彎制溫度對(duì)海底管道用小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管性能的影響

丁維婭， 何 清， 張付峰， 肖松節(jié)， 許江新，王英豪， 劉 偉， 高欣蕊

（鄭州萬(wàn)達(dá)重工股份有限公司， 鄭州451161）

0 前 言

隨著我國(guó)海洋油氣資源的開發(fā)， 有關(guān)海底管道的技術(shù)研究和產(chǎn)品研制取得了巨大突破， 用于改變油氣流向的堆焊復(fù)合彎管需求驟增[1-7]。 鑒于海上施工成本高， 水下作業(yè)環(huán)境極其苛刻， 因此對(duì)于匯氣管道裝備中堆焊復(fù)合彎管的耐高壓性能和抗腐蝕性能要求嚴(yán)格， 一旦出現(xiàn)腐蝕或者裂紋， 不僅整套裝備面臨報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)， 還可能造成大面積海域污染[8-12]。 由于現(xiàn)階段工藝技術(shù)的局限性， 業(yè)內(nèi)制造海洋油氣用小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管成品率低， 尤其是在彎制過(guò)程中， 彎曲段堆焊層表面易出現(xiàn)裂紋， 諸多廠家成品率甚至低于50%以下。 本研究探討了通過(guò)彎管制造工藝優(yōu)化， 提高海洋油氣用小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管產(chǎn)品合格率的可能性。

1 海底管道用小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管制造工藝及問題分析

1.1 制造工藝

海底管道用小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管的制造工藝較為復(fù)雜， 主要為以下三點(diǎn)： ①?gòu)澲魄埃?在原材料復(fù)檢合格的前提下， 對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行噴砂打磨后， 進(jìn)行指定長(zhǎng)度和厚度的不銹鋼合金層的堆焊； ②彎制成型過(guò)程中， 堆焊層檢驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)后流轉(zhuǎn)至彎制工序， 彎制溫度為930 ℃±25 ℃， 每分鐘推進(jìn)15 mm±2.5 mm， 推進(jìn)過(guò)程中保持勻速推制， 不允許中斷， 彎制中對(duì)加熱成型區(qū)域進(jìn)行水冷， 冷卻水壓為0.25 MPa±0.025 MPa， 冷卻水溫度為25 ℃±15 ℃； ③彎制工序結(jié)束后， 先對(duì)堆焊層進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)， 合格后進(jìn)行淬火＋回火熱處理， 并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理化檢驗(yàn)。

1.2 存在的問題

彎制溫度作為制造工藝的核心， 直接影響著產(chǎn)品的最終質(zhì)量。 原有工藝彎制后， 部分產(chǎn)品外弧側(cè)位置內(nèi)壁堆焊層出現(xiàn)不同程度的裂紋， 導(dǎo)致報(bào)廢。

經(jīng)分析， 因母材壁厚較大， 內(nèi)外壁在彎制加熱過(guò)程中存在溫差， 導(dǎo)致堆焊層在加熱過(guò)程中沒有達(dá)到預(yù)期的形變， 且小曲率半徑彎管（R=3D）在彎制過(guò)程中外弧側(cè)拉伸較長(zhǎng)， 故而出現(xiàn)裂紋，針對(duì)上述問題， 本研究就不同彎制溫度下裂紋的產(chǎn)生展開研究。

2 試驗(yàn)材料

2.1 母材規(guī)格

試驗(yàn)材料為Φ317.1 mm×20.6 mm 的X65 管線鋼管， 焊材使用鎳基合金焊絲ERNiCrMo-3， 切割后單根鋼管長(zhǎng)度為2 m， 數(shù)量45 根。

2.2 母材化學(xué)成分及力學(xué)性能

試驗(yàn)用X65 管線鋼管母材的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 X65 管線鋼管化學(xué)成分%

表2 X65 管線鋼管的力學(xué)性能

3 試驗(yàn)方案

3.1 焊接材料及設(shè)備

鋼管內(nèi)壁堆焊采用實(shí)心焊絲， 美標(biāo)牌號(hào)為N06625， 規(guī)格為Φ1.2 mm， 焊絲的化學(xué)成分見表3。 焊接設(shè)備為熱絲TIG 雙槍堆焊機(jī)， 彎制設(shè)備為YWG-I-426 型彎管機(jī)。

表3 N06625 焊絲化學(xué)成分%

3.2 焊接、 彎制方法及工藝要求

環(huán)向表面堆焊， 焊接及保護(hù)氣體均為純Ar。焊前用丙酮清理焊縫及兩側(cè)50 mm 內(nèi)油污和鐵銹，采用多層多道堆焊。 堆焊后檢驗(yàn)合格的復(fù)合直管，利用彎管機(jī)采用中頻感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行熱煨彎制。 彎制過(guò)程按照試驗(yàn)選取溫度連續(xù)進(jìn)行， 不可中途停頓， 加熱溫度誤差范圍為±5 ℃， 其中每分鐘推進(jìn)15 mm±2.5 mm， 彎制過(guò)程中需對(duì)熱煨后成型區(qū)域進(jìn)行水冷卻保證其定型需求。 冷卻水壓為0.25 MPa±0.025 MPa， 冷卻水溫度為25 ℃±15 ℃。

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究彎制溫度對(duì)堆焊復(fù)合彎管的影響， 彎制溫度區(qū)間為920～1 000 ℃， 分別選取920 ℃、 930 ℃、 940 ℃、 950 ℃、 960 ℃、 970 ℃、980 ℃、 990 ℃和1 000 ℃作為彎制溫度， 按照上述工藝和參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 堆焊層檢測(cè)

彎制結(jié)束后， 對(duì)堆焊層進(jìn)行目視檢測(cè)、 尺寸及滲透檢測(cè)、 超聲波檢測(cè)、 磁粉檢測(cè)。 外觀目視按照NB/T 47013.7 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 滲透檢驗(yàn)按照ASTM E165—2012 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 超聲波檢測(cè)按照ASTM A578—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 磁粉檢驗(yàn)按照ASTM A578—2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.4 熱處理

堆焊層檢測(cè)無(wú)缺陷后， 對(duì)堆焊復(fù)合彎管進(jìn)行熱處理， 熱處理方式為淬火+回火， 其中淬火溫度920 ℃， 保溫時(shí)間1 h， 回火溫度550 ℃， 保溫時(shí)間110 min。

3.5 彎管理化性能檢驗(yàn)

堆焊復(fù)合彎管理化性能檢驗(yàn)主要包括拉伸、彎曲、 硬度、 金相、 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。 根據(jù)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范IX 要求取樣并進(jìn)行試驗(yàn)。 拉伸、 沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—2017， 使用設(shè)備為CMT5305 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和ZBC2452-BE （LX04） 型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)； 硬度檢驗(yàn)依據(jù)ASTM E92—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 使用設(shè)備為MHVS-30AT 型數(shù)顯維氏硬度計(jì)； 金相分析依據(jù)ASTM E340—2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 使用設(shè)備為IM300（JX12） 型金相顯微鏡； 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)依據(jù)ASTM G48—2011 （2015） 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 無(wú)損檢測(cè)

目測(cè)檢查滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.7 的要求； 滲透檢測(cè)結(jié)果滿足DNV-OS-F101.2013.D3.6.9 的要求， 可直接判定堆焊層表面無(wú)裂紋存在。 不同彎制溫度下復(fù)合彎管的合格率如圖1 所示。

圖1 不同彎制溫度下復(fù)合彎管滲透檢測(cè)結(jié)果

由圖1 可見， 950 ℃下彎制的小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管滲透試驗(yàn)合格率為100%， 即表面無(wú)裂紋。 磁粉檢驗(yàn)結(jié)果滿足DNV-OS-F101.2013.D8要求， 管體無(wú)缺陷。 超聲波檢驗(yàn)結(jié)果顯示， 堆焊層內(nèi)壁無(wú)凹坑、 氣孔、 焊渣等缺陷， 完全滿足DNV-OS-F101.2013.D3.6.3 標(biāo)準(zhǔn)和ASTM A578 C 級(jí)—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 理化性能檢測(cè)

4.2.1 拉伸試驗(yàn)

對(duì)彎管直管段、 起始過(guò)渡區(qū)外弧側(cè)、 彎曲段內(nèi)外弧側(cè)、 終止過(guò)渡區(qū)外弧側(cè)區(qū)域進(jìn)行縱向取樣， 取樣形式為棒狀試樣， 標(biāo)距尺寸為12.7 mm×50 mm， 試驗(yàn)結(jié)果見表4。 從表4 可以看出， 試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 堆焊復(fù)合彎管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 沖擊試驗(yàn)

按照ASTMA370 要求， 取橫向試樣， V 形缺口， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm， 試驗(yàn)在-30 ℃進(jìn)行， 拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。 由表5 可以看出， 彎管不同區(qū)域沖擊吸收能量平均值≥100 J， 單值≥80 J， 試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 堆焊復(fù)合彎管沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.2.3 硬度檢測(cè)

硬度檢測(cè)結(jié)果見表6， 按照技術(shù)規(guī)格書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求， 母材硬度≤235HV10， 堆焊層硬度≤310HV10， 試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 堆焊復(fù)合彎管硬度檢測(cè)結(jié)果

4.2.4 金相組織觀察

彎管彎曲段外弧側(cè)金相組織如圖2 所示。由圖2 可以看出， 母材及熱影響區(qū)顯微組織均為粒狀貝氏體， 鐵素體堆焊層顯微組織為呈胞狀樹枝晶分布的奧氏體及少量點(diǎn)狀碳化物[13-15]。需要說(shuō)明的是， 除彎曲段外弧側(cè)外， 對(duì)起始過(guò)渡區(qū)外弧側(cè)和終止過(guò)渡區(qū)外弧側(cè)也進(jìn)行了金相組織觀察。

圖2 堆焊復(fù)合彎管彎曲段外弧側(cè)金相組織照片

4.2.5 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

為檢測(cè)產(chǎn)品耐點(diǎn)蝕性能， 進(jìn)行了FeCl3點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。 試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM G48， 試驗(yàn)溫度為50 ℃， 試樣尺寸49.81 mm×24.76 mm×1.96 mm， 測(cè)試溶液為6%的FeCl3溶液， 測(cè)試周期為24 h。 試樣試驗(yàn)前質(zhì)量為20.271 4 g， 試驗(yàn)后質(zhì)量為20.270 6 g， 腐蝕速率為0.29 g/m2/24h。試樣點(diǎn)腐蝕形貌如圖3 所示， 觀察試樣表面，無(wú)可見點(diǎn)蝕裂紋。

圖3 堆焊復(fù)合彎管點(diǎn)腐蝕形貌（20×）

5 結(jié) 論

（1） 90°小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管的最佳彎制溫度為950 ℃， 此溫度下可完全解決堆焊層表面在彎制后出現(xiàn)裂紋缺陷， 與原彎制溫度相比，產(chǎn)品合格率由50%提升至100%。

（2） 90°小曲率半徑堆焊復(fù)合彎管在選擇950 ℃作為彎制溫度后， 產(chǎn)品除了堆焊層表面不再出現(xiàn)裂紋外， 其磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)結(jié)果也完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求， 且成品堆焊復(fù)合彎管的力學(xué)性能、 金相組織及耐腐蝕性能也完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。