X80鋼級(jí)Φ1 524 mm×23 mm螺旋埋弧焊管試制

冉軼杰，肖永成，羅小波，劉成坤，蒲夢(mèng)雅，彭 彬，劉 燁，魏 亞

（資陽石油鋼管有限公司，四川 資陽 841300）

近年來，隨著我國(guó)對(duì)天然氣需求的不斷增加，天然氣管道的設(shè)計(jì)輸送能力越來越大，對(duì)管線鋼管的性能提出了更高的要求。 西氣東輸三線、中俄東線等超大輸量天然氣管道建設(shè)，推動(dòng)了我國(guó)在高鋼級(jí)、大直徑、厚壁螺旋埋弧焊管制造技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展[1]。 未來我國(guó)管線鋼管建設(shè)將通過增大管徑和壁厚、提高高級(jí)、提高輸送壓力等手段滿足輸量需求，并有效控制工程建設(shè)投資。 本研究開發(fā)了X80 鋼級(jí)Φ1 524 mm×23 mm 螺旋埋弧焊管，并在生產(chǎn)線上進(jìn)行了試制，試制產(chǎn)品經(jīng)內(nèi)部檢驗(yàn)和第三方評(píng)價(jià)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的要求。

1 卷板開發(fā)及性能分析

鑒于西氣東輸二線、三線工程用X80 熱軋卷板技術(shù)條件對(duì)母材化學(xué)成分的規(guī)定較為寬松，各鋼廠在合金成分設(shè)計(jì)方面存在較大差異，一方面導(dǎo)致卷板自身性能波動(dòng)較大，另一方面在采用不同鋼廠卷扳生產(chǎn)時(shí)制管工藝的適應(yīng)性不強(qiáng)、調(diào)整較大。 因此，本次制定卷板技術(shù)條件時(shí)，對(duì)化學(xué)成分提出了更嚴(yán)格、更精確的要求。 與國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)了23 mm 超厚壁、X80 鋼級(jí)熱軋卷板，提出并優(yōu)化實(shí)施了可行的卷板合金化思路： 超低 C （w （C） ≤0.070%），低 P、S、N，增加Nb、V、Ti 等細(xì)晶合金元素，合理調(diào)整 Nb、Cr、Mo、Ni 等合金元素成分設(shè)計(jì)，既保證卷板的可焊性，又提高其韌性和強(qiáng)度[2]。 煉鋼采用頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐工藝，并經(jīng)真空脫氣、鈣和微鈦處理，軋鋼通過熱機(jī)械控軋 （TMCP） 工藝優(yōu)化，獲得了細(xì)晶粒 （No.10 級(jí)或更細(xì)）、超純凈鎮(zhèn)靜鋼[3]。針對(duì)開發(fā)出的 X80 熱軋卷板，參照 Q/SYGD 0503.1—2016 《X80 級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》[4]（簡(jiǎn)稱 “板卷技術(shù)條件”） 進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。

1.1 卷板化學(xué)成分

在 X80 熱軋卷板外圈、中部、內(nèi)圈取樣，對(duì)應(yīng)試樣編號(hào)分別為1#、2#和3#，其化學(xué)成分見表1。

表1 X80 熱軋卷板化學(xué)成分

由表 1 可以看出，卷板采用超低 C 和 Mn－Mo－Cr－Ni 系合金設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制 S 和 P 含量，適當(dāng)添加 Nb、Ti 和 V 等微合金元素，使 CEPcm遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的0.23%，確保了厚壁X80 管線鋼超純凈、高強(qiáng)度、高韌性、合理強(qiáng)韌配合、良好可焊性和一定的耐蝕性能[5]。

1.2 卷板力學(xué)性能

1.2.1 拉伸性能

X80 熱軋卷板拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。 由表2可以看出，板卷外圈的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略低于板卷的中部和內(nèi)圈，屈服強(qiáng)度分布在556～599 MPa，整卷屈服強(qiáng)度均值584 MPa，處于標(biāo)準(zhǔn)中限值622.5 MPa 以下約38 MPa； 抗拉強(qiáng)度分布在649～673 MPa，整卷抗拉強(qiáng)度均值664.5 MPa，處于標(biāo)準(zhǔn)中限值702.5 MPa 以下38 MPa； 屈強(qiáng)比 為 0.86～0.89，均 值 0.88； 伸 長(zhǎng) 率 為 23%～25%，均值23.3%； 各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)集中、性能穩(wěn)定。 卷板強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)中限值，與卷板化學(xué)成分設(shè)計(jì)碳當(dāng)量較低有關(guān)。

表2 X80 熱軋卷板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2 低溫夏比沖擊性能

X80 熱軋卷板的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3 可以看出，－20 ℃板卷夏比沖擊功集中在287～294 J，斷口剪切面積均為 100%，卷板外圈、中部、內(nèi)圈低溫沖擊性能指標(biāo)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)集中，具有良好的低溫沖擊韌性。

表3 X80 熱軋卷板－20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3 落錘撕裂試驗(yàn)

X80 熱軋卷板的落錘撕裂 （DWTT） 試驗(yàn)結(jié)果見表4。 從表4 可以看出，卷板內(nèi)圈出現(xiàn)了斷口剪切面積最小值83%，雖滿足指標(biāo)要求，但波動(dòng)較大。 DWTT 試驗(yàn)結(jié)果能否達(dá)標(biāo)，是厚壁、X80 卷板開發(fā)的難點(diǎn)之一，特別是卷板外圈、內(nèi)圈部位難度更大，這為進(jìn)一步改善卷板性能指明了方向。

表4 X80 熱軋卷板－15 ℃落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果

1.2.4 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

對(duì)X80 熱軋卷板進(jìn)行了橫向彎曲試驗(yàn)，3 個(gè)位置的試樣均未出現(xiàn)裂紋，符合技術(shù)要求，即彎心直徑45 mm，彎曲試樣的拉伸面上不得出現(xiàn)目視可見的裂紋。

1.2.5 硬度試驗(yàn)

按圖1 所示的測(cè)試點(diǎn)分布，對(duì)卷板進(jìn)行了維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。 從表5 可以看出，卷板外圈硬度值為 201～236HV10，均值為224HV10； 卷板中部硬度值為 209～242HV10，均值為224HV10； 卷板內(nèi)圈硬度值為193～247HV10，均值為 228HV10； 卷板的外圈、中部、內(nèi)圈的維氏硬度相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)比較集中。

圖1 卷板維氏硬度測(cè)試點(diǎn)

表5 X80 熱軋卷板維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.3 金相分析

對(duì)X80 熱軋卷板進(jìn)行了金相分析，結(jié)果見表6，顯微組織形貌如圖2 所示，其中帶狀組織形貌如圖3 所示。 從金相分析結(jié)果可以看出，厚壁高鋼級(jí)卷板通過進(jìn)一步優(yōu)化TMCP 工藝，可滿足全壁厚組織的均勻控制[3]，獲得了高強(qiáng)度的粒狀貝氏體 （鐵素體） 和超細(xì)晶粒，夾雜物和帶狀組織級(jí)別也完全滿足技術(shù)條件要求且有較大富余量，為保證卷板具有良好的組織性能奠定了基礎(chǔ)[6-7]。

表6 X80 熱軋卷板金相分析結(jié)果

圖2 卷板顯微組織形貌

圖3 卷板帶狀組織形貌

以上的性能分析結(jié)果表明，X80 鋼級(jí)熱軋卷板的所有質(zhì)量指標(biāo)完全滿足所參照的 “板卷技術(shù)條件” 要求。

2 制管工藝設(shè)計(jì)

制管工藝設(shè)計(jì)參照 “Q/SYGD 0503.2—2016 X80 級(jí)螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件”[8]（簡(jiǎn)稱 “鋼管技術(shù)條件”） 要求進(jìn)行。 鋼管規(guī)格Φ1 524 mm×23 mm，鋼級(jí) X80，管長(zhǎng) 8～12 m，板卷公稱寬度1 650 mm。

2.1 成型工藝設(shè)計(jì)

成型方式采用三輥彎板、排輥外控、上卷左螺旋MEG 常溫成型。

成型主要工藝參數(shù)： 卷板工作寬度 （1 640±0.5） mm，成型角 69°39′，內(nèi)壓小輥角度 69°19′，外控小輥角度 69°58′，螺距長(zhǎng)度 1 753 mm。 調(diào)型理論圓直徑設(shè)計(jì)為1 520 mm。

三輥彎板機(jī)按過壓彎曲設(shè)計(jì)，成型殘余應(yīng)力采用切環(huán)法檢測(cè)，成品鋼管切口張開間距加嚴(yán)控制在－30～70 mm （“鋼管技術(shù)條件” 要求≤90 mm），允許彈復(fù)量為負(fù)值，即成型后管坯處于壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力與服役應(yīng)力相抵消[9]，對(duì)服役條件下管材的疲勞性能和應(yīng)力腐蝕抗力是有利的[10]。

成型控制的主要質(zhì)量指標(biāo)： 管端外徑允差－1.0～＋1.5 mm，兩端平均直徑差≤2.0 mm；管體外徑允差－4～＋4 mm； 成型縫管端錯(cuò)邊≤1.6 mm、管體錯(cuò)邊≤2.0 mm； 橢圓度允差： 管端 0.6%D、管體 1.2%D； 直度偏差≤管長(zhǎng)的0.2%，局部直度小于3.0 mm/m； 成型縫噘嘴量≤1.5 mm。

2.2 焊接工藝設(shè)計(jì)

內(nèi)、外焊接采用一步法、雙絲埋弧自動(dòng)焊方式，前絲直流、后絲交流，先內(nèi)焊、后外焊，內(nèi)焊點(diǎn)在成型縫咬合后約6 點(diǎn)鐘位置，外焊點(diǎn)在內(nèi)焊點(diǎn)后1.5 個(gè)螺距約12 點(diǎn)鐘位置[11]。

焊材匹配： 內(nèi)外焊 1#、2#絲采用 Φ4.5 mm、Φ4.0 mm 規(guī)格高強(qiáng)度合金埋弧焊絲，與母材等強(qiáng)匹配設(shè)計(jì)，焊縫保護(hù)采用高韌性高速燒結(jié)埋弧焊劑[12]。

焊縫設(shè)計(jì)： 充分考慮壁厚和焊接熔池中焊絲金屬與母材合適的融合比、兼顧低線能量輸入原則下的焊接參數(shù)優(yōu)化[13]，結(jié)合避免焊接夾雜、氣孔、未焊透缺陷的產(chǎn)生，通過多次焊接工藝試驗(yàn)研究、對(duì)比分析和工藝優(yōu)化，確定焊口為X 形坡口，上下坡口角度均采用相對(duì)小角度，鈍邊尺寸接近壁厚的一半，上、下坡口的深度比約為3∶2。

主要焊接參數(shù)： 依據(jù)低線能量輸入原則、結(jié)合焊口工藝參數(shù)、兼顧焊縫外觀及內(nèi)在質(zhì)量等因素，焊速變化控制在±0.05 m/min，匹配適宜的焊接電流、電壓、前后絲間距、傾角、焊絲伸長(zhǎng)等參數(shù)。

焊接控制的主要質(zhì)量指標(biāo)： 內(nèi)外焊道熔合量≥1.5 mm，內(nèi)外焊道中心偏離量≤3.0 mm，內(nèi)、外焊縫余高≤3.0 mm，還包括焊縫的一系列力學(xué)性能指標(biāo)[14]。

3 鋼管試制及檢測(cè)試驗(yàn)

2018 年 10 月，在 Φ1 626 mm 螺旋焊管生產(chǎn)線上進(jìn)行產(chǎn)品試制，試制過程中設(shè)備運(yùn)行正常，成型、焊接工藝質(zhì)量穩(wěn)定，焊接接頭性能優(yōu)良，有效解決了超厚壁、高鋼級(jí)SAWH 鋼管生產(chǎn)中常見的焊縫及HAZ 低溫沖擊韌性指標(biāo)數(shù)據(jù)分散、不集中問題。 對(duì)試制產(chǎn)品按 “鋼管技術(shù)條件” 進(jìn)行外觀目視、X 射線、超聲波、水壓試驗(yàn)等在線無損檢驗(yàn)，按 “鋼管技術(shù)條件” 要求進(jìn)行型式試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)鋼管外形尺寸、表面質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能等進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，所有檢驗(yàn)結(jié)果顯示鋼管各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)滿足參照的 “鋼管技術(shù)條件” 要求。

4 試制產(chǎn)品鑒定評(píng)價(jià)及分析

在試制產(chǎn)品內(nèi)部檢驗(yàn)合格的前提下，在對(duì)應(yīng)卷板外圈、中部、內(nèi)圈原料生產(chǎn)的鋼管上分別截取樣品，對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)分別為4#、5#和6#，送第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

4.1 鋼管拉伸性能

對(duì)鋼管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表7，3 個(gè)試樣全部在焊縫處斷裂。

表7 鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表7 可以看出，管體橫向屈服強(qiáng)度563～592 MPa，整卷原料生產(chǎn)的鋼管屈服強(qiáng)度均值577 MPa，與卷板比均值下降了約 7 MPa，卷板外圈、中部、內(nèi)圈與對(duì)應(yīng)部位鋼管相比，屈服強(qiáng)度變化范圍在+19～－35 MPa； 外圈上升約 19 MPa，中部屈服強(qiáng)度變化不大，下降約7 MPa； 尾部下降幅度稍大，約35 MPa。 管體橫向抗拉強(qiáng)度674～692 MPa、均值為 685 MPa，與卷板相比，外圈抗拉強(qiáng)度制管后上升43 MPa，中部無明顯變化，尾部制管后上升約16 MPa。 屈強(qiáng)比0.82～0.88，均值 0.84，與卷板比有所下降； 伸長(zhǎng)率27%～29%，均值28%。 X80 卷板制管后母材屈服強(qiáng)度從整體平均值看變化不大，包申格效應(yīng)不明顯。

4.2 鋼管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

鋼管焊接接頭橫向?qū)驈澢囼?yàn)結(jié)果見表8。 由表 8 可以看出，X80 鋼管焊接接頭橫向?qū)驈澢嚇拥睦烀嫔衔闯霈F(xiàn)目視可見的裂紋，拉伸面表面光滑，焊接接頭性能良好、穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求。

表8 鋼管焊接接頭橫向?qū)驈澢囼?yàn)結(jié)果

4.3 鋼管金相分析

鋼管管體金相分析結(jié)果見表9，焊接接頭宏觀檢驗(yàn)結(jié)果見表10，管體、焊接接頭顯微組織及宏觀照片如圖4 所示。

由表9 和圖 4 （a）、圖4 （b） 可以看出，鋼管管體金相組織、晶粒度等級(jí)和夾雜物級(jí)別均與卷板的金相分析結(jié)果趨同，均是高強(qiáng)度粒狀貝氏體組織，晶粒度等級(jí)為11.6 級(jí)超細(xì)晶粒，夾雜物、帶狀組織級(jí)別也與板材基本一致，與技術(shù)條件要求相比存有較大的富余量。

表9 鋼管管體金相分析結(jié)果

表10 焊接接頭宏觀檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 管體、焊接接頭顯微組織及宏觀照片

由表10 和圖4 （c） ～圖4 （f） 可以看出，焊接接頭宏觀形貌良好，焊縫余高、重合量、中心偏差等指標(biāo)均滿足技術(shù)條件要求； 焊縫顯微組織為IAF （晶內(nèi)成核針狀鐵素體） +B粒（粒狀貝氏體） +PF （多邊形鐵素體），熔合區(qū)為 B粒，細(xì)晶區(qū)為PF+MA （馬氏體），保證焊接接頭良好力學(xué)性能。

4.4 鋼管夏比沖擊試驗(yàn)

－10 ℃鋼管管體夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表11。由表11 可以看出，管體橫向沖擊功356～472 J，數(shù)據(jù)集中，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)條件要求，剪切面積均為100%； 焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功指標(biāo)遠(yuǎn)高于技術(shù)條件要求，剪切面積指標(biāo)在技術(shù)條件中無量化要求，僅有報(bào)告數(shù)據(jù)。 鋼管整體具有良好的低溫韌性。

表11 －10 ℃鋼管管體夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

在 0 ℃、－10 ℃、－20 ℃、－30 ℃、－45 ℃、－60 ℃系列溫度下，分別對(duì)管體縱向、管體橫向、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行了夏比沖擊試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)束后，系列溫度韌脆轉(zhuǎn)變曲線分別如圖5～圖8 所示。

圖5 系列溫度管體縱向沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線

從圖5～圖8 可以看出，管體縱向、管體橫向的 FATT50CVN均低于－60 ℃，焊縫的 FATT50CVN約為－50 ℃，熱影響區(qū)的 FATT50CVN約為－55 ℃，說明X80 鋼級(jí)螺旋焊管的管體、焊縫及熱影響區(qū)均具有良好的低溫沖擊性能，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，滿足低溫服役條件對(duì)管材性能的要求。

圖6 系列溫度管體橫向沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線

圖7 系列溫度焊縫沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線

圖8 系列溫度熱影響區(qū)沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線

4.5 鋼管落錘撕裂試驗(yàn)

對(duì)鋼管管體進(jìn)行了－5 ℃落錘撕裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼管管體的橫向斷口剪切面積均為100%，完全滿足 “剪切面積單個(gè)值≥70%、平均值≥85%” 的技術(shù)要求。 對(duì)鋼管管體縱向、橫向進(jìn)行了 0 ℃、－5 ℃、－15 ℃、－30 ℃、－45 ℃系列溫度落錘撕裂試驗(yàn)，管體縱向及橫向DWTT系列溫度剪切面積曲線如圖9 所示。

圖9 系列溫度管體縱向和橫向DWTT 剪切面積曲線

由圖9 可以看出，管體縱向 FATT85DWTT約為－30 ℃，說明管體縱向試樣在低于－30 ℃時(shí)斷口剪切面積低于85%，且明顯下降； 管體橫向 FATT85DWTT約－45 ℃，說明管體橫向試樣在低于－45 ℃時(shí)斷口剪切面積低于85%，且明顯下降。 產(chǎn)品技術(shù)條件對(duì)該指標(biāo)未做量化要求，僅做參考并報(bào)告數(shù)據(jù)。

4.6 鋼管硬度檢驗(yàn)

圖10 焊接接頭維氏硬度測(cè)試點(diǎn)示意圖

表12 焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

按圖10 所示測(cè)試點(diǎn)對(duì)鋼管焊接接頭進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表 12。 由表 12 可以看出，卷板外圈、中部、內(nèi)圈制管后焊接接頭維氏硬度值為193～249HV10，測(cè)試數(shù)據(jù)比較集中，與技術(shù)條件指標(biāo)相比，余量較大，且接近制管前卷板的硬度值。 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了焊接工藝設(shè)計(jì)的合理性。

4.7 鋼管水壓爆破試驗(yàn)

取 1 根長(zhǎng) 11.2 m 的 X80 鋼級(jí) Φ1 524 mm×23 mm鋼管進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，結(jié)果見表13，鋼管爆破口形貌如圖11 所示，水壓爆破時(shí)間－壓力曲線如圖12 所示。

表13 水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖11 鋼管爆破口形貌

圖12 水壓爆破時(shí)間-壓力曲線

由表13 可以看出，鋼管實(shí)際爆破壓力為21.43 MPa，大于理論爆破壓力18.86 MPa 和實(shí)測(cè)計(jì)算爆破壓力20.31 MPa，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。 鋼管爆破起爆于管體母材，穿過焊縫后很快止裂，說明管材的止裂性能好，爆破口呈韌性斷開失效，為正常失效破壞[15]。

4.8 試制產(chǎn)品評(píng)價(jià)結(jié)論

試制產(chǎn)品按 “鋼管技術(shù)條件” 要求進(jìn)行了拉伸、導(dǎo)向彎曲、夏比沖擊、落錘撕裂、硬度、水壓爆破等一系列的試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果顯示，試制產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足所參照的 “鋼管技術(shù)條件” 要求，試制產(chǎn)品質(zhì)量合格。

5 結(jié)束語

通過本次X80 鋼級(jí) Φ1 524 mm×23 mm 鋼管試制，在高鋼級(jí)、大直徑、超厚壁螺旋埋弧鋼管制造方面取得了突破，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了X80 鋼級(jí)Φ1 524 mm×23 mm 鋼管制造工藝技術(shù)包，優(yōu)化設(shè)計(jì)了制管成型、焊接關(guān)鍵工藝，鋼管成型方面大膽嘗試彎板過壓彎曲設(shè)計(jì)，有效控制了成型殘余應(yīng)力； 通過工藝試驗(yàn)研究，不斷優(yōu)化焊縫坡口鈍邊、焊速、電流電壓等關(guān)鍵工藝參數(shù)并合理匹配焊材，遵循焊接 “低線能量輸入”原則，獲得了性能優(yōu)良的焊接接頭，有效解決了在超厚壁、高鋼級(jí)SAWH 鋼管生產(chǎn)中極易出現(xiàn)的焊縫及HAZ 低溫沖擊韌性指標(biāo)數(shù)據(jù)分散、不集中的問題。

試制出的X80 鋼級(jí) Φ1 524 mm×23 mm 螺旋埋弧焊管經(jīng)內(nèi)部型式試驗(yàn)和第三方檢測(cè)評(píng)價(jià)，產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)符合 “鋼管技術(shù)條件” 要求，具備批量生產(chǎn)能力。 也為以后超大直徑、更高鋼級(jí)、更大厚壁SAWH 鋼管開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，提供了工藝設(shè)計(jì)參考。