X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管的研發(fā)及性能研究*

畢宗岳，黃曉輝，牛 輝，趙紅波，牛愛軍，包志剛，劉 斌

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

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管的研發(fā)及性能研究*

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

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

為了實現(xiàn)大直徑厚壁焊管的國產(chǎn)化，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司聯(lián)合太鋼、首鋼、沙鋼等多家鋼廠經(jīng)過多輪單爐試制和多輪千噸級試制，成功開發(fā)出了國產(chǎn)X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋/直縫埋弧焊管，并進(jìn)行了多項性能檢測。結(jié)果表明，螺旋焊管管體屈服強(qiáng)度574～681 MPa，抗拉強(qiáng)度653～759 MPa，-10℃沖擊功平均值373 J；直縫焊管管體屈服強(qiáng)度564～627 MPa，抗拉強(qiáng)度641～694 MPa，-10℃沖擊功平均值460 J；螺旋/直縫焊管-5℃下DWTT剪切面積平均值96%。各項性能指標(biāo)均達(dá)到中俄東線X80級Φ1 422 mm×21.4 mm鋼管的技術(shù)要求，說明我國已經(jīng)具備了工業(yè)化批量生產(chǎn)大直徑厚壁焊管的能力。

焊管；X80；大直徑；厚壁；螺旋焊管；直縫焊管；國產(chǎn)化

Abstract:In order to realize the localization of large diameter and thick wall welded pipe，after several rounds of single furnace trial production and several rounds of thousand tons trial production，the domestic X80 grade Φ1 422 mm×21.4 mm large diameter thick wall SAWH/SAWL pipe was successfully developed,which conducted by Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shougang Group，Shashi Iron and Steel Co.，Ltd.，and other steel mills，and a number of performance tests were conducted.The results showed that the yield strength of SAWH pipe body is 574～681 MPa，the tensile strength is 653～759 MPa，the average impact energy is 373 J at-10 ℃.The yield strength of SAWL pipe body is 564 ～627 MPa，the tensile strength is 641～694 MPa，the average impact energy is 460 J at-10 ℃.The average DWTT shear area of SAWH/SAWL pipe is 96%，various performance indicators can meet technical requirements of X80 1 422 mm×21.4 mm steel pipes used for Russia-China Eastern Pipeline，it indicated that China has the ability of industrialized batch production of large diameter thick wall welded pipe.

Key words:welded pipe；X80；large diameter；thick wall；SAWH pipe；SAWL pipe；localization

在滿足輸量要求條件下，減少管道數(shù)量、降低管道建造和運營成本等是急需解決的問題。輸氣管道的流量與壓力成一次方的關(guān)系，而與管徑成2.5次方的關(guān)系[1-3]。西氣東輸一線采用的鋼管為X70級Φ1 016 mm×14.7 mm，輸送壓力10 MPa，設(shè)計輸量120×108m3/a，其最高輸送能力可達(dá)到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(shè)計壓力達(dá)12 MPa，設(shè)計輸量提高到（250～300）×108m3/a[4-6]。 如果采用 X80 級 Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁焊管，系統(tǒng)設(shè)計壓力12 MPa以上，年輸氣量可增至450×108m3/a以上，就能更好地適應(yīng)管道輸量快速增長的需要。為了進(jìn)一步增大單管輸量，提高管道建設(shè)和運行的經(jīng)濟(jì)性，在目前更高鋼級管線鋼如X90、X100沒有工業(yè)化應(yīng)用之前，管徑和壁厚的提高對輸氣量的增加是最為有效的手段。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(jìn)和技術(shù)提升，為高強(qiáng)度大直徑厚壁管材的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司聯(lián)合太鋼、首鋼、沙鋼等多家鋼廠經(jīng)過多輪單爐試制和多輪千噸級試制，成功開發(fā)出了國產(chǎn)X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋/直縫埋弧焊管。

1 板材性能

1.1 化學(xué)成分

21.4 mm厚壁X80管線鋼要求具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能和一定的耐蝕能力[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(dāng)量設(shè)計思路，采用低C和Mn-Mo-Cr-Ni系合金設(shè)計，并適量添加Nb、Ti和V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，力爭將合金元素的作用發(fā)揮到極限，確保板材厚度方向組織和力學(xué)性能的均勻穩(wěn)定。在控軋控冷工藝中，進(jìn)一步加大了冷卻速度，提高了較低碳當(dāng)量下板材的強(qiáng)度[8]。各鋼廠21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的化學(xué)成分見表1。由表1可見，卷板和鋼板的化學(xué)成分基本相同，鋼板與卷板相比，適當(dāng)降低了Mo、Ni、Cr和Cu等合金元素的含量。

表1 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的化學(xué)成分

1.2 組織分析

厚壁板材通過加大粗軋變形量和冷卻量，進(jìn)一步優(yōu)化TMCP工藝，實現(xiàn)了全壁厚組織的均勻控制。21.4 mm厚X80卷板/鋼板的金相組織如圖1所示。由圖1可見，不論卷板、鋼板均以AF為主，具有良好的組織均勻性。保證了厚壁X80板材良好的低溫韌性，實現(xiàn)了對DWTT性能的有效控制[3-4]。

圖1 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板的金相組織

1.3 力學(xué)性能

對21.4mm厚X80熱軋卷板/鋼板在不同條件下進(jìn)行力學(xué)性能試驗，其試驗結(jié)果見表2。拉伸試樣取與軋制方向成30°的Φ12.7 mm圓棒試樣。

表2 21.4 mm厚X80熱軋卷板/鋼板不同條件下的力學(xué)性能

由表2可以看出，X80厚壁卷板/鋼板強(qiáng)度適中，硬度控制良好，-20℃沖擊韌性≥337 J，-15℃時DWTTSA≥98%，表明卷板/鋼板強(qiáng)韌性控制較好。

2 成型工藝研究

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm直縫焊管通過小步長JCO成型和合適的擴(kuò)徑等工藝，可降低管體的殘余應(yīng)力，提高管體尺寸精度[9-10]。厚壁螺旋焊管通過進(jìn)一步優(yōu)化成型工藝和水壓工藝，增大成型輥壓下量，使鋼管塑性變形充分，降低了焊管殘余應(yīng)力，實現(xiàn)了X80級Φ1 422 mm×21.4 mm大直徑厚壁螺旋焊管幾何尺寸精度的有效控制。

采用環(huán)切法對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫管進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，結(jié)果見表3。由表3可見，螺旋管彈復(fù)量最大為+20 mm，直縫管彈復(fù)量最大為+70 mm，均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的+90 mm。為了進(jìn)一步研究鋼管不同部位局部殘余應(yīng)力，采用盲孔法分別對3家螺旋管廠和1家直縫管廠生產(chǎn)的X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試，水壓后內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，螺旋焊管內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力在-197～193 MPa波動，直縫焊管內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力在-65～163 MPa波動。檢測結(jié)果表明，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管殘余應(yīng)力值與直縫焊管相當(dāng)，均小于200 MPa。

表3 21.4 mm厚X80焊管彈復(fù)量

圖2 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力

3 焊接工藝研究

為了優(yōu)化厚壁管線鋼焊接工藝參數(shù)，研究了焊接熱輸入線能量對21.4 mm厚X80管線鋼熱影響區(qū)（HAZ）的影響規(guī)律[11-12]。采用線能量為5～65 kJ/cm不同焊接熱輸入進(jìn)行熱模擬試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，在不同焊接熱輸入下，HAZ在-20℃溫度下沖擊韌性隨著線能量的增加呈下降趨勢，當(dāng)線能量為45 kJ/cm時HAZ韌性開始顯著下降；當(dāng)線能量為55 kJ/cm時沖擊功急劇降到30 J。因此，21.4 mm厚X80管線鋼HAZ獲得較高韌性的焊接線能量以20～45 kJ/cm為宜。

圖3 不同線能量對21.4mm厚X80管線鋼HAZ沖擊韌性的影響

螺旋管焊接時，前一焊道會受到二次焊道焊接熱循環(huán)作用而形成二次HAZ[13]，因此對一次HAZ區(qū)中最薄弱的粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）進(jìn)行不同二次熱循環(huán)峰值溫度的研究。分別在600℃、800℃、1000℃和1200℃條件下進(jìn)行熱模擬試驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)二次熱循環(huán)峰值溫度在800℃，也就是在α+γ兩相區(qū)范圍時，ICCGHAZ韌性最低，出現(xiàn)脆化。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察800℃峰值溫度下韌性最低試樣的微觀組織，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，導(dǎo)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。

圖4 21.4mm厚X80管線鋼二次熱循環(huán)峰值溫度下粗晶區(qū)沖擊韌性

圖5 粗晶區(qū)SEM照片

通過多種焊材匹配試驗，優(yōu)選出適合21.4 mm厚X80管線鋼焊絲、焊劑及焊接參數(shù)組合。優(yōu)選結(jié)果表明，BG-H08C焊絲和SJ101H1焊劑匹配時，焊縫韌性穩(wěn)定，-10℃焊縫沖擊功均在100 J以上。

隨著焊管壁厚的增加，焊接坡口的變化將直接影響焊接接頭力學(xué)性能、焊縫組織與焊縫宏觀形貌。21.4 mm厚X80管線鋼埋弧焊接時，為保證內(nèi)外焊道的熔深，減小焊縫余高，選擇不同的內(nèi)外坡口及鈍邊進(jìn)行焊接試驗，結(jié)果如圖6所示，當(dāng)內(nèi)60°/外 60°，鈍邊在 8～9 mm 時，焊縫及熱影響區(qū)沖擊值較為穩(wěn)定，且-10℃沖擊功均在100 J以上。

圖6 －10℃不同坡口形式下沖擊試驗結(jié)果

4 產(chǎn)品性能

4.1 金相組織

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接頭的金相組織如圖7所示。由圖7（a）可見，焊縫熔深、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。由圖7（a）和圖7（b）可見，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），熱影響區(qū)（HAZ）組織以B粒為主。X80管線鋼管焊縫橫斷面各位置顯微組織均勻細(xì)密，保證了厚規(guī)格X80管線鋼管焊接接頭具有一定的強(qiáng)度。

圖7 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接頭金相組織照片

4.2 拉伸性能

在X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體180°橫向取Φ12.7 mm圓棒試樣進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表4。由表4可以看出，螺旋焊管管體屈服強(qiáng)度為574～681 MPa，抗拉強(qiáng)度為653～759 MPa，焊接接頭抗拉強(qiáng)度≥679 MPa；直縫焊管管體屈服強(qiáng)度564～627 MPa，管體抗拉強(qiáng)度674～694 MPa，焊接接頭抗拉強(qiáng)度≥635 MPa，均符合X80鋼級管材技術(shù)條件要求。

表4 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管的拉伸性能

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管抗拉強(qiáng)度正態(tài)分布如圖8所示。由圖8可見，不論螺旋焊管還是直縫焊管，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值分布合理，均在標(biāo)準(zhǔn)要求的中值附近。

圖8 X80級Φ1422 mm×21.4 mm焊管抗拉強(qiáng)度正態(tài)分布圖

4.3 韌性

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體、焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行夏比沖擊試驗和管體DWTT試驗，結(jié)果見表5。由表5可以看出，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管在-10℃管母橫向沖擊功239～476J，焊縫沖擊功104～247J，HAZ沖擊功102～504J；X80級Φ1422mm×21.4 mm直縫焊管在-10℃下管母橫向沖擊功234～503 J，焊縫沖擊功 110～266 J，HAZ 沖擊功 108～459 J。由此可見，X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管管體、焊縫及HAZ沖擊性能較高，且均符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。

表5 －10℃下X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管夏比沖擊試驗結(jié)果

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體橫向進(jìn)行落錘撕裂試驗，因標(biāo)準(zhǔn)不同，在0℃時剪切面積單值為90%～100%，均值99%，符合第三代大輸量標(biāo)準(zhǔn)要求的0℃下DWTT單值最小70%、均值最小85%的標(biāo)準(zhǔn)要求；在-5℃時剪切面積單值為86%～100%，平均值94%，也符合較為嚴(yán)格的中俄東線要求的-5℃下DWTT單值最小70%、平均值最小85%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫埋弧焊管管體在20℃、0℃、-20℃、-40℃和-60℃系列溫度下DWTT撕裂試驗的剪切面積如圖9所示。由圖9可見，采用4家鋼廠原料生產(chǎn)的厚壁X80焊管FATT85%均低于-20℃，其中A廠螺旋焊管FATT85%為-45℃。卷板制成鋼管后，雖然硬化效應(yīng)帶來DWTT性能略有下降，但在-20℃條件下管體仍能獲得良好的抗撕裂韌性，且部分管材具有一定余量。

圖9 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管系列溫度DWTT性能

4.4 硬度

X80級Φ1 422 mm×21.4 mm管體母材焊縫和HAZ硬度測試結(jié)果見表6。由表6可見，母材最大硬度271HV10，焊縫硬度最大值279HV10，HAZ硬度最大值278HV10，焊縫最高，HAZ次之，母材最低，均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管焊接接頭的硬度

4.5 幾何尺寸控制

在X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管生產(chǎn)過程中，利用板邊數(shù)字定位和激光跟蹤等技術(shù)，精確控制成型過程中原料遞送位置及運行平直度，可有效控制焊管管徑和橢圓度等尺寸精度。X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管周長和橢圓度尺寸測量結(jié)果見表7。由表7可見，生產(chǎn)的螺旋焊管管體周長變化范圍可控制在4 458～4 469 mm，管端周長范圍控制在4 462～4 469 mm，橢圓度控制在1.1～6.6 mm。利用JCOE工藝生產(chǎn)的直縫焊管管體周長變化可控制在4 462～4 470 mm，管端周長控制在4 462.5～4 468 mm，橢圓度控制在0～6 mm。因此，通過螺旋/直縫制管過程中各工藝的精確控制，采用4家鋼廠進(jìn)行千噸級試制生產(chǎn)的X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管的橢圓度、周長均符合尺寸精度高的中俄東線的標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是螺旋焊管達(dá)到了較高的管體幾何尺寸控制精度。

表7 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管幾何尺寸測量結(jié)果

4.6 爆破試驗

對X80級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直縫焊管各抽取1根進(jìn)行靜水壓爆破試驗，試驗過程中依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求施加水壓壓力15.9 MPa，保壓10 min，檢測結(jié)果表明，4家鋼廠的4根焊管均未泄露，也未發(fā)生變形。對4根焊管繼續(xù)升壓，其爆破失效壓力見表8。由表8可見，4根焊管爆破失效壓力均大于標(biāo)準(zhǔn)中屈服理論計算值16.7 MPa和最高壓力理論計算值18.8 MPa。所有螺旋焊管起爆點均位于管體母材區(qū)，然后穿過焊縫后止裂。直縫焊管起爆點位于熱影響區(qū)域，但是試驗所得屈服壓力和爆破壓力均高于理論計算值。所有爆破口呈100%韌斷，為正常失效破壞[14]。

表8 X80級Φ1 422 mm×21.4 mm焊管爆破試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）采用低 C和 Mn-Mo-Cr-Ni系合金設(shè)計，并適量添加Nb、Ti及V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，通過進(jìn)一步優(yōu)化板材TMCP工藝，實現(xiàn)了X80厚壁管材組織和性能的有效控制，開發(fā)出了以針狀鐵素體為主的21.4 mm厚X80熱軋卷板和鋼板。

（2）通過對厚壁焊管成型、焊接、水壓等工藝優(yōu)化控制，開發(fā)出了X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管，各項性能均符合中俄東線等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）采用切環(huán)法測得螺旋管彈復(fù)量最大為+20 mm，直縫管彈復(fù)量最大為+70 mm，采用盲孔法測得螺旋焊管內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力波動范圍在-197～193 MPa，直縫焊管內(nèi)外表面環(huán)向殘余應(yīng)力波動范圍在-65～163 MPa，螺旋焊管殘余應(yīng)力值與直縫焊管相當(dāng)，均小于200 MPa?？梢姡琗80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管具有較低的殘余應(yīng)力。

（4）X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管具有較高的幾何尺寸精度，可完全滿足管道現(xiàn)場全位置自動焊施工要求。

（5）X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧焊管實現(xiàn)了千噸級生產(chǎn)試制，試制產(chǎn)品通過了國家油氣管材質(zhì)檢中心和管道局環(huán)焊試驗檢測，表明國內(nèi)企業(yè)完全具備規(guī)?；a(chǎn)高壓大輸量油氣管道用X80級Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直縫埋弧鋼管的能力。

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Development and Performance Study of X80 Grade Φ1 422 mm×21.4 mm Large Diameter and Thick Wall Welded Pipe

BI Zongyue1,2,HUANG Xiaohui1,2,NIU Hui1,2,ZHAO Hongbo1,2,NIU Aijun1,2,BAO Zhigang1,2,LIU Bin1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China)

TE832

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.001

2016-11-06

編輯：謝淑霞

中國石油天然氣股份有限公司科技攻關(guān)專項，第三代高壓大輸量油氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究課題“Φ1 422 mm X80管線鋼管應(yīng)用技術(shù)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(shù)研究工作。