～4 469 mm，管端周長范圍控制在4 462～4 469 mm，橢圓度控制在1.1～6.6 mm。利用JCOE工藝生產的直縫焊管管體周長變化可控制在4 462～4 470 mm，管端周長控制在4 462.5～4 468 mm，橢圓度控制在0～6 mm。因此，通過螺旋/直縫制管過程中各工藝的精確控制，采用4家鋼廠進行千噸級試制生產的X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管的橢圓度、周長均符合尺寸精度高的中俄東線的標準要求，特別是螺旋焊管達到了較高的管體幾何尺寸控制精度。

表7 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管幾何尺寸測量結果

4.6 爆破試驗

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管各抽取1根進行靜水壓爆破試驗，試驗過程中依據標準要求施加水壓壓力15.9 MPa，保壓10 min，檢測結果表明，4家鋼廠的4根焊管均未泄露，也未發生變形。對4根焊管繼續升壓，其爆破失效壓力見表8。由表8可見，4根焊管爆破失效壓力均大于標準中屈服理論計算值16.7 MPa和最高壓力理論計算值18.8 MPa。所有螺旋焊管起爆點均位于管體母材區，然后穿過焊縫后止裂。直縫焊管起爆點位于熱影響區域，但是試驗所得屈服壓力和爆破壓力均高于理論計算值。所有爆破口呈100%韌斷，為正常失效破壞[14]。

表8 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管爆破試驗結果

5 結 論

（1）采用低 C和 Mn-Mo-Cr-Ni系合金設計，并適量添加Nb、Ti及V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，通過進一步優化板材TMCP工藝，實現了X80厚壁管材組織和性能的有效控制，開發出了以針狀鐵素體為主的21.4 mm厚X80熱軋卷板和鋼板。

（2）通過對厚壁焊管成型、焊接、水壓等工藝優化控制，開發出了X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管，各項性能均符合中俄東線等相關標準要求。

（3）采用切環法測得螺旋管彈復量最大為+20 mm，直縫管彈復量最大為+70 mm，采用盲孔法測得螺旋焊管內外表面環向殘余應力波動范圍在-197～193 MPa，直縫焊管內外表面環向殘余應力波動范圍在-65～163 MPa，螺旋焊管殘余應力值與直縫焊管相當，均小于200 MPa?？梢?，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管具有較低的殘余應力。

（4）X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管具有較高的幾何尺寸精度，可完全滿足管道現場全位置自動焊施工要求。

（5）X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管實現了千噸級生產試制，試制產品通過了國家油氣管材質檢中心和管道局環焊試驗檢測，表明國內企業完全具備規?；a高壓大輸量油氣管道用X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧鋼管的能力。

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Development and Performance Study of X80 Grade Φ1 422 mm×21.4 mm Large Diameter and Thick Wall Welded Pipe

BI Zongyue1,2,HUANG Xiaohui1,2,NIU Hui1,2,ZHAO Hongbo1,2,NIU Aijun1,2,BAO Zhigang1,2,LIU Bin1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China)

TE832

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.001

2016-11-06

編輯：謝淑霞

中國石油天然氣股份有限公司科技攻關專項，第三代高壓大輸量油氣管道建設關鍵技術研究課題“Φ1 422 mm X80管線鋼管應用技術研究”（項目號2012E-2801-09）。

畢宗岳（1962—），男，博士，教授級高工，長期從事油氣管材開發及焊接技術研究工作。