批量試制X90 管線鋼管及板材強度特性研究

王紅偉 吉玲康 張驍勇 王海濤 唐家睿

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065;2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

管道輸送是石油天然氣最經(jīng)濟、合理的運輸方式。尤其隨著天然氣需求的日益增加，大口徑、高壓力長輸管線建設(shè)迅速發(fā)展，加拿大的統(tǒng)計分析表明，鋼管每提高一個鋼級可減少管線建設(shè)成本7%［1～3］。西氣東輸二線工程中已經(jīng)大規(guī)模采用了大口徑、大壁厚的X80 鋼管，繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用X90 及以上鋼級管線鋼是輸送天然氣管道提高輸送能力和經(jīng)濟性的重要方式之一。由X80鋼管大規(guī)模的應(yīng)用經(jīng)驗來看，高鋼級管道的鋼管拉伸性能及其波動范圍對管道服役性能起著至關(guān)重要的作用［4、5］。本文對國內(nèi)批量試制的X90 鋼管及板材拉伸性能進行研究，分析了X90 鋼管及板材拉伸性能問題及產(chǎn)生原因。

1 試樣制備與試驗方法

國內(nèi)11 家鋼鐵公司和8 家石油管制造公司參與了本次小批量試制，實驗材料為本次小批量試制X90 螺旋埋弧焊管及板卷和直縫埋弧焊管及鋼板，鋼管規(guī)格為Φ1 219 mm×16.3 mm。

為了更好地比較板材和鋼管的性能變化情況，避免試樣形狀對拉伸強度的影響，在板材和鋼管上均取棒樣。管體拉伸試樣在距焊縫180°位置截取橫向試樣;板卷拉伸試樣在板寬1/2 處沿30°成型方向截取試樣;鋼板拉伸試樣在板寬1/2 處截取橫向試樣;焊接接頭拉伸試樣為橫向矩形試樣。管體拉伸試樣規(guī)格為Φ8.9 mm×35 mm，板材拉伸試樣規(guī)格為Φ12.7 mm×50 mm，焊接接頭拉伸試樣規(guī)格為38.1 mm×50 mm。

拉伸試驗在UTM5303、SHT4106 試驗機上進行，試驗標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370 -2013《鋼鐵產(chǎn)品力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》。化學(xué)成分檢驗在ARL 4460 直讀光譜儀和LECO TC600 氧氮分析儀上進行。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 管體元素分析

螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的典型化學(xué)成分見表1 和表2。螺旋埋弧焊管的C 元素含量高于直縫埋弧焊管，Mo 等合金元素的含量也比直縫埋弧焊管偏高，因而CEPcm和CEIIW也偏高。這種成分設(shè)計的主要原因是由于高鋼級板卷在制造過程中經(jīng)高溫卷曲工藝，會使屈服強度一定程度下降，略高的化學(xué)成分設(shè)計保證了板卷強度的需求。

2.2 管體拉伸分析

圖1 為螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的抗拉強度、屈服強度以及屈強比分布。圖1 中虛線為API Spec 5L《管線鋼規(guī)范》對X90 管線鋼管屈強比的臨界要求(≤0.95)，可見X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管屈強比除個別外均符合要求，但直縫埋弧焊管屈強比更接近臨界值，按式(1)分別對兩種管體的屈強比裕量進行計算:X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的管體屈強比裕量分別為9.5%和4.2%，螺旋埋弧焊管屈強比裕量比直縫埋弧焊管裕量要高出一倍。

表1 X90 螺旋埋弧焊管化學(xué)成分 %

表2 X90 直縫埋弧焊管化學(xué)成分 %

式中，(Y/T)ave為平均值;(Y/T)crit為對管線鋼屈強比最低要求。

圖1 X90 埋弧焊管拉伸性能測試結(jié)果

圖2 為X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸強度頻率分布情況，表3 為X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的試樣拉伸性能分析對比結(jié)果。如表3 所示，對于X90 螺旋埋弧焊管，管體的抗拉強度范圍為700 MPa ～815 MPa，屈服強度范圍605 MPa ～725 MPa;板卷的抗拉強度范圍698 MPa ～825 MPa，屈服強度586 MPa ～690 MPa。管體抗拉強度平均值與板卷一樣，屈服強度平均值橫向上升16 MPa。板卷拉伸強度離散性略小于管體，較穩(wěn)定。對于X90 直縫埋弧焊管，管體的抗拉強度范圍為700 MPa ～814 MPa，屈服強度范圍635 MPa ～763 MPa;鋼板的抗拉強度范圍715 MPa ～807 MPa，屈服強度539 MPa ～617 MPa。管體抗拉強度平均值比鋼板低5 MPa，屈服強度平均值比鋼板高97 MPa。板材拉伸強度離散性略小于管體，較穩(wěn)定。

圖2 X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸頻率分布

X90 螺旋埋弧焊管與直縫埋弧焊管相比較，螺旋埋弧焊管管體抗拉強度與直縫埋弧焊管相當(dāng)，但屈服強度低30 MPa，所以，螺旋埋弧焊管的屈強比更優(yōu)。兩者的拉伸強度離散性幾乎一致。

表3 X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸性能結(jié)果對比

由此可見，在制管過程中，強度因為形變強化的作用而提高。螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的抗拉強度提高都不顯著，但屈服強度明顯提高。直縫埋弧焊管的屈服強度變化遠大于螺旋埋弧焊管，螺旋埋弧焊管為30°方向(成型角)卷曲成型，而直縫埋弧焊管為橫向卷曲成型，特別是比螺旋埋弧焊管增加了擴徑工序，形變強化更大。板材由于橫向織構(gòu)的影響，其橫向強化作用更明顯［6］。

螺旋埋弧焊管屈服強度有個別數(shù)據(jù)低于X90 鋼級強度要求，其原因是板卷頭、尾切除較少，性能不穩(wěn)定部位剩余較多，由此制成的螺旋埋弧焊管局部屈服強度較低。

2.3 焊接接頭拉伸分析

圖3 是X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣斷裂位置統(tǒng)計結(jié)果。X90 螺旋埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)斷裂最多，其次為熔合線，共計超過65%，管體處和焊縫處斷裂在其之后，分別占20.6%和12.7%;直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)和熔合線斷裂最多，共計超過85%，其次為管體，占12.8%，沒有試樣在焊縫處斷裂。

X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)和熔合線斷裂較多，而且兩者所占比例相近。X90 螺旋埋弧焊管拉伸試樣超過65%的斷裂位置和X90 直縫埋弧焊管拉伸試樣更超過85%的斷裂位置都在熱影響區(qū)和融合線處。直縫埋弧焊管焊接接頭試樣在熱影響區(qū)和熔合區(qū)斷裂的比例比螺旋埋弧焊管高。

圖3 X90 埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣斷裂位置統(tǒng)計

表4 為此次批量生產(chǎn)X90 埋弧焊管焊接接頭各區(qū)域硬度統(tǒng)計分布，從表4 中可以看出，X90 埋弧焊管管體硬度均值為247HV10，熱影響區(qū)硬度均值為226HV10，焊縫金屬硬度均值為243HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低17HV10和21HV10;X90 螺旋埋弧焊管管體硬度均值為255HV10，熱影響區(qū)硬度均值為234HV10，焊縫金屬硬度均值為246HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低12HV10和21HV10;X90 直縫埋弧焊管管體硬度均值為238HV10，熱影響區(qū)硬度均值為218HV10，焊縫金屬硬度均值為240HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低22HV10和20HV10。

焊接接頭硬度從焊縫金屬/管體到熱影響區(qū)有一個明顯的下降，存在一定的軟化現(xiàn)象，直縫埋弧焊管的熱影響區(qū)比螺旋焊管的軟化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。螺旋埋弧焊管的碳元素、合金元素以及碳當(dāng)量均比直縫埋弧焊管高，高的化學(xué)元素含量對熱影響區(qū)軟化有著更好的抑制作用。

表4 X90 埋弧焊管硬度和測量位置關(guān)系圖

圖4 為X90 鋼管焊接接頭各區(qū)域典型顯微組織照片，X90 管線鋼管體具有典型的粒狀貝氏體(B粒)組織特征。熔合區(qū)為B粒+馬氏體奧氏體(MA)組織，MA 分布于原奧氏體晶界。與管體相比，熔合區(qū)的晶粒明顯粗大。細晶區(qū)為多邊形鐵素體(PF)+MA 組織，規(guī)則亮白色區(qū)域為PF 組織，間隔著黑色硬質(zhì)MA 組元，PF 為軟相組織，所占比例較大。熔合區(qū)晶粒粗化是熱影響區(qū)軟化的主要原因。軟化區(qū)是拉伸性能薄弱部位，造成焊接接頭拉伸斷裂位置集中于熔合線和熱影響區(qū)。

圖4 X90 焊接接頭各區(qū)域金相照片

3 結(jié) 論

1)小批量試制的X90 管線鋼管強度總體滿足X90鋼級的強度要求，X90 螺旋埋弧焊管抗拉強度范圍700 MPa ～815 MPa，屈服強度范圍605 MPa ～725 MPa;直縫埋弧焊管抗拉強度范圍為700 MPa ～814 MPa，屈服強度范圍635 MPa ～763 MPa。螺旋埋弧焊管與直縫埋弧焊管抗拉強度相當(dāng)，而屈服強度明顯低于直縫埋弧焊管，其屈強比較低。

2)螺旋埋弧焊管板卷成型過程中屈服強度提高了16 MPa;直縫埋弧焊管鋼板成型過程中屈服強度提高了97 MPa。故應(yīng)注意控制板卷和鋼板的屈服強度水平。

3)對于X90 鋼管焊接接頭拉伸斷裂位置的統(tǒng)計表明，焊接接頭在熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生斷裂所占比例最大。熔合區(qū)晶粒粗化和軟化是造成焊接接頭在熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生拉伸斷裂的主要原因。

［1］李鶴林.天然氣輸送管研究中的幾個熱點問題［J］.中國機械工程，2001，12(13):349 -352.

［2］王曉香.當(dāng)前管線鋼管研發(fā)的幾個熱點問題［J］. 焊管，2014，37(4):5 -12.

［3］張小立.X80 高鋼級管線鋼和鋼管組織與力學(xué)性能［J］.中原工學(xué)院學(xué)報，2010，21(4):9 -13.

［4］李為衛(wèi)，王亞龍，李 洋，等.小批量試制X80 級板卷及焊管的拉伸性能分析［J］.焊管，2008，31(5):16 -19.

［5］李 洋，張偉為，吉玲康，等.屈強比對X80 鋼性能的影響［J］.機械工程材料，2010，34(10):31 -35.

［6］李 洋，林冠發(fā)，吉玲康，等.退火對熱軋X80 管線鋼織構(gòu)和斷口分離的影響［J］. 機械工程材料，2010，34(10):14-18.