中俄東線工程用Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管研發(fā)

鞏忠旺，趙志偉，陳躍華，杜國強(qiáng)，白福良

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

中俄東線天然氣管道工程（簡(jiǎn)稱中俄東線工程）是我國繼西氣東輸及中緬管線后又一重大高壓長輸管道工程，是我國規(guī)劃建設(shè)的四大能源通道的重要構(gòu)成部分［1］，也是中國石油天然氣集團(tuán)公司規(guī)劃中的第三代大輸量天然氣輸送管道［2］；其干線設(shè)計(jì)應(yīng)用Φ1 422 mm X80鋼級(jí)鋼管，管徑和壁厚較西氣東輸二線及三線都有很大提升。與上述干線連接的線路及站場(chǎng)用彎管，其規(guī)格同樣為Φ1 422 mm X80鋼級(jí)，特別是黑河-長嶺段站場(chǎng)用彎管設(shè)計(jì)為裸露服役，取消了傳統(tǒng)的保溫伴熱等措施，彎管最低服役環(huán)境溫度為-45℃?，F(xiàn)主要介紹該Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的研發(fā)過程。

1 研發(fā)過程

1.1 總體研發(fā)方案

巨龍鋼管有限公司為了研發(fā)出符合中俄東線工程標(biāo)準(zhǔn)要求的Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管產(chǎn)品，設(shè)計(jì)了“鋼板化學(xué)成分→低溫焊接材料及焊接工藝→母管制造工藝→彎管成型及熱處理工藝”研究方案，并按照預(yù)定的方案展開了系列工作。

1.2 彎管母管化學(xué)成分研究

先后選擇國內(nèi)外多個(gè)鋼廠生產(chǎn)的X80鋼級(jí)（或相當(dāng)于X80鋼級(jí)）鋼板，通過熱模擬試驗(yàn)研究化學(xué)成分與機(jī)械性能之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上初步設(shè)計(jì)鋼板化學(xué)成分及合金體系。經(jīng)過兩輪試制發(fā)現(xiàn)：Mn、Nb含量較高，增加了厚壁彎管的淬透性和強(qiáng)度。但Mn含量過高容易導(dǎo)致鋼的過熱敏感性和回火脆性增加，使沖擊性能下降；且Mn含量較高時(shí)，鋼在奧氏體時(shí)的變形阻力加大，不利于彎管的成型。Nb雖然具有細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用，但含量太高對(duì)鋼的強(qiáng)化貢獻(xiàn)將不再顯著，形成碳化物時(shí)反而會(huì)影響鋼的淬透性。在第3輪試制時(shí)，適當(dāng)降低Mn、Nb等合金元素含量，通過增加Mo和Ni的含量提高厚壁彎管的淬透性和回火穩(wěn)定性；適當(dāng)增加V含量，以提高彎管在回火時(shí)的析出強(qiáng)化性能。3輪試制母管主要化學(xué)成分對(duì)比見表1。

表1 3輪試制母管主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)比 %

通過多輪研究，優(yōu)化確定了鋼板化學(xué)成分的控制目標(biāo)值，同時(shí)與鋼廠協(xié)商，要求其嚴(yán)格控制軋制工藝，保證原始鋼板具有很細(xì)的晶粒。

1.3 彎管母管制造工藝研究

與普通鋼管相比，彎管的母管在強(qiáng)度、壁厚、合金含量等方面均有較大提高，焊接難度加大［3］。前期試制時(shí)，母管焊縫受熱后，晶粒明顯粗化，出現(xiàn)較多的大尺寸多邊形鐵素體及貝氏體。焊縫的這種組織形態(tài)會(huì)造成沖擊試驗(yàn)時(shí)焊縫的斷裂單元大，斷口形貌較平，裂紋擴(kuò)展阻礙小，從而導(dǎo)致沖擊試驗(yàn)不合格［4］。這是因?yàn)橹圃炷腹軙r(shí)為了保證焊縫金屬填充量和焊接速度，焊接熱輸入量較大，導(dǎo)致焊縫中存在柱狀晶或局部大晶粒；彎管熱成型過程中，大尺寸晶粒會(huì)隨溫度升高而在局部迅速長大。

通過大量模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了專用低溫焊絲，采取三絲焊工藝，并將其與某品牌焊絲搭配使用（1號(hào)和3號(hào)為專用焊絲，2號(hào)為某品牌焊絲），另外合理配比使用一些低Mn高堿度的焊劑。為保證焊縫整體化學(xué)成分和性能均勻一致，內(nèi)焊完成后，將預(yù)焊焊縫及鈍邊通過特殊處理方式徹底清除，然后再采取與內(nèi)焊相同方式進(jìn)行外焊，同時(shí)在保證焊縫形貌及熔合要求的基礎(chǔ)上調(diào)整焊接坡口形式，優(yōu)化焊接參數(shù)，控制焊接線能量。通過以上措施，細(xì)化了焊縫組織，有效改善了焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性，使其組織成分適用于后期的彎管熱處理。焊接熱影響區(qū)是整個(gè)焊接接頭最薄弱的地帶，鋼板強(qiáng)度水平越高，焊接后熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象就越明顯。根據(jù)低強(qiáng)匹配的原則，合理調(diào)整鋼板強(qiáng)度，使焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度同焊縫基本接近，改善了焊縫熱影響區(qū)在擴(kuò)徑、冷彎試驗(yàn)中的受力情況。不同焊接工藝下母管焊縫性能及組織見表2和圖1所示。

表2 不同焊接工藝下母管焊縫性能及組織

圖1 不同焊接工藝下母管焊縫金相組織

1.4 彎管煨制工藝研究

試制前，加熱線圈的橢圓度控制在4 mm以內(nèi)，同時(shí)嚴(yán)格控制加熱線圈與母管間隙的均勻性；另外，調(diào)整中頻感應(yīng)加熱設(shè)備二次電容器布局，提高中頻感應(yīng)加熱的透射厚度，盡量降低彎管壁厚截面上的溫度梯度。

1.4.1 確定中頻感應(yīng)加熱溫度

彎管的生產(chǎn)工藝是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，采取控制變量法研究彎管的煨制工藝。首先，初步設(shè)定彎制速度及冷卻水壓力，進(jìn)行系列溫度煨制試驗(yàn)，以確定最佳的加熱溫度。彎制溫度與彎管理化性能曲線如圖2所示。

圖2 彎制溫度與彎管理化性能曲線

由圖2可知，隨著感應(yīng)加熱溫度的升高，彎管管體的強(qiáng)度逐漸增大；煨制溫度高于T4時(shí)，管體強(qiáng)度滿足X80鋼級(jí)彎管的技術(shù)要求。彎管的-45℃沖擊性能在加熱溫度小于T4時(shí)維持在較高的水平，基本沒有變化。這說明在T4以下溫度試驗(yàn)時(shí)，隨著煨制溫度升高，組織奧氏體化也越來越充分，奧氏體晶粒度隨溫度升高變化不明顯，奧氏體組織經(jīng)過淬火+回火熱處理轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織。加熱溫度高于T4時(shí)，奧氏體晶粒度開始明顯變化，低溫沖擊性能逐漸降低。彎制溫度高于T5時(shí)，奧氏體晶粒迅速長大，晶粒粗大導(dǎo)致沖擊性能迅速下降，溫度T6時(shí)沖擊性能已經(jīng)不能滿足X80鋼級(jí)彎管的技術(shù)要求。因此，要獲得滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能，煨制溫度應(yīng)控制在T4～T5。

1.4.2 確定冷卻水壓力

采用與確定感應(yīng)加熱溫度相同的研究方法，確定冷卻水壓力。煨制溫度選定T5，煨制速度選定V，調(diào)整冷卻水壓力。冷卻水壓力與彎管理化性能曲線如圖3所示。

圖3 冷卻水壓力與彎管理化性能曲線

從圖3可以看出，彎管強(qiáng)度隨水壓升高逐漸增大。冷卻水壓力高于P5時(shí)，管體強(qiáng)度滿足X80鋼級(jí)彎管的技術(shù)要求，而壓力從P6升高到P7時(shí)，彎管強(qiáng)度反而有小幅度的下降。原因是：冷卻水壓力低于P5時(shí)，由于冷卻能力不夠?qū)е麓阃感Ч停休^多的殘余奧氏體存在，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；壓力高于P5時(shí)，冷卻能力已經(jīng)滿足彎管淬火需求；壓力高于P6時(shí)，由于水壓過大導(dǎo)致冷卻水噴淋到管體表面時(shí)向加熱帶的返水增多，一定程度上降低了加熱溫度，導(dǎo)致彎管強(qiáng)度反而有小幅度的下降。因此，要獲得滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能，宜控制冷卻水壓力在 P5～P6。1.4.3確定煨制速度

煨制溫度選定T5，冷卻水壓力選定P6，進(jìn)行煨制速度試驗(yàn)。通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煨制速度對(duì)彎管的力學(xué)性能影響不大，煨制速度在V2～V6時(shí)，均能得到滿意的彎管力學(xué)性能和幾何尺寸。綜合考慮彎管機(jī)組的中頻感應(yīng)加熱能力、負(fù)荷能力及生產(chǎn)效率需要，最終確定煨制速度V5。

1.5 彎管回火熱處理工藝研究

在確定彎管煨制成型工藝后，煨制了一根完整彎管，并進(jìn)行系列溫度的回火熱處理工藝研究?；鼗馃崽幚頊囟扰c彎管理化性能曲線如圖4所示。

從圖4可知，回火溫度控制在H3～H4時(shí)，彎管可以得到理想的機(jī)械性能。原因是：在回火溫度下，碳化物（主要為Nb、V、Ti的碳化物和氮化物）以細(xì)小的粒狀從飽和的固溶體中析出，并均勻地彌散分布于晶界之間，較好地發(fā)揮了微合金碳化物和氮化物的沉淀強(qiáng)化作用。隨著回火溫度的升高，析出微合金碳化物和氮化物的量越來越多，所以強(qiáng)度隨著回火溫度的升高逐步得到提高。另外，回火也可以在一定程度上消除彎管成型時(shí)殘余在管體內(nèi)部的部分應(yīng)力，使得材料的韌性有所提高?；鼗饻囟冗M(jìn)一步提高，MA等島狀組織在回火溫度下發(fā)生部分溶解而形成更加細(xì)化均勻的晶粒組織，細(xì)晶強(qiáng)化使彎管母體的強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步得到提高，改善了MA做為硬化相的有害作用，同時(shí)也使硬度降低［8］。

圖4 回火熱處理溫度與彎管理化性能曲線

另外，貝氏體和針狀鐵素體板條在回火熱處理時(shí)發(fā)生部分回火再結(jié)晶，從而細(xì)化了組織，進(jìn)一步發(fā)揮了細(xì)晶強(qiáng)化的效應(yīng)，使得彎管的強(qiáng)度和韌性得到改善?；鼗饻囟雀哂贖5時(shí)，由于微合金碳化物和氮化物已經(jīng)充分析出，MA作為硬化相也充分溶解，沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用不再明顯。由于有害物質(zhì)在高溫回火時(shí)的析出，反而產(chǎn)生了高溫回火脆性傾向，并伴隨有二次硬化產(chǎn)生，所以管線鋼的強(qiáng)度和韌性呈明顯下降趨勢(shì)［9-10］。綜合考慮，彎管回火熱處理溫度最終確定為H3。

2 產(chǎn)品主要性能

Φ1 422 mm X80鋼級(jí)大直徑感應(yīng)加熱彎管主要用于高壓長距離油氣輸送管道，用來改變傳輸介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向。Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的主要力學(xué)性能見表3，外觀幾何尺寸見表4。該產(chǎn)品壁厚為25.7～35.2 mm，可適用于-45～80℃工作環(huán)境中，額定工作壓力可達(dá)12 MPa；產(chǎn)品抗震性好、強(qiáng)度和韌性高、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于Q/SYGD 0503.5—2016 及 ISO 15590-1∶2009（E）《石油和天然氣工業(yè)用管道輸送系統(tǒng)的感應(yīng)彎管、管件和法蘭 第1部分：感應(yīng)彎管》、SY/T 5257—2012《油氣輸送用感應(yīng)加熱彎管》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的主要力學(xué)性能

表4 Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的外觀幾何尺寸

3 產(chǎn)品驗(yàn)證性試驗(yàn)

巨龍鋼管有限公司委托國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)所試制的Φ1 422 mm×35.2 mm X80鋼級(jí)彎管抽樣進(jìn)行理化性能檢測(cè)及靜水壓爆破驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度 29 ℃［11-13］。

在進(jìn)行彎管爆破試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到30.2 MPa，彎管膨脹均勻；隨著壓力的增加，彎管管體變形均勻，試驗(yàn)壓力達(dá)到34.72 MPa時(shí)，距注水端環(huán)焊縫2 035 mm處彎曲區(qū)的管體出現(xiàn)明顯的膨脹突起，隨著壓力的進(jìn)行，突起變形加劇，最終彎管在此處爆破。由此得到以下結(jié)論：①測(cè)試最高壓力34.72 MPa，大于理論計(jì)算的最小爆破壓力28.16 MPa；②試驗(yàn)管實(shí)際爆破壓力為34.15 MPa，爆破口位于距注水端環(huán)焊縫2 035 mm處彎曲區(qū)外弧側(cè)母材處，距焊縫中心距離為2 485 mm，爆破口為韌性斷裂。Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管爆破試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管爆破試驗(yàn)曲線

2019年10月25日，巨龍鋼管有限公司研發(fā)的低溫（-45℃）服役 Φ1 422 mm×25.7～35.2 mm X80鋼級(jí)彎管通過了中國石油天然氣集團(tuán)有限公司的科學(xué)技術(shù)成果鑒定，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)中俄東線工程的批量供貨。

4 結(jié) 語

-45℃低溫環(huán)境服役的Φ1 422 mm X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的研制成功，保證了中俄東線天然氣管道建設(shè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行，填補(bǔ)了國內(nèi)研發(fā)此產(chǎn)品的空白，也將會(huì)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要引領(lǐng)及借鑒意義，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。