低成本高性能X90級螺旋埋弧焊管的研發(fā)新思路

劉振偉，宗秋麗，朱 宇，王海生，陳躍梅，劉晶晶，唐瑤瑤，王立民

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062650；2.華北石油通信公司，河北 青縣062650）

低成本高性能X90級螺旋埋弧焊管的研發(fā)新思路

劉振偉1，宗秋麗1，朱 宇1，王海生1，陳躍梅2，劉晶晶1，唐瑤瑤1，王立民1

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062650；2.華北石油通信公司，河北 青縣062650）

介紹了低成本、高性能X90級螺旋埋弧焊管的一種研發(fā)新思路，以一種X80卷板代替X90卷板研制X90螺旋埋弧焊管。分別從拉伸性能、夏比沖擊性能、落錘撕裂性能、硬度和金相等方面闡述了該成分X80卷板及鋼管優(yōu)異的理化性能。研究發(fā)現(xiàn)，防腐后該X80鋼管理化性能均能滿足X90級標準要求，且與X90級卷板相比，該X80卷板在理化性能上存在較大的優(yōu)勢，且能克服前期研發(fā)X90遇到的問題與不足。

焊管；螺旋埋弧焊；X80；X90；低成本；高性能

1 概 述

鋼材經(jīng)過冷加工塑性變形或達到規(guī)定的塑性應變后，在室溫或較高溫度下經(jīng)過一段時間，出現(xiàn)其強度與硬度升高而塑性與韌性下降的現(xiàn)象，稱為應變時效。研究發(fā)現(xiàn)，位錯釘扎是導致鋼在時效過程中屈服強度升高的主要原因[1]。應變時效與鋼的成分、冶煉方法、塑性變形量的大小及溫度條件等因素有關。C和N的含量對應變時效敏感性起著主要的作用，合金元素對應變時效也有一定影響，冷加工塑性變形的應變量愈大，應變時效愈顯著[2]。

對高鈮X80管線鋼的應變時效進行研究發(fā)現(xiàn)，1%～3%預變形后，在180℃下5～30 min時效范圍內(nèi)，時效硬化值升高60～120 MPa[3]。管線鋼是一種低碳微合金控軋鋼[4]，制管過程的冷變形和防腐涂層制備過程中的加熱可能誘發(fā)應變時效行為[5]。應變時效效應會對制管控制、鋼管現(xiàn)場焊接施工以及鋼管服役性能等造成不利影響[6-7]。隨著管線鋼鋼級的不斷提高，應變時效對鋼管的影響將會越來越嚴重。以往對X90鋼的研究往往著眼于通過加入大量的合金成分，提高卷板的力學性能，特別是強調(diào)強度的大小，使卷板強度級別滿足標準對X90級螺旋埋弧焊管強度要求，但在追求卷板強度的同時，忽略了制管過程中的加工硬化和防腐過程中應變時效對鋼管力學性能的提高作用。

本研究提供了一種X90螺旋埋弧焊管研發(fā)的新思路，采用一種X80卷板代替以往X90卷板研制X90級螺旋埋弧焊管?？紤]到鋼管的使用性能最終取決于防腐后鋼管的性能，本研究探討了該X80卷板在制管和防腐過程性能的變化情況。在2012年渤海裝備公司承擔的西三線二期規(guī)格為Φ1 219mm×18.4mm X80M螺旋埋弧焊管生產(chǎn)基礎上進行的研究，同時對比了同年生產(chǎn)的規(guī)格為Φ1 219mm×16.3mm X90M螺旋縫埋弧焊管試制鋼管的相關數(shù)據(jù)。

以往X90M鋼管研發(fā)過程中的主要問題是：①合金含量較高，卷板價格昂貴；②母材均勻延伸率偏低，50%以上均勻延伸率不能滿足當時X90標準對均勻延伸率的要求；③卷板可焊性差，焊接熱影響區(qū)韌性偏低；④該合金體系下的鋼管防腐后拉伸性能存在嚴重過剩；④部分鋼管防腐后屈服強度和屈強比超標嚴重，部分均勻延伸率均低于標準下限。這就對X90級螺旋埋弧焊管研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)，有必要拓展X90級螺旋埋弧焊管研發(fā)思路。本研究是基于以上基礎開展的。

2 X80及X90卷板的性能對比

2.1 化學成分

本研究采用的18.4mm X80M卷板化學成分與16.3mm X90M卷板化學成分見表1。

表1 兩種合金的化學成分對比

從化學成分看，X80卷板與X90相比，主要體現(xiàn)在Mo、Ni、Cu和碳當量Ceq的差異上。X90卷板加入了0.32%的Mo和0.43%的Ni，這兩種合金均為比較昂貴的合金元素；X80卷板加入了0.15%的Mo和0.15%的Ni。X90卷板中Mo含量是X80卷板中Mo含量的2.1倍，Ni含量為X80卷板的2.9倍。X90卷板碳當量Ceq＝0.57，高于X80，因此，X90卷板成本明顯高于X80。

2.2 拉伸性能

從卷板到鋼管的制管過程中，卷板一般會經(jīng)歷加工硬化過程和包辛格效應。制管后，鋼管要經(jīng)歷水壓試驗，這些過程勢必會對鋼管的性能造成影響，X90卷板、鋼管及X80卷板、鋼管管體拉伸性能對比分別見表2和表3。

由表2可以看出，制管后X90鋼管屈服強度比卷板有明顯升高，平均增加52 MPa；抗拉強度及延伸率有所降低；屈強比明顯升高。但總體上X90卷板制管前后拉伸性能均能滿足X90標準要求。

表2 X90卷板、鋼管管體拉伸性能對比

表3 X80卷板、鋼管管體拉伸性能對比

由表3可以看出，制管后X80鋼管屈服強度有所升高，平均增加36 MPa；抗拉強度也有所升高，平均升高30 MPa；延伸率有所降低；屈強比略有升高?？傮w上看，本研究使用的X80卷板均能滿足標準要求，與X90標準相比，部分指標不能滿足X90標準要求，主要表現(xiàn)為屈服強度偏低。

X80鋼管焊縫抗拉強度分布如圖1所示。焊縫抗拉強度均在710 MPa以上，且主要集中在750～770 MPa，能夠滿足X90鋼管標準對焊縫強度性能的要求。

本試驗中兩種鋼管的拉伸性能分布情況如圖2所示。在圖2中，標準對X90鋼管拉伸性能的要求區(qū)間以垂直于橫坐標綠色直線為界限。從圖2可以看出，X90鋼管的屈服強度和抗拉強度均能滿足標準要求，但均勻延伸率出現(xiàn)部分不合格現(xiàn)象。16組數(shù)據(jù)中，有5組數(shù)據(jù)不合格，這也是X90鋼管研發(fā)過程中的一個問題。本研究用X80鋼管拉伸數(shù)據(jù)共114組，其中僅有18組數(shù)據(jù)能滿足X90鋼管屈服強度要求；有100組數(shù)據(jù)能滿足X90鋼管標準對抗拉強度要求；本研究用X80鋼管防腐前部分拉伸性能不能滿足X90鋼管標準要求。

圖1 X80鋼管焊縫抗拉強度分布圖

圖2 拉伸性能分布圖

2.3 沖擊性能

兩種鋼管管體橫向沖擊性能見表4。從表4可以看出，-10℃下，兩種鋼管管體橫向沖擊功平均值均在300 J以上，可以滿足X90鋼管標準要求，且X80鋼管管體沖擊功單值和平均值均明顯高于X90鋼管。

表4 管體橫向夏比沖擊功（-10℃）

圖3為兩種鋼管母材橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線。從圖3可以看出，兩者的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均在-60℃以下，但同一溫度下，X80鋼管母材橫向沖擊韌性優(yōu)于X90鋼管。

圖4為兩種鋼管熱影響區(qū)夏比沖擊功分布情況。X90鋼管熱影響區(qū)夏比沖擊功單值共33個，其中有4個數(shù)據(jù)低于X90標準要求的60 J，且主要集中在 70～100 J（見圖4（a））；X90 熱影響區(qū)沖擊功平均值共11個，其中有2個數(shù)據(jù)低于X90標準要求的80 J，主要集中在80～120 J（見圖4（c）），X90熱影響區(qū)沖擊韌性較差，這也是X90鋼管研發(fā)過程中存在的一個重要問題。本研究用X80鋼管熱影響區(qū)夏比沖擊功單值和平均值均能滿足X90標準要求，單值主要集中在210～230 J，平均值集中在 210～230 J。 可以看出，X80鋼管熱影響區(qū)沖擊韌性明顯優(yōu)于X90。

圖3 兩種鋼管母材橫向夏比沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

圖4 兩種鋼管熱影響區(qū)夏比沖擊功分布圖

2.4 落錘撕裂性能

落錘撕裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖5所示。從落錘撕裂性能看，0℃下兩種鋼管落錘撕裂剪切面積均為100%，在該溫度下均具有較好抵抗裂紋擴展的能力。

從圖5可以看出，X90和X80鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均在-30℃以下。

按照《天然氣輸送管道用X90鋼級螺旋縫埋弧焊管技術條件》中規(guī)定，對兩種鋼管焊接接頭進行硬度試驗，硬度測試點示意圖如圖6所示，硬度測試結(jié)果見表5。

圖5 落錘撕裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

圖6 硬度測試點示意圖

表5 焊接接頭硬度對比 HV10

從表5可以看出，X90鋼管母材和熱影響區(qū)硬度明顯高于X80鋼管，其中內(nèi)焊熱影響區(qū)最為明顯，硬度值達到了270 HV10以上，說明X90內(nèi)焊熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，可焊性較X80鋼管差。本研究X80鋼管焊接接頭硬度較為均勻，未出現(xiàn)較大的硬度值波動，可焊性較好。

2.5 金相檢驗

圖7為X90和本研究X80鋼管母材、焊縫和熱影響區(qū)顯微組織形貌。從組織類型上看，X90和X80母材均為以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主的針狀鐵素體；焊縫組織均以針狀鐵素體為主；外焊熱影響區(qū)均以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主；X90鋼管內(nèi)焊熱影響區(qū)以板條馬氏體和少量的貝氏體鐵素體為主，本研究X80鋼管內(nèi)焊熱影響區(qū)組織以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主。這種組織特征的差異與內(nèi)焊熱影響區(qū)較高的硬度指標相對應。

2.6 防腐過程的影響

表6為X90鋼管回火20 min后的母材拉伸性能。與未回火試樣相比，經(jīng)過防腐時效后X90鋼管屈服強度顯著升高，180℃、200℃、220℃以及240℃回火后屈服強度均超出X90鋼管標準要求上限，這說明X90鋼管時效敏感性較強?？估瓘姸葞缀鯖]有變化，因此屈強比明顯升高，其中200℃升高了0.13；200℃、220℃及240℃回火后屈強比均超出X90鋼管標準要求上限，最高值達到了0.97。均勻延伸率顯著下降，180℃時下降了2.3%，均勻延伸率全部低于標準下限?？梢?，時效后X90鋼管管體拉伸性能部分指標惡化，這是X90鋼管研發(fā)過程中存在的主要問題[8]。

表7為X90鋼管回火300℃和200℃前后焊縫以及熱影響區(qū)沖擊韌性。從表7中不難發(fā)現(xiàn)，回火前X90鋼管熱影響區(qū)沖擊功出現(xiàn)了低值79 J，平均值也僅為96 J?；鼗鸷鬅嵊绊憛^(qū)沖擊功均有不同程度的提高，300℃回火后熱影響區(qū)平均沖擊功提高35 J，無低值出現(xiàn)。200℃回火后熱影響區(qū)平均沖擊功提高111 J，無單個低值出現(xiàn)?；鼗鸷鬀_擊韌性較為穩(wěn)定，焊接接頭表現(xiàn)出較好的沖擊韌性，也就是說防腐過程對X90螺旋埋弧焊管焊接接頭的韌性具有改善作用[9]。

表6 X90鋼管回火（20 min）后母材拉伸性能

表7 X90鋼管回火前后焊縫以及熱影響區(qū)沖擊韌性對比（試驗溫度為0℃）

與X90鋼管標準要求相比對，防腐前X80鋼管屈服強度和抗拉強度值大部分處于X90標準要求下限甚至低于標準要求，不能滿足X90標準要求，但鋼管的使用性能為鋼管防腐后的性能，因此有必要對鋼管防腐后的拉伸和沖擊性能進一步檢驗。按照鋼管制管和防腐工藝，鋼管理化檢驗取樣為防腐前，本研究為水壓后取樣，然后模擬防腐過程。試驗中分別取屈服強度較低值585 MPa鋼管A和較高值655 MPa鋼管B進行回火試驗，鋼管A和鋼管B回火前后拉伸性能見表8和表9。

表8 A鋼管回火前后拉伸性能對比

表9 B鋼管回火前后拉伸性能對比

從表8可以看出，鋼管A未回火時管體橫向屈服強度偏低，不能滿足X90鋼管標準要求；但鋼管管體在不同溫度下（170℃、200℃、230℃、260℃）回火后橫向拉伸性能發(fā)生了較大的變化，屈服強度均有不同程度的升高，除了在170℃下回火10 min后數(shù)值低于X90鋼管標準要求下限外，其余時效后均滿足標準要求；回火前后的抗拉強度均滿足X90鋼管標準要求；回火后鋼管屈強比有不同程度的提高，但在本研究所采用的試驗溫度下鋼管回火后屈強比均滿足X90鋼管標準要求；回火后延伸率總體有所下降，但均滿足X90鋼管標準要求；回火前后焊縫拉伸性能始終處于730 MPa以上，均勻延伸率在4.5%以上，均滿足X90鋼管標準要求。因此對于屈服強度較低的鋼管A經(jīng)過200℃、230℃、260℃回火后，拉伸性能各項指標均滿足X90鋼管標準要求。

從表9可以看出，鋼管B未回火時各項性能指標均滿足X90鋼管標準要求；與未回火試樣相比，鋼管管體不同溫度下（170℃、200℃、230℃、260℃）回火后屈服強度和抗拉強度均有不同程度的升高，但未超過X90標準上限要求；回火后鋼管屈強比有不同程度的提高，除260℃下回火20 min條件下的屈強比超過X90鋼管標準要求0.95外，本研究所采用的其他時效工藝下鋼管屈強比均滿足X90標準要求；回火后延伸率總體上有所下降，但也在21%及以上，能滿足X90鋼管標準大于等于14%的要求；均勻延伸率在4.5%以上，均合格?？梢?，鋼管B在170℃、200℃、230℃下回火后鋼管的拉伸性能滿足X90標準要求。

防腐前，X80鋼管管體屈服強度低于X90鋼管標準要求下限值，在180～230℃防腐后鋼管的拉伸性能均滿足X90鋼管標準要求。回火前后X80鋼管管體橫向沖擊韌性見表10。

表10 X80鋼管管體回火前后沖擊性能對比

與未回火試樣相比，本研究用X80鋼管回火后管體沖擊韌性未出現(xiàn)下降現(xiàn)象，平均值均在300 J以上，表現(xiàn)出優(yōu)良的低溫沖擊韌性，滿足X90鋼管標準要求。

3 結(jié)論及建議

本研究為X90級螺旋埋弧焊管的研發(fā)提供了另一種可能，即從低成本角度研發(fā)高鋼級高性能螺旋埋弧焊管。試驗用X80鋼管與當前X90螺旋埋弧焊管相比存在以下優(yōu)勢：

（1）本研究所用X80卷板合金含量相對較低，大大降低了卷板采購成本。

（2）本研究采用X80卷板，碳當量較低，更有利于焊接，避免了當前X90卷板焊接過程中內(nèi)焊熱影響區(qū)出現(xiàn)硬化等焊接問題。

（3）本研究用X80卷板強度相對較低，可避免制管和防腐后鋼管屈服強度超過標準上限；制管過程中對成型設備極限要求也低，更有利于制管過程的實現(xiàn)。

（4）當前X90卷板制管后時效敏感性較強，制管和防腐后鋼管屈強比升高，本研究用X80卷板屈強比較低，且時效敏感性較弱，可避免制管和防腐后鋼管屈強比超過標準上限。

（5）X90卷板制管前后均勻延伸率普遍低于標準要求，特別是防腐后更低，本研究用X80鋼管均勻延伸率有很大改善，能滿足X90鋼管標準要求。

（6）高合金X90卷板制管、防腐后強度較高，屬于強度過剩，且很大一部分指標超過X90標準要求上限，采用本研究用X80卷板將避免材料的浪費，且鋼管防腐后的性能滿足X90標準要求。

考慮到制管過程中加工硬化和防腐過程中應變時效使屈服強度均有不同程度的提高，結(jié)合本研究結(jié)果，建議適當降低X90卷板和鋼管屈服強度標準要求下限。

X90螺旋埋弧焊管的研發(fā)過程中，需要充分考慮制管過程中卷板變形造成的強度升高現(xiàn)象，更應該考慮防腐過程中對鋼管性能特別是管體拉伸性能和焊接接頭沖擊韌性的影響。

本研究所用X80鋼管200～230℃防腐后理化性能均能滿足X90級螺旋埋弧焊管的標準要求，且在制造和理化性能上存在很大優(yōu)勢，推薦采用本研究用X80卷板替代X90卷板研發(fā)制造X90級螺旋埋弧焊管。西三線二期Φ1 219mm×18.4mm的X80M螺旋埋弧焊管用卷板壁厚規(guī)格減薄成 16.3mm，可用于 Φ1 219mm×16.3mm的X90M螺旋埋弧焊管的研制，且薄壁厚卷板均勻性和晶粒度大小更易于控制，晶粒尺寸可控制得更細，從而，可進一步提高卷板的強度，彌補低合金體系下強度的不足。

[1]趙九州.低碳鋼應變時效過程模擬[J].金屬學報，2002，38（1）：27-30.

[2]侯建國，安旭文，吳春秋，等.鋼材沖擊韌性和應變時效敏感性問題的探討[J].西北水電，2001（2）：35-41.

[3]SULEYMAN G.The effect of the prestraining and ageing on tensile behaviour of microalloyed steels[J].Journal of Engineering Sciences，2005，11（1）：147-152.

[4]張小立，馮耀榮，趙文珍，等.X80管線鋼的組織和力學性能[J].特殊鋼，2006，27（3）：11-13.

[5]BAKER L J，PARKER J D，DANIEL S R.Mechanism of bake hardening in ultralow carbon steel containing niobium and titanium additions[J].Maney Publishing for the Institute of Materials，2002，18（5）：541-547.

[6]YASUHIRO SHINOHARA，EIJI TSURU，HITOSHI ASAHI.Development of high-strength steel line pipe for SBD applications[A].Vancouver BC Canada：The Intemational Society of Offshore and Polar Engineers，2008：220-225.

[7]吉玲康，王海濤，池強，等.超大輸量天然氣管道工程關鍵技術研究[C]∥第五屆寶鋼學術年會論文集.上海：中國金屬學會，寶鋼科協(xié)，2013：71-76.

[8]高建忠，王春芳，王長安，等.高鋼級管線鋼應變時效行為分析[J].材料開發(fā)與應用，2009，24（3）：86-90.

[9]黃少文，周平，霍孝新.回火熱處理對X100管線鋼組織和沖擊斷裂行為的影響[J].材料熱處理學報，2013，34（S1）：122-128.

[10]鄧偉，高秀華，秦小梅，等.X80管線鋼的沖擊斷裂行為[J].金屬學報，2010（5）：16-21.

Research and Development New Idea for Low Cost and High Performance X90 Grade Spiral Submerged Arc Welded Pipe

LIU Zhenwei1，ZONG Qiuli1，ZHU Yu1，WANG Haisheng1，CHEN Yuemei2，LIU Jingjing1，TANG Yaoyao1，WANG Limin1
（1.Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Qingxian 062650，Hebei，China；2.North China Petroleum Communication Company，Qingxian 062650，Hebei，China）

In this article，it introduced a new development idea for low cost，high performance X90 grade spiral submerged arc welded pipe，namely adopting X80 hot rolled coil instead of X90 hot rolled coil to manufacture X90 spiral submerged arc welded pipe.It expounded excellent physical and chemical property of X80 hot rolled coil and steel pipe from several aspects，such as tensile property，Charpy impact property，drop weight tear test，hardness，metallographic organization and so on.The results indicated that the physical and chemical property of X80 grade steel pipe can meet the standard requirements of X90 grade steel pipe，and compared with X90 grade hot rolled coil，X80 hot rolled coil has great advantage in physical and chemical property，it can overcome the problems and shortcomings in early development X90.

welded pipe；spiral submerged arc welded；X80；X90；low cost；high performance

TG457.6 文獻標志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.012

劉振偉(1981—)，男，畢業(yè)于北京科技大學，碩士，長期從事螺旋縫埋弧焊管的研發(fā)與理化試驗工作。

2016-03-01

張 歌