國產(chǎn)X80大直徑厚壁螺旋埋弧焊管開發(fā)*

畢宗岳，黃曉輝，牛 輝，趙紅波，牛愛軍，劉 斌

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

國產(chǎn)X80大直徑厚壁螺旋埋弧焊管開發(fā)*

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

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

為了進一步降低管道建設成本，采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti合金設計,開發(fā)出了以針狀鐵素體為主的X80級22 mm/21.4 mm厚壁熱軋卷板；通過制管工藝優(yōu)化和控制，開發(fā)出了X80級Φ1 219 mm×22 mm和X80級Φ1 422 mm×21.4 mm國產(chǎn)大直徑、厚壁螺旋縫埋弧焊管。產(chǎn)品性能檢測結(jié)果表明，管體屈服強度、抗拉強度、焊接接頭拉伸強度以及管母、焊縫、HAZ沖擊韌性、DWTT等指標均達到或超過西氣東輸三線和中俄東線技術條件要求和API 5L標準要求；鋼管靜水壓爆破試驗起爆點位于母材，爆破口呈100%韌斷；環(huán)切法測得環(huán)向彈復量為-55～-220mm，盲孔法測得環(huán)向殘余應力為-179～264 MPa，與同規(guī)格、同鋼級直縫管相當，具有較低的殘余應力。產(chǎn)品經(jīng)國家油氣管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，并經(jīng)管道局環(huán)焊試驗，符合管道工程技術條件和API 5L及相關標準要求。產(chǎn)品千噸級試制表明，國內(nèi)具備工業(yè)化批量生產(chǎn)能力。

螺旋焊管；大直徑；厚壁；X80；大輸量

近年來，我國中部、東南沿海地區(qū)未來幾年對天然氣的需求將高達1 000×108m3/a，存在極大缺口[1-2]。為了降低管道建設成本，大幅提高單管輸量，一方面可增加鋼管直徑和壁厚，另一方面可提高綱級，增加輸送壓力。輸氣管道的流量與壓力呈一次方的關系，而與管徑呈2.5次方的關系。西氣東輸一線采用X70級Φ1 016 mm×14.7 mm鋼管，輸送壓力10 MPa，設計輸量為120×108m3/a， 輸送能力最高可達 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。 如采用 X80級 Φ1 219 mm×22 mm 和 Φ1 422 mm×21.4mm國產(chǎn)大直徑、厚壁螺旋縫埋弧焊管，系統(tǒng)設計壓力12MPa以上，年輸氣量可從300×108m3/a增至最大500×108m3/a，可更好地適應管道輸量快速增長的需要[3-6]。為了進一步增大單管輸量，提高管道建設和運行的經(jīng)濟性，在目前更高鋼級管線鋼（如X90、X100）沒有工業(yè)化應用之前，增大管道壁厚和直徑無疑是解決問題的最佳方案。特別是隨著近年來國內(nèi)鋼鐵冶金企業(yè)和制管裝備的更新、工藝改進和技術提升，為高強度厚壁管材的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。寶雞石油鋼管有限責任公司聯(lián)合首鋼、太鋼、邯鋼、武鋼、本鋼等多家鋼廠，成功開發(fā)出了國產(chǎn)X80級Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋焊管，通過了單爐試制和千噸級試制。

1 板材性能

1.1 化學成分

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抗腐蝕能力[7]?？紤]到管道環(huán)焊對成分的要求，結(jié)合國外X80厚壁螺旋鋼管低碳當量設計思路，采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni合金設計，控制Pcm≤0.21%。同時通過添加一定量的Nb、V、Ti等微合金元素實現(xiàn)沉淀強化和細晶強化。在控制Pcm的同時，力爭將合金元素的作用發(fā)揮到極限。Mo作為厚壁鋼淬透性元素，加入一定含量的Mo能確保厚壁熱軋卷板在層流冷卻過程中有效縮小表面和心部的冷卻速率，從而確保板材厚度方向組織和力學性能的均勻穩(wěn)定性[8]。在卷板控軋控冷工藝中，進一步加大了冷速，提高了較低碳當量下卷板的強度。各鋼廠1 550 mm×22 mm/21.4 mm厚壁X80熱軋卷板化學成分見表1。

表1 22 mm/21.4 mm厚壁X80熱軋卷板化學成分 %

1.2 組織分析

厚壁卷板通過加大冷卻量，進一步提高強度和韌性。厚壁X80熱軋卷板為獲得高強度和高韌性，組織控制以針狀鐵素體（AF）為主，采用兩階段控制軋制的變形條件及冷卻優(yōu)化控制技術，卷板金相組織如圖1所示。由圖1可見，不論表面和心部均以AF為主，厚壁X80熱軋卷板具有良好的組織均勻性。

圖1 22 mm/21.4 mm厚壁X80熱軋卷板金相組織

1.3 力學性能

對X80級1 550 mm×22 mm/21.4 mm規(guī)格熱軋卷板進行力學性能試驗，拉伸試樣取自與軋制方向成30°的Φ12.7 mm棒樣，試驗結(jié)果見表2。由表2可見，X80厚壁卷板強度適中，硬度控制良好，-20℃沖擊韌性≥327 J，-15℃時 SA≥92%，表明X80級1 550 mm×22 mm/21.4 mm規(guī)格卷板強韌性控制較好。

表2 22 mm/21.4 mm厚壁X80卷板力學性能

2 鋼管殘余應力控制

所有管材成型焊接后都會產(chǎn)生殘余應力。合適的成型工藝可使厚壁螺旋焊管殘余應力減小且重新均勻分布[3-4,9]。X80級Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管成型前，將鋼帶銑邊到1 540 mm寬后，經(jīng)過多次試驗，坡口設計為上60°下90°、鈍邊11 mm，進一步降低了厚壁板材對坡口的敏感性，確保厚壁螺旋焊管熔深合理，焊道形貌良好，過渡圓滑。

為降低殘余應力，以X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管為例，鋼管成型過程中，適當增大2#輥壓下量，形成過變形和負彈復量；針對外徑控制， 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤角度到 69°27′， 內(nèi)輥角度 69°10′，外輥角度69°45′，調(diào)節(jié)螺距到1 649 mm，使鋼管塑性變形充分，確保X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管在成型過程中得到較低的殘余應力。

采用鋼管環(huán)切法分別測量X80級Φ1219mm×22 mm和X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管彈復量。即在鋼管上切取長度200 mm的管段，在管段上距焊縫100 mm處沿縱向切開，測量張開量（即彈復量）。圖2為環(huán)切后實物圖，彈復量測量結(jié)果見表3。

圖2 螺旋埋弧焊管環(huán)切后的管環(huán)

表3 X80螺旋焊管環(huán)切法后測量張開位移及推導殘余應力

由表3可以看出，X80級Φ1 219 mm×22 mm厚壁螺旋焊管的環(huán)向彈復量分別為-85 mm、-220mm、-55mm及-125mm，X80級Φ1422mm×21.4 mm厚壁螺旋焊管的環(huán)向彈復量分別為-100mm和-130mm，都遠小于標準要求的90mm。按照下面3種通用的計算公式[10]利用環(huán)切法測量的彈復量計算焊管殘余應力，結(jié)果基本一致，殘余應力小，并且均為壓應力。

理論推導公式

沙特阿莫科公式

日本JFE公式

式中：σ—殘余應力，MPa；

D—鋼管直徑，mm；

E—彈性模量，MPa；

C—張開位移，mm；

υ—泊松比；

R—鋼管半徑，mm；

t—鋼管壁厚，mm。

3 焊接工藝試驗研究

為了優(yōu)化厚壁管線鋼焊接工藝參數(shù)，重點研究了焊接熱輸入線能量對X80管線鋼熱影響區(qū)（HAZ）的影響規(guī)律[11-12]。 采用線能量為10～55kJ/cm不同焊接熱輸入進行熱模擬試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，在不同焊接熱輸入試驗后，HAZ在-20℃溫度下的沖擊韌性隨著線能量的增加呈下降趨勢，當線能量超過35 kJ/cm時，HAZ韌性下降較大，當線能量為45 kJ/cm時，HAZ韌性急劇降到43 J。因此，X80厚壁管線鋼HAZ獲得較高韌性的焊接線能量為20～35 kJ/cm。

螺旋管在焊接時，前一焊道會受到二次焊道的焊接熱循環(huán)作用而形成二次HAZ。針對HAZ區(qū)中最薄弱的粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）進行不同二次熱循環(huán)峰值溫度研究。分別在600℃、800℃、1 000℃和1 200℃條件下進行熱模擬試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當二次熱循環(huán)峰值溫度在800℃附近，也就是在α+γ兩相區(qū)范圍時，ICCGHAZ韌性最低，出現(xiàn)脆化。圖5為采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到的韌性最低試樣的微觀組織，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。

通過焊接工藝試驗研究，選擇表4中焊接工藝進行了22 mm/21.4 mm壁厚X80級大直徑厚壁螺旋焊管焊接。

圖3 不同線能量對X80焊管HAZ沖擊韌性的影響

圖4 二次熱循環(huán)峰值溫度下粗晶區(qū)沖擊韌性

圖5 粗晶區(qū)掃描電鏡圖

表4 22 mm/21.4 mm厚壁X80螺旋焊管試制焊接工藝及參數(shù)

4 產(chǎn)品性能

4.1 金相組織

圖6是X80級Φ 1219 mm×22 mm螺旋埋弧焊管焊接接頭金相組織分析照片。從圖6（a）可見，焊縫熔深和重合量控制較好，內(nèi)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。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），焊接熱影響區(qū)組織以B粒為主。X80管線鋼焊縫橫斷面各位置顯微組織均勻細密，保證了焊接接頭具有較高的強度[13]。

圖6 焊接接頭金相組織

4.2 拉伸性能

在管體180°橫向取Φ12.7 mm圓棒試樣，在焊接接頭取垂直焊縫38.1 mm矩形板樣進行拉伸試驗，表5為 X80級 Φ1 219 mm×22 mm和Φ1422mm×21.4mm螺旋埋弧焊管管體拉伸試驗結(jié)果。由表5可以看出，X80級Φ1 219 mm×22 mm管體屈服強度為557～675 MPa，管體抗拉強度為649～766 MPa，焊接接頭拉伸強度≥691 MPa；X80級Φ1 422 mm×21.4 mm管體屈服強度556～661 MPa，管體抗拉強度670～763 MPa，焊接接頭拉伸強度≥725 MPa，均符合X80鋼級管材技術條件要求。

表5 X80級Φ1 219 mm×22 mm及Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管拉伸性能

4.3 沖擊韌性

對X80級Φ1 219 mm×22 mm及Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管管體、焊縫及熱影響區(qū)進行夏比沖擊試驗和管體DWTT試驗，表6為試驗結(jié)果。從表6可以看出，X80級Φ1 219 mm×22 mm螺旋焊管在-10℃下管母橫向沖擊功255～457 J，焊縫沖擊功108～222 J，HAZ沖擊功111～433 J，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管在-10℃下管母橫向沖擊功282～322 J，焊縫沖擊功 83～201J， HAZ 沖擊功 103～274J， 可見 22mm/21.4 mm壁厚X80焊管管體、焊縫及HAZ沖擊性能都較高，均符合相關技術條件。管體橫向0℃落錘撕裂試驗剪切面積單值為88%～100%，均值為98.3%，符合相關技術條件。

圖7所示為 X80級 Φ1 219 mm×22 mm和Φ1422mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管管體在20℃、0℃、-20℃、-40℃系列溫度下DWTT試驗。由圖7可見，四家鋼廠原料生產(chǎn)的厚壁X80鋼管FATT85%均低于-20℃，其中一家鋼廠為-40℃。卷板制成鋼管后，雖有硬化效應帶來的DWTT性能略有下降，但在-20℃條件下管體仍能獲得良好的撕裂韌性，且部分管材具有一定余量。

表6 X80級Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管夏比沖擊及DWTT試驗結(jié)果

圖7 系列溫度DWTT性能試驗結(jié)果

4.4 硬度

表7為兩種試驗用X80級螺旋焊管管體母材、焊縫和HAZ硬度測試結(jié)果。從表7可以看出，母材最大硬度為278 HV10，焊縫最大硬度為279 HV10，HAZ最大硬度為 277 HV10，焊縫最高，母材次之，HAZ最低，均符合相關技術標準要求。

表7 X80級Φ1219mm×22mm和Φ1422mm×21.4mm螺旋焊管焊接接頭硬度試驗結(jié)果

4.5 殘余應力

采用盲孔法對X80級Φ1 219 mm×22 mm螺旋埋弧焊管管體、焊縫等殘余應力進行測量[14-15]，測量位置如圖8所示。水壓后內(nèi)外表面環(huán)向殘余應力測試結(jié)果分別如圖9所示，其中，鋼管外表面環(huán)向殘余應力波動范圍為-125～264 MPa，內(nèi)表面環(huán)向殘余應力波動范圍為-179～222 MPa，表面環(huán)向殘余應力最大值為264 MPa。可見，X80級Φ1 219 mm×22 mm厚壁螺旋埋弧焊管殘余應力較低，且波動較小，殘余應力與同鋼級、同規(guī)格直縫管相當。

圖8 殘余應力盲孔法測點分布

圖9 X80級Φ1 219 mm×22 mm螺旋焊管內(nèi)、外表面殘余應力

4.6 靜水壓爆破試驗

對4個廠家原料生產(chǎn)的厚壁螺旋焊管各抽取1根進行靜水壓爆破試驗，試驗過程中依據(jù)標準要求水壓壓力19MPa，保壓10 min。檢測結(jié)果表明，4根管子均未泄露，也未發(fā)生變形，爆破試驗符合技術要求。對4根鋼管繼續(xù)升高壓力，A管27.0 MPa時爆破失效，B管28.1 MPa時爆破失效，C管26.8 MPa時爆破失效，D管26.6MPa時爆破失效。4根鋼管爆破失效壓力均大于標準理論計算值22.56MPa。4根鋼管起爆點均位于母材區(qū)域，然后穿過焊縫，爆破口呈100%韌斷，為正常失效破壞，表明螺旋焊管具有較好的止裂韌性。

5 結(jié) 論

（1）采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti合金設計和控軋控冷技術，針對管材強韌性與環(huán)焊的焊接性要求，控制Pcm≤0.21%，開發(fā)出了以針狀鐵素體為主的X80級1 550 mm×22/21.4 mm厚壁熱軋卷板。

（2）通過鋼管成型、焊接、水壓等工藝合理控制，開發(fā)出了X80級Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋埋弧焊管，各項性能均符合西三線、中俄東線和API 5L等相關標準要求。鋼管靜水壓爆破試驗失效起爆點均位于母材，爆破口呈100%韌斷，螺旋埋弧焊管具有較好的止裂性能。

（3）采用切環(huán)法測得鋼管環(huán)向彈復量波動范圍為-55～-220 mm，盲孔法測得鋼管環(huán)向殘余應力為-179～264 MPa，表明X80級22 mm/21.4 mm厚壁螺旋埋弧焊管具有較低的殘余應力，并與同鋼級、同規(guī)格直縫管相當。

（4）通過單爐試制和千噸級生產(chǎn)，國內(nèi)冶金企業(yè)已具備X80級1 550 mm×22 mm/21.4 mm厚壁熱軋卷板生產(chǎn)能力，國內(nèi)制管企業(yè)已具備規(guī)?；a(chǎn)X80級Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋縫埋弧鋼管能力。

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R&D of China Domestic Large Diameter Thick Wall X80 SAWH Pipe

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

In order to decrease pipeline construction cost,it developed the domestic X80 grade 22/21.4 mm thickness hot rolled coil,mainly consists of acicular ferrite,by adopting low C，low Mn and Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti alloying design.Through the optimization and control of pipe manufacturing process,the X80 grade Φ1 219 mm×22 mm，Φ1 422 mm×21.4 mm large diameter and thick wall SAWH pipe were developed.Product performance test results showed that the yield strength of pipe body,tensile strength,the tensile strength of welded joint,the impact energy of pipe body,weld and HAZ,the average shear area value of DWTT all meet or exceed the technical requirements of the 3rd West to East Natural Gas Pipeline,China-Russia Eastern Pipeline and API 5L.The detonating point of hydraulic blasting test locates in base metal,and the blasting hole presents 100%ductile fracture.The rang of circumferential elastic recovery amount is-55～-220 mm by circuit cutting method,and the circumferential residual stress range is-179～264 MPa through blind hole method,which is consistent with that of longitudinal welded pipe with same speciation and same steel grade,it possesses lower residual stress.The product was decketed by China National Quality Supervision Testing and Inspection Center of Oil Tubular Goods,and the ring welding test was conducted by China Petroleum Pipeline Bureau,conform to the technical conditions of pipeline construction,API 5L and the requirements of related standards.Thousand tons trial production showed that it possesses industrialized batch production ability in China domestic.

SAWH pipe;large diameter;thick wall;X80;high throughout

TG335.75

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.006

中國石油天然氣股份有限公司科技攻關專項“OD1 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(fā)及焊接技術的研究工作。

2015-07-29

羅 剛