螺旋埋弧焊管的各向異性及其抗變形性能研究

孫 宏，孫志剛，李建一，宗秋麗，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

螺旋埋弧焊管的各向異性及其抗變形性能研究

孫 宏，孫志剛，李建一，宗秋麗，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了研究螺旋埋弧焊管各向異性的規(guī)律，對API X52～X100螺旋埋弧焊管管體橫向和縱向力學(xué)性能試驗結(jié)果進行了對比，并對其拉伸應(yīng)變性能進行了分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱軋板卷的各向異性和焊管制造工藝均會造成焊管力學(xué)性能方面的各向異性。螺旋埋弧焊管的管體縱向屈服強度及屈強比明顯要高于橫向；抗拉強度則略高于管體橫向；且管體縱向的屈強比偏高。如果采用合適的工藝，也可以生產(chǎn)出低屈強比的螺旋焊管。另外，螺旋埋弧焊管中的靜水壓試驗和防腐工序也會提高螺旋焊管的屈服強度及屈強比指標，其對焊管應(yīng)變特性的影響也不應(yīng)忽視。

螺旋埋弧焊管；基于應(yīng)變設(shè)計；各向異性；屈服強度；應(yīng)變時效；抗變形性能

Abstract:In order to find the anisotropy characteristics of SSAW pipe,it analyzed the transverse and longitudinal mechanical properties test results of X52~X100 steel grade SSAW pipe,as well as its tensile strain performance.The results indicated that the anisotropy hot-rolled-coil and steel pipe manufacturing processes both can cause the anisotropy of SSAW pipe mechanical properties.The pipe body longitudinal direction yield strength and yield ratio were obviously higher than those of pipe body transverse direction;the tensile strength of pipe body longitudinal direction was slightly higher than that of pipe body transverse direction;and the yield ratio of pipe body longitudinal direction was so the high side.If suitable technology is adopted,it can also produce the spiral welded pipe with low yield ratio.In addition,the hydrostatic pressure test and anticorrosion process of SSAW pipe will also enhance the yield strength and yield ratio index,its influence on steel pipe strain features should not be ignored.

Key words:SSAW pipe;strain based design;anisotropy;yield strength;strain aging；anti-deformation properties

隨著石油天然氣需求的持續(xù)增長，數(shù)十年來油氣輸送管道建設(shè)也保持了比較穩(wěn)定的增長。管線鋼管的發(fā)展基本延續(xù)了更高鋼級、更大直徑、更大壁厚的趨勢，X80焊管已經(jīng)得到了規(guī)?；墓こ虘?yīng)用，而X90以上鋼級焊管已經(jīng)完成了試驗段的建設(shè)。大直徑長輸油氣管道主要采用直縫埋弧焊管和螺旋埋弧焊管，近年來，螺旋埋弧焊管得到了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，如中國的西氣東輸管道、西氣東輸二線管道、中亞管道等。由于相當(dāng)多的油氣長輸管道敷設(shè)于凍土帶、地震帶等條件惡劣的地區(qū)，除了內(nèi)壓等負荷外，還對焊管的應(yīng)變性能帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，與傳統(tǒng)的根據(jù)管道環(huán)向應(yīng)力極限設(shè)計不同，在這些區(qū)域，管道通常會采用基于應(yīng)變設(shè)計[1]。目前對于有應(yīng)變要求的管道均采用直縫埋弧焊管，國際上對于螺旋埋弧焊管在基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)管道的應(yīng)用也開展了研究工作[2-4]。本研究主要對螺旋埋弧焊管的各向異性及其應(yīng)變性能，尤其是拉伸應(yīng)變性能進行了探討。

1 螺旋埋弧焊管的制管工藝

螺旋埋弧焊管的制管工藝主要包括一步法和兩步法。一步法是在成型的同時進行內(nèi)外焊，兩步法是成型時進行連續(xù)預(yù)焊，隨后進行離線精焊，即內(nèi)外焊。螺旋埋弧焊管一步法成型焊接工藝流程如圖1所示。從制管過程中產(chǎn)生的變形比較，兩種工藝區(qū)別不大。均按照以下順序進行：鋼卷開卷→鋼帶矯平→三輥彎板成型→焊接靜水壓試驗→涂敷（如果有）。以上工序均會對焊管的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，如開卷、矯平、三輥彎板成型及靜水壓試驗會產(chǎn)生形變，而涂敷則會帶來熱循環(huán)，和變形的影響疊加后，對焊管性能的影響也不可忽視。

圖1 螺旋焊管一步法成型焊接工藝流程

另外，由于螺旋焊管的成型角，焊管的周向（環(huán)向）與板卷的橫向成一定角度，焊管的縱向與板卷的縱向也成一定角度。成型角按照公式（1）計算，焊管縱向和橫向試樣方向與板卷上取樣方向與軋制方向的夾角對應(yīng)。

式中： α—成型角度，（°）；

B—切邊后帶鋼寬度，mm；

D—鋼管外徑，mm。

2 螺旋埋弧焊管的各向異性

焊管的各向異性指的是焊管軸向（縱向）和鋼管環(huán)向（橫向）性能的差異程度。為找到焊管各向異性的規(guī)律，對X52～X100螺旋埋弧焊管的管體橫向和縱向進行拉伸性能試驗，并對比分析試驗結(jié)果。X70鋼級以下的拉伸試樣采用矩形全壁厚試樣，縱向拉伸試樣不壓平，橫向拉伸試樣冷壓平；X80鋼級以上采用矩形全壁厚試樣及圓棒試樣，試樣尺寸按API SPEC 5L及ASTM A370制備，矩形全壁厚拉伸試樣標距長度內(nèi)寬度為38.1 mm[5-6]。不同鋼級焊管的縱向和橫向拉伸性能見表1。從表1可以看出，管體縱向屈服強度高于管體橫向屈服強度，差值大小與鋼級、成型角、試樣形狀等均有關(guān)系。對于抗拉強度，除了X60以下鋼級管體橫向與縱向相當(dāng)外，其他鋼級管體縱向抗拉強度要略高于管體橫向，但是差值顯著小于屈服強度的差值。因此對于屈強比指標，管體縱向均高于管體橫向。斷后伸長率則沒有明顯變化規(guī)律。螺旋焊管縱向與橫向的屈服強度分布如圖2所示。

表1 不同鋼級焊管的縱向及橫向拉伸性能對比

續(xù)表

圖2 螺旋焊管管體縱向與橫向的屈服強度分布

3 分析與討論

從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，螺旋埋弧焊管具有明顯的力學(xué)性能各向異性，且主要體現(xiàn)在屈服強度及屈強比兩方面。管體縱向的屈服強度及屈強比要顯著高于管體橫向，除了個別數(shù)據(jù)，管體縱向與管體橫向的屈服強度及屈強比比值基本隨著鋼級提高而提高。熱軋板卷具有明顯的各向異性，沿不同軋制方向的力學(xué)性能有顯著差異。對X80管線鋼的研究結(jié)果表明，與板卷軋制方向成90°方向的強度最高；與板卷軋制方向成60°及30°方向均相對較低[7]。也有文獻表明，X80板卷的屈服強度與抗拉強度分布規(guī)律為橫向>縱向>45°；延伸率與斷面收縮率分布規(guī)律為45°>縱向>橫向[8]。對于表1中的鋼管規(guī)格而言，其成型角基本在20°～45°；對于螺旋埋弧焊管，其管體橫向?qū)?yīng)板卷的軋制方向角度也基本在20°～45°，其管體縱向?qū)?yīng)板卷的軋制方向角度也基本在45°～70°。當(dāng)成型角度為45°時，從對稱的角度考慮，板卷的軋制方向角度分別對應(yīng)管體橫向與管體縱向基本一致；而當(dāng)成型角度為20°時，板卷的軋制方向角度分別對應(yīng)管體橫向與管體縱向的差異最大，相差約50°。因此，板卷的各向異性對螺旋埋弧焊管強度性能的各向異性有一定程度的影響，并且與成型角度有一定關(guān)系。

螺旋焊管的制管工藝及試樣處理方法是造成螺旋埋弧焊管力學(xué)性能各向異性的另外一個原因，這是由于鋼管縱向基本沒有受到成型過程彎曲變形的影響，而鋼管橫向則明顯受到成型過程中彎曲變形對性能的影響，使屈服強度降低[9]。因此，要獲得低屈強比的鋼管，關(guān)鍵要是獲得低屈強比的板卷。由表1可見，屈強比指標的縱向橫向之比在鋼級上呈“中間高，兩頭低”的現(xiàn)象，即X65、X70鋼級該比值大于其他鋼級。分析認為，對于X70級及以下鋼級，一般采用矩形全壁厚試樣，由于橫向試樣的壓平工序產(chǎn)生了包辛格效應(yīng)，這樣通常會對鋼管的屈服強度指標帶來低估；對于X80級及以上鋼級，一般采用圓棒試樣，與矩形全壁厚試樣相比沒有壓平的工序，以及X80鋼管大多采用水壓后取樣，其中圓棒試樣的采用抵消了試樣壓平的影響，而鋼管的靜水壓試驗可以顯著提高鋼管的環(huán)向（管體橫向）屈服強度。另外，前面所述的成型角度的差異也是一個影響因素。室溫時測得的X80螺旋焊管管體縱向的應(yīng)力比Rt1.5/Rt0.5以及Rt2.0/Rt1.0指標分別為1.15及1.05，具備一定的形變強化能力，但低于對應(yīng)的橫向的應(yīng)力比值。X80焊管管體橫向與管體縱向拉伸曲線如圖3所示。從圖3可以看出，X80焊管管體橫向與縱向的拉伸曲線均顯示為圓屋頂型（Round-house）。另外，X100焊管的拉伸試驗結(jié)果表明，焊管縱向矩形全壁厚試樣測得的屈服強度及屈強比顯著高于圓棒試樣。

圖3 X80焊管管體橫向與縱向的拉伸曲線對比

為了研究防腐加熱對焊管力學(xué)性能的影響，對X80螺旋焊管進行了模擬防腐加熱試驗。選用直徑12.7 mm的圓棒試樣，采用電阻爐加熱，將加熱爐爐內(nèi)溫度提高到規(guī)定溫度后，再將試樣放入爐內(nèi)保持20 min，達到保溫時間后取出試樣，因為焊管外防腐實際采用水冷卻方式，所以采用水冷的方式將試樣冷卻到室溫。X80螺旋焊管應(yīng)變時效試驗結(jié)果表明，經(jīng)過模擬防腐加熱后，管體橫向和縱向屈服強度及屈強比指標均顯著提高，管體縱向相比管體橫向屈服強度及屈強比的升高值則因板卷的差異而不同。對于塑性指標，管體縱向斷后伸長率及均勻變形伸長率均略小于管體橫向，加熱對斷后伸長率及均勻變形伸長率均沒有顯著影響，拉伸試驗曲線如圖4所示。從圖4可以看出，無論縱向或橫向，加熱均使螺旋埋弧焊管的拉伸曲線形狀發(fā)生了改變，總體上為隨著加熱溫度的提高，曲線形狀從圓屋頂型或近似圓屋頂型逐漸向屈服平臺型轉(zhuǎn)變。X80螺旋焊管應(yīng)變時效試驗結(jié)果見表2。

圖4 X80鋼級螺旋焊管應(yīng)變時效對拉伸曲線形狀的影響

對于輸送管而言，當(dāng)管道經(jīng)受彎曲等變形時，焊管縱向承受的變形較大，與直縫焊管相比，螺旋焊管縱向強度普遍要高于橫向，當(dāng)焊管強度水平較高時，縱向屈強比一般均超過0.85。典型的抗大變形鋼管（直縫埋弧焊管）的規(guī)范要求見表3和表 4（Q/SY GJX118—2012《X80天然氣管道工程基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用直縫埋弧焊管技術(shù)條件》）。從表1可以看出，即使是X80鋼級，也有螺旋焊管縱向的屈強比達到了0.78的低水平。另外，X80熱軋板卷的外圈、中部及內(nèi)圈取樣對比試驗的結(jié)果表明，內(nèi)圈的屈服強度及屈強比顯著低于外圈及中部，這與卷取工藝有關(guān)。X80熱軋板卷的外圈、中部及內(nèi)圈拉伸性能對比如圖5所示。因此，如果采用合適的工藝，也可以生產(chǎn)出具備低屈服強度、低屈強比的板卷及螺旋埋弧焊管。

表2 X80螺旋埋弧焊管應(yīng)變時效試驗結(jié)果

表3 常溫下直縫埋弧焊管管體縱向拉伸性能要求

表4 （200±5）℃下保溫5 min時效后直縫埋弧焊管管體縱向拉伸性能要求

圖5 X80鋼級熱軋板卷的外圈、中部及內(nèi)圈拉伸性能對比

從微觀組織方面看，國內(nèi)外抗變形鋼管的研究結(jié)果表明，直縫埋弧焊管采用的熱軋鋼板大多應(yīng)用了雙相組織，即硬相+軟相，如鐵素體+貝氏體雙相鋼和貝氏體+M/A雙相鋼、針狀鐵素體鋼（針狀鐵素體+多邊形鐵素體+M/A）等[10]。通過改變各相的體積分數(shù)以獲得所需的性能，即實現(xiàn)強度與塑性的平衡。對于熱軋板卷，低鋼級的組織主要有多邊形鐵素體+珠光體、塊狀鐵素體+多邊形鐵素體等；高鋼級的微觀組織中的第一相占絕對多數(shù)，第二相很少，主要的相為塊狀鐵素體或粒狀貝氏體。

從焊縫方面考慮，管體縱向與管體橫向的抗拉強度均低于焊縫的抗拉強度。環(huán)焊縫容易實現(xiàn)對管體縱向的過匹配。但是與直縫焊管相比，當(dāng)鋼管承受彎曲變形而產(chǎn)生縱向拉伸變形時，螺旋焊縫本身也會帶來對于變形的約束。

4 結(jié)束語

由于熱軋板卷的各向異性及螺旋埋弧焊管制管工藝特性，其管體縱向與管體橫向的拉伸性能存在明顯的各向異性。螺旋埋弧焊管管體縱向的屈服強度及屈強比指標顯著高于橫向，對于較高鋼級，縱向方向的屈強比一般均超過了0.85。但是，如果采用合適的工藝，也可以生產(chǎn)出低屈強比的板卷及螺旋埋弧焊管。另外，螺旋埋弧焊管中的靜水壓試驗和防腐工序也會提高螺旋埋弧焊管的屈服強度及屈強比指標，并且可能改變鋼管應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形狀，其對鋼管應(yīng)變特性的影響也不應(yīng)忽視。本研究僅對螺旋埋弧焊管的部分應(yīng)變特性進行了初步探討，更多指標還需要進一步研究。考慮螺旋埋弧焊管本身的焊縫以及管道的環(huán)焊縫，還需要進行整管試驗等方式進行驗證。

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Anisotropy and Its Anti-deformation Properties of SSAW Pipe

SUN Hong,SUN Zhigang,LI Jianyi,ZONG Qiuli,WANG Haisheng
（North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei， China）

TE973.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.003

2017-03-30

編輯：汪翰云

孫 宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，目前主要從事石油輸送鋼管材料與試驗技術(shù)工作。