Φ1 524 mm×20.3 mm X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管研發(fā)

劉成坤，冉軼杰，彭 彬，李曉龍，肖永成，劉 燁，蒲夢(mèng)雅

（資陽石油鋼管有限公司，四川 資陽 641300）

21世紀(jì)以來，隨著天然氣市場(chǎng)需求的不斷增長，在天然氣長輸管線工程建設(shè)的帶動(dòng)下，輸送鋼管的制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，高鋼級(jí)、厚壁、大直徑螺旋縫埋弧焊（SAWH）管在長輸管線工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］，在未來10～20年，市場(chǎng)對(duì)天然氣的需求仍會(huì)繼續(xù)保持快速增長的勢(shì)頭［3-4］。

為了提高管道輸量、節(jié)省管道建設(shè)投資，綜合考慮管道工程建設(shè)成本和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性［5］，必然會(huì)在增大鋼管直徑和壁厚、提高鋼級(jí)、增加輸氣壓力等方面做文章。目前，西氣東輸三線中段、中俄管線東段等長輸管線建設(shè)已大量采用了Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm X80鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管［6］，促進(jìn)我國大直徑、厚壁、高鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管的制造技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。將要陸續(xù)啟動(dòng)的西四線、西五線等工程，采用更高鋼級(jí)、更大直徑和壁厚的SAWH鋼管進(jìn)行高壓、大輸量、長距離輸送已成為我國天然氣管道建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)［7-12］。

因此，進(jìn)行Φ1 524 mm X90鋼級(jí)超大直徑螺旋縫焊管研發(fā)意義重大［6，13］。自 2016 年以來，針對(duì)Φ1 524 mm×20.3 mm X90鋼級(jí)SAWH鋼管開發(fā)，資陽石油鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱資陽鋼管公司）和寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院聯(lián)合國內(nèi)鋼廠，開展了大量的工藝試驗(yàn)研究和檢測(cè)評(píng)價(jià)工作，2018年10月在資陽鋼管公司Φ1 626 mm螺旋縫焊管生產(chǎn)線上進(jìn)行了產(chǎn)品試制，試制產(chǎn)品經(jīng)內(nèi)部檢驗(yàn)、型式試驗(yàn)和第三方評(píng)價(jià)，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

1 X90板卷開發(fā)及性能分析

聯(lián)合國內(nèi)某鋼鐵集團(tuán)公司開展了板厚20.3 mm X90鋼級(jí)熱軋板卷的研究開發(fā)，提出可行的板卷合金化思路，采用超低C，低P、S、N，增加Ni、Nb、V、Ti等細(xì)晶合金元素成分設(shè)計(jì)，保證可焊性，通過熱機(jī)械控軋（TMCP）工藝優(yōu)化和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，獲得了超純凈、細(xì)晶組織、高強(qiáng)度、高韌性等性能優(yōu)良的熱軋板卷。對(duì)開發(fā)出的X90熱軋板卷，依據(jù)QSY GJX 125—2013《天然氣輸送管道用X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求進(jìn)行了性能分析、驗(yàn)證。

1.1 板卷幾何尺寸

X90鋼級(jí)熱軋板卷尺寸見表1。

1.2 板卷化學(xué)成分分析

X90鋼級(jí)熱軋板卷化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果見表2。

表1 X90鋼級(jí)熱軋板卷尺寸

表2 X90鋼級(jí)熱軋板卷化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果%

1.3 板卷力學(xué)性能

1.3.1 拉伸性能

X90鋼級(jí)熱軋板卷拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。卷板中部的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略低于頭部和尾部，卷板屈服強(qiáng)度分布在669～736 MPa，平均值695 MPa，接近標(biāo)準(zhǔn)中限值700 MPa，考慮包辛格效應(yīng)，制管后母管的屈服強(qiáng)度將有所下降，預(yù)留了約40 MPa的影響量；抗拉強(qiáng)度分布在760～802 MPa，平均值784 MPa，小于標(biāo)準(zhǔn)中限值約25 MPa，在合理范圍；屈強(qiáng)比為0.87～0.92；伸長率為21%～25%?？梢姡寰砝煨阅芨黜?xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)集中、性能穩(wěn)定。

表3 X90鋼級(jí)熱軋板卷拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 夏比沖擊試驗(yàn)

X90鋼級(jí)熱軋板卷-20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果顯示，X90鋼級(jí)熱軋板卷-20℃夏比沖擊吸收功集中在317～359 J，斷口剪切面積百分比均為100%，卷板頭、中、尾部低溫沖擊性能指 標(biāo)趨同、穩(wěn)定、良好。

表4 X90鋼級(jí)熱軋板卷-20℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.3.3 落錘撕裂試驗(yàn)

X90鋼級(jí)熱軋板卷-15℃落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）結(jié)果見表5。

表5 X90鋼級(jí)熱軋板卷-15℃落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，X90鋼級(jí)熱軋板卷頭、尾部斷口剪切面積百分比最小值分別為88%、91%，頭、尾部平均值91%，雖滿足了技術(shù)條件要求，但出現(xiàn)了一定幅度的波動(dòng)。落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果能否穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是厚壁、X90鋼級(jí)熱軋板卷開發(fā)的難點(diǎn)之一，特別是卷板頭、尾部位達(dá)標(biāo)難度更大，為以后進(jìn)一步優(yōu)化卷板性能指明了方向。

1.3.4 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

X90鋼級(jí)熱軋板卷導(dǎo)向彎曲試樣的拉伸面上未出現(xiàn)目視可見的裂紋，導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果滿足QSY GJX 125—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3.5 硬度試驗(yàn)

X90鋼級(jí)熱軋板卷橫向維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布如圖1所示，維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖1 板卷橫向維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布示意

表6 X90鋼級(jí)熱軋板卷維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

從表6可以看出，板卷頭部硬度值為230～262 HV10，平均值247 HV10；中部為224～268 HV10，平均值248 HV10；尾部為237～265 HV10，平均值254 HV10；板卷的頭、中、尾部的維氏硬度值數(shù)據(jù)集中、穩(wěn)定。

1.3.6 金相檢驗(yàn)

X90鋼級(jí)熱軋板卷金相檢驗(yàn)結(jié)果見表7。板卷顯微組織如圖2～3所示。

以上的性能分析結(jié)果顯示：X90鋼級(jí)板卷的所有性能指標(biāo)完全滿足“板卷技術(shù)條件”要求。

2 鋼管制造工藝設(shè)計(jì)開發(fā)及產(chǎn)品試制

2.1 鋼管制造工藝設(shè)計(jì)開發(fā)

工藝設(shè)計(jì)依據(jù)QSY GJX 124—2013《天然氣輸送管道用X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》，鋼管規(guī)格 Φ1 524 mm×20.3 mm×8～12 m，鋼級(jí) X90，板卷公稱寬度1 650 mm。

2.1.1 成型工藝設(shè)計(jì)

成型方式采用三輥彎板、排輥外控、上卷左螺旋MEG成型。

成型主要工藝參數(shù)有：板卷工作寬度1 640 mm±0.5 mm，成型角 69°41′，內(nèi)壓輥角度 69°23′，外控輥角度69°58′，螺距長度1 749 mm，調(diào)型理論圓直徑控制在1 520～1 522 mm。

表7 X90鋼級(jí)熱軋板卷金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 板卷顯微組織

圖3 板卷帶狀組織

三輥彎板機(jī)按過壓彎曲設(shè)計(jì)，成型殘余應(yīng)力采用切環(huán)法檢測(cè)，鋼管切口張開間距控制在-30～70 mm（“鋼管技術(shù)條件”要求≤90 mm）。

成型控制的主要質(zhì)量指標(biāo)有：管端外徑允許偏差-0.5～+2.0 mm；兩端平均直徑之差≤2.0 mm；管體直徑允許偏差-1.83～+4.00 mm；成型縫錯(cuò)邊管端≤1.6 mm，管體≤2.0 mm；管端橢圓度允許偏差≤0.6%D，管體橢圓度允許偏差≤1.2%D；鋼管全長直度偏差≤鋼管長度的0.2%，局部≤3.0 mm/m；成型縫“噘嘴”量≤1.5 mm。

2.1.2 焊接工藝設(shè)計(jì)

一步法焊接方式，內(nèi)外焊接均采用雙絲埋弧自動(dòng)焊，前絲直流、后絲交流，先內(nèi)焊、后外焊，內(nèi)外焊工位間隔1.5個(gè)螺距，內(nèi)焊點(diǎn)接近6點(diǎn)鐘位置，外焊點(diǎn)接近12點(diǎn)鐘位置。

焊材匹配：內(nèi)外焊的1、2號(hào)焊絲均采用Φ4.0 mm高強(qiáng)度合金埋弧焊絲，與母材等強(qiáng)度匹配，焊劑采用高韌性高速燒結(jié)埋弧焊劑。

焊縫設(shè)計(jì)：充分考慮壁厚和焊接熔池中焊絲金屬與母材合適的熔合比、兼顧低線能量輸入原則下的焊接參數(shù)優(yōu)化［14］，結(jié)合避免焊接夾雜、氣孔、未焊透缺陷的產(chǎn)生，通過反復(fù)的焊接試驗(yàn)、對(duì)比分析，確定焊縫采用X型坡口，上下坡口角度均采用小角度、鈍邊尺寸為壁厚的一半，上、下坡口的深度比約為3∶2。

主要焊接參數(shù)：依據(jù)低線能量輸入原則，結(jié)合焊縫設(shè)計(jì)和壁厚，兼顧焊縫外觀質(zhì)量和避免產(chǎn)生內(nèi)部焊接缺陷，焊接速度變化控制在±0.05 m/min，匹配適宜的焊接電流和電壓。

焊接控制的主要質(zhì)量指標(biāo)：內(nèi)外焊道熔合量≥1.5 mm，內(nèi)外焊道中心偏離量≤3.0 mm，內(nèi)焊縫余高≤3.0 mm，外焊縫余高≤2.5 mm，還包括焊縫的一系列力學(xué)性能指標(biāo)。

2.2 產(chǎn)品試制及檢驗(yàn)

2018年10月，在Φ1 626 mm螺旋縫焊管生產(chǎn)線上進(jìn)行了產(chǎn)品試制，試制過程中，生產(chǎn)正常，成型、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊接接頭性能優(yōu)良，解決了厚壁、高鋼級(jí)鋼管生產(chǎn)中常見的焊縫及HAZ低溫沖擊韌性不穩(wěn)定的問題［15］。對(duì)試制產(chǎn)品按“鋼管技術(shù)條件”進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)、X射線檢驗(yàn)、超聲波探傷、水壓試驗(yàn)等在線檢驗(yàn)，并在檢驗(yàn)合格的鋼管上截取試驗(yàn)，按“鋼管技術(shù)條件”要求進(jìn)行了試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)鋼管形體尺寸、外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能等進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了X射線、超聲波等無損檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示鋼管各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足“鋼管技術(shù)條件”要求。

3 試制產(chǎn)品評(píng)價(jià)

在試制產(chǎn)品內(nèi)部檢驗(yàn)合格的前提下，截取樣品送第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按QSY GJX 124—2013進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如下。

3.1 拉伸性能試驗(yàn)

X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表8。管體橫向屈服強(qiáng)度639～736 MPa、平均值685 MPa，與卷板平均值比下降約10 MPa，包辛格效應(yīng)影響較小，這與后續(xù)水壓試驗(yàn)加工強(qiáng)化有關(guān)；管體橫向抗拉強(qiáng)度730～802 MPa、平均值772 MPa，與卷板平均值784 MPa比，微量下降、變化不明顯，且在合理范圍。屈強(qiáng)比0.87～0.92，平均值0.89；伸長率21%～25%，平均值22.9%，與卷板比均無明顯變化?？梢?，X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管的拉伸性能各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)集中、性能穩(wěn)定。

表8 X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

技術(shù)條件中，對(duì)焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)要求不允許存在下列任一情況：①試樣完全斷裂；②在焊縫金屬處出現(xiàn)任何長度大于3.2 mm的裂紋或斷裂，無論深度如何；③在母材金屬、熱影響區(qū)或熔合線處出現(xiàn)任何長度大于3.2 mm或深度大于規(guī)定壁厚12.5%（即2.53 mm）的裂紋或斷裂。

導(dǎo)向彎曲試樣取自板卷頭、中、尾部生產(chǎn)鋼管的焊接接頭橫向，試樣規(guī)格500 mm×38 mm×20.3 mm，彎軸直徑145 mm，面彎、背彎180°，試驗(yàn)結(jié)果顯示所有試樣均未出現(xiàn)裂紋等。

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管-10℃夏比沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管-10℃夏比沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管管體橫向的沖擊功在316～358 J，數(shù)據(jù)集中，且遠(yuǎn)高于相關(guān)技術(shù)條件要求，剪切面積百分比均為100%，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功也均遠(yuǎn)高于技術(shù)條件要求，鋼管具有良好的低溫韌性。

X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管管體、焊縫、熱影響區(qū)的0，-10，-20，-30，-45，-60℃系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示：管體縱向、橫向的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT50CVN低于-60℃，如圖4～5所示；焊縫的FATT50CVN約為-60℃，如圖6所示；熱影響區(qū)的FATT50CVN約為-23℃，如圖7所示。通過系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)，證明鋼管具有良好的低溫沖擊韌性，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度極低，管體達(dá)到了-60℃以下、焊縫約為-60℃、熱影響區(qū)約為-23℃。

圖5 管體橫向沖擊韌性系列溫度轉(zhuǎn)變曲線

圖6 焊縫沖擊韌性系列溫度轉(zhuǎn)變曲線

3.4 落錘撕裂試驗(yàn)

X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管的-5℃落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果顯示，管體橫向斷口剪切面積百分比SA均為100%，滿足鋼管斷口剪切面積百分比SA單個(gè)值≥70%、平均值≥85%的技術(shù)條件要求。

圖7 熱影響區(qū)沖擊韌性系列溫度轉(zhuǎn)變曲線

進(jìn)行X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管管體縱向、管體橫向的0，-5，-15，-30，-45℃系列溫度落錘撕裂試驗(yàn)。結(jié)果顯示：管體縱向低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度FATT85DWTT（試樣斷口剪切面積百分比低于85%且開始急劇下降的溫度點(diǎn)，即韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的拐點(diǎn)）約為-15℃；管體橫向FATT85DWTT約為-30℃，如圖8所示。

圖8 管體DWTT剪切面積系列溫度轉(zhuǎn)變曲線

管體落錘撕裂試驗(yàn)結(jié)果能否達(dá)標(biāo)是高鋼級(jí)X90鋼級(jí)厚壁螺旋縫焊管開發(fā)的難點(diǎn)及需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。-5℃時(shí)，管體縱向、橫向的斷口剪切面積百分比均為100%，說明具有優(yōu)良的DWTT性能。從圖8來看，管體縱向試樣在約-15℃時(shí)斷口剪切面積百分比開始低于85%且明顯下降，管體橫向試樣在-30℃時(shí)斷口剪切面積百分比開始低于85%且明顯下降。

3.5 硬度試驗(yàn)

管體母材維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布與板卷的相同（圖1），管體母材維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果見表10。焊接接頭維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布如圖9所示，焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果見表11。

卷板頭、中、尾部制管后焊接接頭維氏硬度值216～278 HV10，平均值237 HV10，數(shù)據(jù)集中、與技術(shù)條件指標(biāo)比余量較大，比制管前卷板的硬度低，驗(yàn)證了焊接工藝設(shè)計(jì)的合理性。

3.6 金相分析

焊接接頭金相檢驗(yàn)結(jié)果見表12，低倍宏觀形貌如圖10所示，焊縫區(qū)未見宏觀焊接缺陷；焊縫顯微組織如圖11所示。焊接接頭熔合區(qū)及細(xì)晶區(qū)的顯微組織如圖12～13所示。

表10 管體母材維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

圖9 焊接接頭維氏硬度測(cè)試點(diǎn)分布示意

3.7 水壓爆破試驗(yàn)

Φ1 524 mm×20.3 mm×11.7 m X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果見表13。數(shù)據(jù)顯示滿足QSY GJX 124—2013要求的鋼管實(shí)際爆破壓力值≥理論爆破壓力值的技術(shù)條件要求。

表11 焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

表12 焊接接頭金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖10 焊接接頭宏觀形貌

圖11 焊縫顯微組織

3.8 試制產(chǎn)品評(píng)價(jià)

試制產(chǎn)品嚴(yán)格按鋼管技術(shù)條件進(jìn)行了拉伸、導(dǎo)向彎曲、夏比沖擊、落錘撕裂、硬度、焊接接頭宏觀形貌、金相組織、水壓爆破等一系列的檢驗(yàn)與試驗(yàn)，結(jié)果顯示：試制產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足“鋼管技術(shù)條件”要求，試制產(chǎn)品合格。

圖12 焊接接頭熔合區(qū)顯微組織

圖13 焊接接頭細(xì)晶區(qū)顯微組織

表13 水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果 MPa

4 結(jié) 語

通過Φ1 524 mm×20.3 mm X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管研發(fā)試制，在大直徑厚壁高鋼級(jí)SAWH鋼管制造方面取得了突破。

（1）聯(lián)合國內(nèi)鋼鐵公司提出了制管用熱軋板卷的合金化思路，采用超低C，低P、S、N，增加Ni、Nb、V、Ti等細(xì)晶合金元素成分設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化控制軋制工藝，獲得了超純凈、高強(qiáng)度、高韌性、性能良好的熱軋板卷。

（2）開發(fā)出了鋼管制造工藝技術(shù)，重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了制管成型及焊接工藝，成型采用三輥彎板過壓彎曲設(shè)計(jì)，有效控制成型殘余應(yīng)力，合理匹配焊接材料、坡口鈍邊、焊接速度、電流電壓等工藝參數(shù)，保持焊接熔池中焊絲與母材金屬合適的比例，遵循焊接“低線能量輸入”原則，獲得了性能優(yōu)良的焊接接頭，有效解決了類似產(chǎn)品生產(chǎn)中常見的焊縫及HAZ低溫沖擊韌性指標(biāo)數(shù)據(jù)不集中、離散度大、性能不穩(wěn)定的問題。

（3） 研制出的Φ1 524 mm×20.3 mm X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。目前，資陽鋼管公司已具備了批量生產(chǎn)該產(chǎn)品的條件；且該產(chǎn)品的成功研發(fā)也為以后超大直徑、更高鋼級(jí)的厚壁SAWH鋼管研制開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，提供了工藝設(shè)計(jì)參考。

（4）下一步改進(jìn)方向：一是板卷頭部及尾部橫向DWTT試驗(yàn)結(jié)果顯示，斷口剪切面積百分比指標(biāo)數(shù)據(jù)較分散、不集中，其穩(wěn)定性需進(jìn)一步提升；二是要加強(qiáng)高鋼級(jí)厚壁管線鋼“由板卷到鋼管”的包辛格效應(yīng)研究，摸索其變化趨勢(shì)及規(guī)律，以精準(zhǔn)指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)和批量生產(chǎn)。