擴(kuò)徑率對(duì)直縫埋弧焊管拉伸性能的影響

李為衛(wèi)，趙元雷，吉玲康

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

擴(kuò)徑率對(duì)直縫埋弧焊管拉伸性能的影響

李為衛(wèi)1,2，趙元雷1,2，吉玲康1,2

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

為了提高油氣輸送管道用直縫埋弧焊管拉伸性能的合格率和性能穩(wěn)定性，利用擴(kuò)徑率對(duì)屈服強(qiáng)度有顯著影響這一規(guī)律，采用信息系統(tǒng)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，提出一種制管技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方式。并通過實(shí)例驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性。驗(yàn)證結(jié)果表明，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過建立焊管拉伸性能與擴(kuò)徑率數(shù)據(jù)庫(kù)的函數(shù)關(guān)式，針對(duì)每批原料選擇不同的擴(kuò)徑率，實(shí)現(xiàn)焊管拉伸性能的準(zhǔn)確控制。目前，該技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利（ZL 201310202717.X）。

焊管；直縫埋弧焊管；擴(kuò)徑率；拉伸性能；波動(dòng)范圍

油氣管道建設(shè)需要大量高性能的管線管，目前高壓、大直徑、大輸量油氣管道使用的鋼管大多為X70或X80直縫埋弧焊（SAWL）管。我國(guó)大直徑直縫埋弧焊管技術(shù)及裝備已處于國(guó)際水平，有的甚至達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但鋼管質(zhì)量及穩(wěn)定性與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的鋼管質(zhì)量還有一定差距[1-3]。隨著管道服役條件要求更加嚴(yán)酷，對(duì)管線鋼管的性能要求更高、更全面，如何通過現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)提高管線鋼和鋼管制造廠的質(zhì)量保證能力，滿足管道項(xiàng)目規(guī)范要求，是取得重要管道項(xiàng)目客戶信賴的關(guān)鍵條件?，F(xiàn)代化制管過程采用過程自動(dòng)化、信息化控制技術(shù)，可以做到針對(duì)每一根鋼管對(duì)擴(kuò)徑率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和控制[4-5]。

本研究提出了一種制管工藝技術(shù)，針對(duì)不同鋼廠、不同合金體系和不同軋制工藝的原材料，通過測(cè)量和分析原材料、焊管拉伸性能與擴(kuò)徑率的相關(guān)性，建立相關(guān)函數(shù)關(guān)系，制管過程中針對(duì)每批焊管原材料選擇不同的擴(kuò)徑率，實(shí)現(xiàn)焊管拉伸性能的準(zhǔn)確控制，提高油氣管道用焊管的質(zhì)量。

1 焊管生產(chǎn)中出現(xiàn)的拉伸性能問題

拉伸性能是管線鋼管最基本、最主要的性能，是制管過程中必須嚴(yán)格控制的性能之一。張偉福[6]對(duì)川氣東送工程國(guó)產(chǎn)化大直徑X70級(jí)Φ1 016mm×21mm厚壁直縫埋弧焊管與國(guó)外同類鋼管進(jìn)行對(duì)比分析，指出國(guó)產(chǎn)焊管的拉伸性能接近西氣東輸一線進(jìn)口的同類焊管水平，川氣東送國(guó)產(chǎn)化焊管母材的屈服強(qiáng)度均值為556 MPa，高于西氣東輸一線進(jìn)口的同類焊管的538 MPa，但其母材屈服強(qiáng)度最小值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，屈服強(qiáng)度波動(dòng)相對(duì)較大。這是交貨焊管的統(tǒng)計(jì)分析，但實(shí)際生產(chǎn)中有許多焊管的屈服強(qiáng)度因低于標(biāo)準(zhǔn)要求而報(bào)廢。西氣東輸二線用X80級(jí)Φ1 219mm×22mm直縫埋弧焊管試制過程中，一個(gè)主要的問題就是焊管的屈強(qiáng)比偏高（有的高達(dá)0.99），遠(yuǎn)超過API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)要求（≤0.92），雖然經(jīng)過各種調(diào)試，屈強(qiáng)比有所下降，但仍然達(dá)不到API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)要求，使得該工程技術(shù)條件的屈強(qiáng)比不得已降低至低于API標(biāo)準(zhǔn)要求，但批量生產(chǎn)過程中仍有許多焊管的屈強(qiáng)比超出工程技術(shù)條件要求而報(bào)廢。西氣東輸二線X80直縫埋弧焊管大批量生產(chǎn)中焊管屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布帶寬130 MPa，而國(guó)產(chǎn)焊管的屈服強(qiáng)度分布在565～755 MPa之間，焊管屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布帶寬190 MPa，控制范圍明顯增大[7]。

綜合分析資料表明，西氣東輸、陜京二線、川氣東送等天然氣管道工程用X70直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中均出現(xiàn)屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，X80直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中經(jīng)常產(chǎn)生屈服強(qiáng)度偏高、屈強(qiáng)比超出標(biāo)準(zhǔn)上限（≤0.93）的情況，造成焊管報(bào)廢。另外，分析國(guó)內(nèi)外直縫埋弧焊管的質(zhì)量差異，國(guó)產(chǎn)焊管主要是屈服強(qiáng)度分散性大，性能不穩(wěn)定，給管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接強(qiáng)度匹配和安全運(yùn)行帶來不利影響。

2 擴(kuò)徑率對(duì)焊管強(qiáng)度的影響

擴(kuò)徑是直縫埋弧焊管制造過程中的重要工序，擴(kuò)徑技術(shù)是大直徑直縫焊管制造的核心技術(shù)，其發(fā)展程度直接決定著我國(guó)的制管技術(shù)水平[8]。形變強(qiáng)化是金屬材料的一般規(guī)律，對(duì)X80高強(qiáng)度管線鋼尤其明顯，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，1%左右的形變就可使焊管的屈服強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的升高。韓秀林等[9]系統(tǒng)研究了擴(kuò)徑率對(duì)X80焊管強(qiáng)度的影響規(guī)律（見表1和表2），并得出結(jié)論：擴(kuò)徑率對(duì)X80直縫焊管外觀尺寸、拉伸性能的影響較大；焊管屈服強(qiáng)度基本隨著擴(kuò)徑率的增加而增加，但擴(kuò)徑率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不大。

表1 不同擴(kuò)徑率下焊管屈服強(qiáng)度的增加值

表2 不同擴(kuò)徑率下焊管的拉伸性能

高強(qiáng)度埋弧焊管經(jīng)常出現(xiàn)屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比不合格，且數(shù)據(jù)分布比較分散的問題，其主要原因是制管用鋼板的屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大，而制管廠制管過程采用單一的制管工藝參數(shù)（主要是板寬加工和擴(kuò)徑率）。造成直縫埋弧焊管屈強(qiáng)比超標(biāo)的主要原因有鋼板拉伸性能波動(dòng)和制管時(shí)的擴(kuò)徑率。鋼板拉伸性能的波動(dòng)是客觀存在的，波動(dòng)大小與鋼廠的冶煉和軋制水平有關(guān)。

范利鋒等[8]提出了建議：收集管線鋼材料性能數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析其波動(dòng)性及其對(duì)管坯形狀和工藝參數(shù)的影響，建立起對(duì)應(yīng)不同規(guī)格管坯擴(kuò)徑工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)直縫埋弧焊管而言，ISO和API以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的擴(kuò)徑率均為0.3%～1.5%，實(shí)際生產(chǎn)中一般控制在0.6%～1.3%，在該范圍尺寸變化不大且可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而這個(gè)變化范圍對(duì)焊管的拉伸性能影響很大，文獻(xiàn)[10]指出擴(kuò)徑率控制在0.8%～1.5%為最佳。文獻(xiàn)[9]研究表明，當(dāng)擴(kuò)徑率在0.8%～1.2%范圍內(nèi)變化時(shí)，能使X80焊管達(dá)到較合適的外觀尺寸，且變化不大，既保證了焊管的外觀尺寸精度，又很好地控制了擴(kuò)徑后焊管屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的上升幅度。因此，可以利用擴(kuò)徑率變化對(duì)焊管拉伸性能的影響規(guī)律，根據(jù)不同原材料屈服強(qiáng)度選擇不同的擴(kuò)徑率，從而控制焊管的拉伸屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。

3 提高焊管拉伸性能的技術(shù)

關(guān)于高鋼級(jí)管線鋼管拉伸性能及其影響因素，尤其是形變和擴(kuò)徑率對(duì)直縫埋弧焊管拉伸性能的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，對(duì)提高焊管拉伸性能起到了很好的作用。但現(xiàn)有研究成果的應(yīng)用僅限于批量確定原材料鋼板的內(nèi)控指標(biāo)和焊管的加工參數(shù)，沒有提出針對(duì)不同鋼廠、不同合金體系、不同爐批鋼板進(jìn)行的個(gè)性化控制，因而經(jīng)常出現(xiàn)焊管拉伸性能不合格、且波動(dòng)范圍較大的情況。根據(jù)上述擴(kuò)徑率對(duì)焊管拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律，提出一套技術(shù)方案，利用準(zhǔn)確的試驗(yàn)分析技術(shù)，精密的變形控制和加工技術(shù)，以自動(dòng)化、信息化為手段，個(gè)性化生產(chǎn)每根焊管，以提高合格率和質(zhì)量。

3.1 技術(shù)方案

（1）對(duì)某鋼廠供應(yīng)的鋼板進(jìn)行試驗(yàn)分析，或者利用現(xiàn)有生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在成型工藝不變的情況下，分析擴(kuò)徑率變化（從0.6%～1.3%）對(duì)材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的影響規(guī)律。找出焊管屈服強(qiáng)度（Rsg）、鋼板屈服強(qiáng)度（Rsb）與擴(kuò)徑率（Sr）的函數(shù)關(guān)系，即

（2）借助原材料入廠檢驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，針對(duì)每爐批鋼板，確定目標(biāo)屈服強(qiáng)度，再利用式（1）針對(duì)性計(jì)算擴(kuò)徑率Sr，最后依據(jù)擴(kuò)徑率Sr確定板邊加工量。

（3）制管過程中，建立每張鋼板的跟蹤編碼，輸入加工信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和控制，按確定的工藝參數(shù)進(jìn)行制管。

（4）對(duì)焊管實(shí)物進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，分析性能指標(biāo)的優(yōu)劣，并反饋循環(huán)，優(yōu)化板邊加工量和擴(kuò)徑率，保證焊管的性能指標(biāo)滿足訂貨技術(shù)條件要求，提高焊管性能的穩(wěn)定性。

該制備直縫埋弧焊管的技術(shù)方案，利用擴(kuò)徑率變化對(duì)焊管屈服強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)不同原料鋼板的屈服強(qiáng)度選擇不同的擴(kuò)徑率，從而控制焊管的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。針對(duì)不同鋼廠、不同合金體系和不同軋制工藝的原料鋼板，通過測(cè)量和分析原料鋼板、焊管的拉伸性能與擴(kuò)徑率的相關(guān)性，建立起相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，在制管過程中針對(duì)每批原料選擇不同的擴(kuò)徑率，從而實(shí)現(xiàn)焊管拉伸性能的準(zhǔn)確控制，提高合格率，減小波動(dòng)范圍，解決了現(xiàn)有技術(shù)中X80直縫埋弧焊管經(jīng)常出現(xiàn)的屈服強(qiáng)度不穩(wěn)定的技術(shù)問題。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

某鋼管企業(yè)為西氣東輸二線生產(chǎn)X80級(jí)Φ1 219mm×22mm直縫埋弧焊管，采用某鋼廠某爐批屈服強(qiáng)度585 MPa、抗拉強(qiáng)度680 MPa、屈強(qiáng)比0.86的鋼板，采用擴(kuò)徑率1.3%的工藝制成焊管。隨后測(cè)定焊管的性能參數(shù)，屈服強(qiáng)度670 MPa，抗拉強(qiáng)度705 MPa，屈強(qiáng)比0.95。其中屈強(qiáng)比超出了標(biāo)準(zhǔn)要求（≤0.93）。改進(jìn)制管工藝，減少板邊加工量19mm，即增加加工后的實(shí)際板寬19mm，制管時(shí)擴(kuò)徑率降為0.8%，制成焊管后的屈服強(qiáng)度為640 MPa，抗拉強(qiáng)度為695 MPa，屈強(qiáng)比為0.92，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

與上述情況相反，某爐批鋼板的屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為595 MPa，屈強(qiáng)比0.87，采用擴(kuò)徑率為0.8%的工藝制成焊管。隨后測(cè)定焊管的性能參數(shù)，屈服強(qiáng)度為545 MPa，抗拉強(qiáng)度為610 MPa，屈強(qiáng)比為0.89。其中，屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求（≥555 MPa），抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求（≥620 MPa）。改進(jìn)制管工藝，增加板邊加工量16mm，即減少加工后的實(shí)際板寬16mm，制管時(shí)擴(kuò)徑率增大為1.2%，制成焊管后的屈服強(qiáng)度為575 MPa，抗拉強(qiáng)度為625 MPa，屈強(qiáng)比為0.92，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

該示例表明，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建立焊管拉伸性能與擴(kuò)徑率數(shù)據(jù)庫(kù)和函數(shù)公式，精確控制每爐批焊管的擴(kuò)徑率，控制材料的變形量及屈服強(qiáng)度的變化范圍，從而減小焊管屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的波動(dòng)，提高焊管拉伸性能的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)高強(qiáng)度直縫埋弧焊管出現(xiàn)屈服強(qiáng)度偏低、屈強(qiáng)比偏高導(dǎo)致的不合格以及屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍偏大的問題，應(yīng)該引起足夠的重視。

（2）擴(kuò)徑率對(duì)高強(qiáng)度直縫埋弧焊管的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比有顯著影響，通過控制焊管擴(kuò)徑率可以實(shí)現(xiàn)精確控制焊管的拉伸性能，減少不合格以及波動(dòng)范圍，提高焊管質(zhì)量穩(wěn)定性。

（3）對(duì)于具體的原材料，通過測(cè)量和分析原材料、焊管的拉伸性能與擴(kuò)徑率的相關(guān)性，建立相關(guān)函數(shù)關(guān)系，針對(duì)每批原材料選擇不同的擴(kuò)徑率，實(shí)現(xiàn)焊管拉伸性能的準(zhǔn)確控制。現(xiàn)代制管過程的自動(dòng)化、信息化技術(shù)為焊管拉伸性能的精確控制提供了工藝上的可行性。

（4）該技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利（ZL201310202717.X），目前僅限于技術(shù)方案，需要在具體實(shí)施中進(jìn)一步完善，希望能與制管企業(yè)共同開發(fā)、應(yīng)用，提高國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度管線鋼管的質(zhì)量水平。

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Effect of Expansion Rate on Tensile Performance of Longitudinal Submerged Arc Welded Pipe

LI Weiwei1,2,ZHAO Yuanlei1,2,JI Lingkang1,2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China；2.State Key Laboratory for Oil Tubular Goods Equipment Material Service Behavior and Structural Safety,Xi’an 710077，China）

In order to improve the qualified rate and performance stability of tensile performance of longitudinal submerged arc welded pipe which used for oil and gas transportation,according to the rule that the expansion rate significantly affects the yield strength,adopting information system and mathematical statistic analysis method,a kind of pipe manufacturing technical scheme and implementation was put forward,and the feasibility of this technology scheme was verified by examples.The results indicated that in actual production,it can built function relation between tensile performance and expansion rate database,selecting different expansion rate according to each batch raw material,to realize accurate control for welded pipe tensile performance.This technology has applied for a patent（ZL 201310202717.X）.

welded pipe;SAWL pipe;expansion rate;tensile performance;fluctuation range

TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.009

李為衛(wèi)（1965—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于西安交通大學(xué)焊接專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣輸送管材料及焊接研究工作。

2015-11-23

羅 剛