中俄東線-45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通的研發(fā)

趙志偉， 吳亞軍， 安曉軍

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

中俄東線天然氣管道工程（簡稱中俄東線工程） 是我國繼西氣東輸及中緬管線后又一重大高壓長輸管道工程， 是我國規(guī)劃建設(shè)的四大能源通道重要構(gòu)成部分[1]， 也是中國石油天然氣集團有限公司規(guī)劃中的第三代大輸量天然氣輸送管道項目[2]。 其干線設(shè)計應(yīng)用X80M 鋼級Φ1 400 mm 鋼管， 管徑和壁厚較西氣東輸二線及三線都有很大提升。 與之連接的站場用三通， 其規(guī)格同樣為X80M 鋼級Φ1 400 mm， 特別是 “黑河—長嶺”段（北段） 站場用三通， 首次設(shè)計采用裸露服役方式， 取消了傳統(tǒng)的保溫伴熱等措施， 三通最低服役環(huán)境溫度為-45 ℃， 設(shè)計壁厚達57 mm。 由于在裸露環(huán)境中服役， 所以對三通的耐低溫性能提出了更高的要求， 以下將介紹X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通的研發(fā)及制造過程。

1 研發(fā)過程

1.1 總體研發(fā)方案

為了研發(fā)出符合中俄東線工程標準要求的-45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通產(chǎn)品， 設(shè)計了“鋼板化學成分→低溫焊接材料及焊接工藝→三通成型及熱處理工藝” 的三步走研究方案， 并按照預(yù)定方案開展工作。

1.2 鋼板化學成分研究

為了使三通在-45 ℃低溫環(huán)境下具備優(yōu)良的韌性和強度， 需要研發(fā)適用于三通制造工藝過程的專用低溫鋼板。 先后選擇國內(nèi)外多個鋼廠生產(chǎn)的X80M 鋼級（或相當于X80M 鋼級） 鋼板， 通過模擬三通制造時的受熱過程， 研究化學成分與三通力學性能之間的關(guān)系， 總結(jié)試制結(jié)果后， 按照以下原則對試制鋼板化學成分做出調(diào)整：

（1） 提高Ni 元素含量， 充分發(fā)揮Ni 元素的細晶強化作用， 能夠有效降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度， 減小鋼對缺口的敏感性， 從而提高材料韌性。

（2） 適當提高Cu、 Mo、 Cr 元素含量， 從而提高厚壁鋼板的淬透性和回火穩(wěn)定性， 確保控軋鋼在二次加熱后， 快速冷卻淬火時， 獲得更多的貝氏體組織， 由此保證三通的強度。

（3） 適當增加Nb、 V 含量， 使之與C 元素形成穩(wěn)定性高且呈顆粒狀均勻分布的碳化物， 進而有效抑制加熱時奧氏體晶粒粗大， 提高材料韌性。 此外， 在回火熱處理過程中還可發(fā)揮析出強化作用， 從而提高材料強度。

（4） 適當降低C、 Mn 含量， C、 Mn 元素含量較高時可增強材料的淬透性， 有助于提高強度， 但Mn 含量過高容易導(dǎo)致鋼的過熱敏感性和回火脆性， 使沖擊性能下降， C、 Mn 含量過高還會導(dǎo)致焊縫沖擊韌性下降； 而降低C、 Mn 含量可以改善成分偏析現(xiàn)象， 提高芯部組織均勻性。

（5） 通過分析材料碳當量變化對三通性能的影響， 設(shè)計產(chǎn)品的碳當量。 鋼板碳當量與熱處理后的力學性能見表1。

表1 鋼板碳當量與熱處理后的力學性能

經(jīng)多次驗證， 初步確定了鋼板化學成分的控制目標值 （見表2）。 同時與鋼廠協(xié)商， 要求其嚴格控制熔煉及軋制工藝， 保證原始鋼板的夾雜物等級， 同時保證其晶粒度不低于10 級。 X80M鋼板壁厚表面及中心金相組織形貌如圖1 所示。

表2 X80M 鋼板常溫與低溫狀態(tài)下主要化學成分 %

圖1 X80M 鋼板壁厚表面及中心金相組織形貌

合理的成分設(shè)計及熱處理工藝， 使得材料在熱處理后得到了分布均勻的粒狀貝氏體金相組織， 使中心位置-45 ℃低溫沖擊韌性穩(wěn)定， 母材表面和中心位置均以粒狀貝氏體為主， 中心位置夾雜著少量的多邊形鐵素體， M-A 及各類碳化物在貝氏體晶界內(nèi)呈板條狀及彌散點狀分布。表面及中心處晶粒度均勻一致， 說明成分的改進設(shè)計提升了材料的淬透性， 使整個壁厚范圍內(nèi)組織的均勻性有了明顯的改善， 達到了理想的效果。

1.3 低溫焊接材料及焊接工藝研究

與普通三通相比， 中俄東線-45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通在強度、 壁厚、 合金含量等方面均有較大提高， 焊接難度加大[3-4]。 前期焊接試驗時， 三通焊縫受熱后， 組織晶粒明顯粗化， 出現(xiàn)較多的大尺寸多邊形鐵素體及貝氏體。焊縫的這種組織形態(tài)會造成沖擊試驗時焊縫的脆斷區(qū)域大， 斷口形貌較平， 裂紋擴展阻礙小， 從而導(dǎo)致沖擊韌性試驗不合格[5]。 這是由于為了保證焊縫金屬填充量和焊接速度， 增大熱輸入量， 致使焊縫中存在柱狀晶及粗大晶粒； 在熱成型過程中，隨著溫度的升高， 粗大晶粒在局部迅速長大， 進而影響三通的沖擊韌性。 因此， 焊接過程中， 合理控制熱輸入量可有效改善焊縫沖擊韌性。

在三通成型過程中， 由于焊縫要經(jīng)過多次受熱及受力， 因此焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性較難以保證。 根據(jù)金屬學原理， 結(jié)合實際經(jīng)驗， 本研究通過合理調(diào)配主要影響元素的配比， 進行大量焊接及熱模擬試驗， 設(shè)計出專用低溫焊絲， 采取單絲多層多道焊工藝， 合理配比使用一些低Mn高堿度的焊劑， 進行三通坯筒焊接。 為保證焊縫整體化學成分和性能均勻一致， 內(nèi)焊完成后， 將預(yù)焊焊縫及鈍邊通過特殊處理方式徹底清除， 然后再采取與內(nèi)焊相同方式進行外焊， 同時在保證焊縫形貌及熔合要求的基礎(chǔ)上調(diào)整焊接坡口形式， 優(yōu)化焊接參數(shù) （見表3）， 控制焊接線能量， 焊接過程如圖2 所示。 通過以上措施， 細化了焊縫組織， 有效改善了焊縫和熱影響區(qū)的強度和韌性， 焊縫中心及熱影響區(qū)中心金相組織形貌如圖3 所示。

表3 -45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)

圖2 三通焊接成形過程

圖3 焊縫中心及熱影響區(qū)中心金相組織形貌

1.4 三通成型及熱處理工藝研究

1.4.1 三通成型工藝研究

中俄東線-45 ℃X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通，主口外徑為1 422 mm， 支口外徑為1 219 mm， 原材料壁厚為57 mm， 肩部壁厚達到72 mm， 產(chǎn)品壁厚大， 成型難度高， 需要多次壓制， 從而對相關(guān)成型設(shè)備、 工裝、 模具等提出更高的要求， 各個設(shè)備設(shè)施必須能夠承受4 000 余噸的載荷。 通過摸索試制開發(fā)出“三步法” 成型工藝， 即將整個成型過程分解為整體壓扁、 主口成型、 支口成型三步進行， 每一步再細分至3～5 次壓制或拔制過程， 整個成型過程需要經(jīng)過12 次加熱及壓制步驟， 嚴格精確控制每一步的蠕變量及蠕變速度， 從而保證了整個三通的成型質(zhì)量及外觀、 幾何尺寸， 三通熱壓成型及熱處理過程如圖4 所示。

圖4 三通熱壓成型及熱處理過程

1.4.2 三通熱處理工藝研究

X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過多次熱成型， 其中最終熱處理 （淬火+回火） 是三通生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)， 也是解決強韌性矛盾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 存在非常大的難度。 首先三通肩部壁厚、 支管壁厚、 主管壁厚相差很大（最大壁厚差達到24 mm）， 且母材和焊縫的化學成分也有很大不同， 因此熱處理過程需要充分考慮各類因素的影響， 準確制定相應(yīng)的工藝參數(shù)， 包括淬火溫度、 淬火加熱速度、 淬火保溫時間、 淬火冷卻介質(zhì)及溫度、 回火溫度、 回火保溫時間、回火冷卻方式等， 確保產(chǎn)品的整體性能符合標準要求， 不同工藝參數(shù)下的材料強度如圖5 所示，不同工藝參數(shù)下的材料韌性曲線如圖6 所示。 此外， 為確保產(chǎn)品各部位受熱均勻， 需嚴格控制熱處理溫度及精度， 確保爐內(nèi)溫度分布均勻。 由于三通產(chǎn)品為非規(guī)則異形工件， 需結(jié)合其形狀尺寸及各位置壁厚， 確定工件在爐膛內(nèi)的擺放位置，以達到最佳熱處理效果。

圖5 不同工藝參數(shù)下的材料強度

圖6 不同工藝參數(shù)下的材料韌性

本研究采用全新臺車式天然氣熱處理爐， 爐膛尺寸為5 000 mm×4 500 mm×3 500 mm。 采用直焰蓄熱式交互燒嘴， 將燒嘴布置在爐膛下側(cè)，均勻分布， 共計8 臺。 新爐控溫精度為±1 ℃， 爐溫均勻度為±10 ℃， 最大加工能力Φ3 000 mm。

結(jié)合材料特性， 經(jīng)過多次熱模擬與實物工藝試驗， 最終確定最佳熱處理工藝（見表4）。

結(jié)果表明： ①當淬火溫度低于920 ℃時， 產(chǎn)品的強度普遍偏低（500～560 MPa）， 低溫韌性良好 （100～250 J）； ②當產(chǎn)品淬火溫度達到950～960 ℃時， 產(chǎn)品的低溫韌性變差（40～50 J）； ③當淬火溫度為940～950 ℃時， 產(chǎn)品的低溫韌性良好， 但產(chǎn)品屈服強度偏高（接近標準上限）； ④淬火溫度達到930～940 ℃時， 產(chǎn)品強度和韌性均能達到理想目標； ⑤淬火溫度相同時， 隨著回火溫度的升高， 強度增大， 韌性下降， 當回火溫度保持650 ℃時， 產(chǎn)品強度和韌性均能夠達到理想目標。

表4 -45 ℃X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通熱處理工藝

2 產(chǎn)品主要性能

-45 ℃X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通主要應(yīng)用于高寒地區(qū)高壓長輸油氣管道站場建設(shè)， 裸露服役可改變輸送介質(zhì)的傳輸方向， 同時控制輸送介質(zhì)的匯集和分支， 是管道連接中的重要組成元件。 該產(chǎn)品適用-45～80 ℃服役環(huán)境， 額定工作壓力可達12 MPa， 壁厚為57～72 mm；產(chǎn)品抗震性好、 強度韌性高、 性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長， 各項性能指標均達到或優(yōu)于ZE06T04-GI001-A01#EMA-SP-0201 《中俄東線天然氣管道工程 （黑河-長嶺段） 站場低溫環(huán)境用DN1400 及以下鋼制對焊管件技術(shù)條件》及ASME B16.9—2007 《工廠制造的鍛軋對焊管配件》[6]、 MSS SP-75-2004 《 優(yōu)質(zhì)鋼制對焊管件規(guī)范》[7]、 SY/T 0609—2016 《優(yōu)質(zhì)鋼制對焊管件規(guī)范》[8]等相關(guān)標準要求。 其主要力學性能與外觀幾何尺寸[9]分別見表5 和表6。

表5 -45℃X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通主要力學性能

表6 -45℃X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通外觀幾何尺寸[10]

3 產(chǎn)品驗證性試驗

委托國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對所試制的-45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm三通抽樣進行理化性能檢測， 檢測結(jié)果合格。中國石油管道局工程有限公司設(shè)計分公司聯(lián)合清華大學對三通進行了全尺寸靜水壓爆破驗證性試驗， 試驗溫度29 ℃。 結(jié)果表明： ①測試最高壓力40.02 MPa； ②試驗三通實際爆破壓力為40.0 MPa， 大于理論計算爆破壓力31.4 MPa， 起爆點位于支管連接管距支管環(huán)焊縫110 mm 處，爆破口為韌性斷裂。 爆破三通實物如圖7 所示，爆破試驗的壓力-時間曲線如圖8 所示。

圖7 三通爆破實物照片

圖8 三通爆破試驗的壓力-時間曲線

2018 年11 月22 日， 研發(fā)的-45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm 三通通過了中國石油天然氣集團有限公司的新產(chǎn)品成果鑒定， 并于2019 年和2020 年連續(xù)兩年實現(xiàn)了對中俄東線工程的批量供貨。

4 結(jié) 論

（1） -45 ℃低溫環(huán)境用X80M 鋼級Φ1 400 mm三通主要應(yīng)用于高寒地區(qū)裸露服役的高壓、 大輸量天然氣管道， 與傳統(tǒng)保溫伴熱等措施相比， 具有能耗低、 巡檢和維護工作量小等優(yōu)點。 該型三通的成功研發(fā)， 攻克了大壁厚管件的低溫止裂難題， 為中俄東線天然氣管道的建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)， 保證了中俄東線天然氣管道的開工建設(shè)， 為中俄東線管道的順利貫通運營提供了重要的技術(shù)支撐。

（2） 該三通不僅可以應(yīng)用于中俄東線、 國內(nèi)重大管線等管道建設(shè)， 促進國產(chǎn)低溫大直徑、 厚壁、 高鋼級焊管的批量化應(yīng)用， 也可憑借先進的技術(shù)， 走向國際市場。 該產(chǎn)品的研發(fā)對于提升我國油氣輸送管的產(chǎn)品形象， 以及企業(yè)的國際競爭力， 有著積極的意義。