焊管技術進步與產品功能化拓展

胡松林

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

焊管作為一種經濟性斷面產品，廣泛用作結構管、機械管、壓力管道、石油專用管和管線管產品，并占據著鋼管市場消費量的重要份額。從經濟發(fā)達的美國鋼管表觀消費量看，自2009年以來焊管表觀消費量占鋼管消費量均在72%以上［1］。

近年來，隨著焊管制造技術的發(fā)展，焊管產品愈來愈多地應用于國民經濟的諸多領域，并逐步向無縫管等應用領域滲入，規(guī)格已覆蓋大、中、小直徑鋼管范圍。伴隨國際能源經濟的迅速發(fā)展和人類對生態(tài)環(huán)境要求的提高，在新的市場應用中更多面臨的是對產品“功能性”的要求。當今，能源、汽車和基礎設施已成為世界經濟發(fā)展的熱點領域，在提高油氣管道強度以增加管道輸送的效率、適應低碳減排在汽車行業(yè)中推進高強鋼的應用等方面進展較快。市場的功能性需求為焊管制造技術的專業(yè)化發(fā)展提供了機會。

1 焊管制造技術的專業(yè)化

焊管制造技術主要涵蓋原材料（鋼卷/鋼板）制造技術、成型技術、焊接（熱處理）、精整檢驗及焊管二次加工等多方面技術。每一項專業(yè)技術的進步都在為焊管功能性拓展制造機會。

1.1 原材料技術

1.1.1 熱軋鋼卷技術的進步帶動HFW產品升級

通過對管線鋼采用降碳（表1）和相變控制技術，開發(fā)出具有貝氏體+鐵素體組織的X80管線鋼卷，其厚度達到15.9～20.6 mm，為高強度HFW焊管的拓展提供了原料保障［2］。

經HFW焊接制管及焊縫在線調質熱處理（QT）后，商業(yè)化生產出X80鋼級的HFW焊管。產品在60℃下，管體的夏比沖擊功超過300 J，焊縫的夏比沖擊功超過200 J；母材剪切面積百分比DWTT（85%SA）滿足-20℃時的要求，具有良好的強韌性。

1.1.2 厚板技術進步推動高強度大直徑焊管拓展

對大直徑焊管來講，提高鋼管強度、減小壁厚以提高管道輸送的經濟性和運行效率；適用寒冷、地震、深水、酸性等特殊環(huán)境地區(qū)的功能性要求成為熱點，解決焊管原料（厚板）的制造技術成為首選。

通過強化冷卻控制水流量實現(xiàn)厚板在線加速冷卻，控制相變組織形成，從而獲得高強度管線鋼［3］。

在線熱處理（HOP）技術在厚板生產中的應用，與超速冷卻（Supe r-OLAC）技術相結合，能有效控制碳化物析出和二相組織的形成，在提高材料強度的同時，獲得較好的耐蝕性、抗應變性能；使板材在厚度方向、縱橫向上的性能趨于一致。

1.2 焊管成型技術

焊管成型是通過模具將鋼板（卷）彎曲成所需幾何形狀的過程，通常會要求：良好的表面質量和尺寸精度；較小的殘余應力；盡可能寬的t/D（焊管壁厚/直徑）范圍；經濟化的輥型配置。

為適應焊管產品對規(guī)格拓展和市場功能性的要求，在HFW成型技術中，從輥式（單半徑、雙半徑、W彎曲成型等）到排輥成型及FFX（Flexible Forming Excellent）成型，都在改善成型的質量和提升生產效率。

（1）輥式成型中，從單半徑到雙半徑改善了小直徑焊管成型的穩(wěn)定性；

（2）W彎曲成型法較好地改善了厚壁管的邊部彎曲性能；

（3）排輥成型較好地改善了薄壁管邊部成型的質量（鼓包等），提高了軋輥的公用性和規(guī)格范圍；

（4）FFX成型技術通過仿真技術使成型過程的變形趨于一致，進一步提高了軋輥曲面的公用化和調整過程的數(shù)字化以及在初始變形過程的精確化。

日本新日鐵公司曾對HikariΦ610 mm ERW機組改造多次。1984年將輥式成型改為排輥成型，產品最大外徑從406.4 mm擴展到609.6 mm，改善了薄壁管成型時易出現(xiàn)的鼓包等質量問題，實現(xiàn)了排輥區(qū)域軋輥的公用性。2000年將成型機改為FFX鋼管成型機，軋輥為包含機組規(guī)格的漸開線孔型設計，輥位能夠水平及周向旋轉調整，可實現(xiàn)不同外徑、厚度的最佳曲率彎曲，變形區(qū)域的應變分布趨于均一化，可實現(xiàn)Φ609.6 mm×6.0 mm（t/D＝1.0%）薄壁管的穩(wěn)定化生產。經對比分析距焊縫180°位置管體的應變，F(xiàn)FX鋼管成型的塑性應變相對排輥降低了40%左右，制管后的管體屈強比也有所降低［4-5］。

對于大直徑焊管以JCOE和UOE成型為典型方式，JCOE成型以生產的經濟性、靈活性為引領，UOE成型以高強度、高質量為優(yōu)勢。歐洲鋼管公司為北溪管道生產的Φ1 219 mm（48 in）焊管，采用UOE成型的預彎、O模具優(yōu)化，實現(xiàn)了管端橢圓度控制在5.0 mm內的目標，壁厚30.9 mm的焊管的縱向屈強比均值在0.88（標準差0.014）的較好水平［6］。寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）UOE焊管生產線使用了目前世界成型力最大的O成型機（壓力72 000 t），能夠實現(xiàn)較大的壓縮率，減小管體的殘余應力，改善產品質量，已批量生產出尺寸、性能要求較高的Φ610 mm×27 mm X65MOS和Φ1 016 mm×25.4 mm X70MO海管等產品。

1.3 焊接技術

焊接是焊管技術的核心之一，是焊管產品實現(xiàn)市場功能性要求提升的重要環(huán)節(jié)。以無填充電阻焊（EW）和埋弧焊（SAW）為典型技術。近年來隨著電阻焊管外徑、壁厚不斷增大，電阻焊接技術在改善焊接質量和提高焊縫韌性方面有著較明顯的進展。

1.3.1 電阻焊接頻率的變化與焊接質量

電阻焊中焊接頻率從低頻到高頻、從電子管焊接到全固態(tài)焊接電源的改進，都有效地提高了焊接質量和生產效率。隨著對高頻焊接加熱過程的仿真技術應用與研究，以及對焊接質量（韌性等）要求的提高，焊接熱影響區(qū)（HAZ）的控制引起行業(yè)的關注，再次引發(fā)對焊接頻率的研究［7］。

為適應機組對不同壁厚、不同材料焊接時對質量的一貫制要求，焊機廠家對焊接頻率與焊縫熱影響區(qū)的影響關系進行了分析研究。美國Thermatool公司研發(fā)出HAZ ControlTM焊接技術（HCTTM），并應用在可變頻率高頻焊機中。在焊接過程中以焊接速度、鋼管規(guī)格、材質為輸入，焊機會匹配出優(yōu)選功率、頻率方案，引導操作較快實現(xiàn)最佳化焊接。在最佳化工藝運行過程保持頻率穩(wěn)定在1%內，以保障焊接熱影響區(qū)寬度的一致和焊縫性能的穩(wěn)定，減少了調整過程的廢品量［8］。

1.3.2 高性能焊接技術

對使用在低溫環(huán)境條件下的HFW焊管，低溫韌性是滿足功能性的指標之一。對高強度焊管來講，高韌性也成為必要。日本JFE公司通過對高頻焊接加熱熔合過程中材料的彈塑性變形、電磁場、熱傳導的綜合分析，運用有限元分析技術解析了焊接速度與加熱寬度、焊縫應力的關系，焊接速度的增加會使加熱寬度減小，周向應力顯著增加，進而開發(fā)出壁厚加熱均勻化、氧化物形狀和密度控制最佳化為核心的高性能焊接技術（Mighty SeamTM）。

該技術應用在東日本（京濱）工廠的Φ610 mm中直徑焊管機組上，為北美極寒地帶提供了Φ323.9 mm×15.9 mm X65M鋼級的焊管，焊縫的韌脆轉變溫度達-90℃，系列沖擊試驗如圖1所示，焊縫低溫性能優(yōu)良。

圖1 Φ323.9 mm×15.9 mm X65M焊管系列沖擊試驗

在對焊接質量要求較高的高頻焊接工藝中，為提高焊接質量，采用了焊接區(qū)域惰性氣體保護、焊接溫度精確測量與監(jiān)控、焊接毛刺形態(tài)在線監(jiān)控等一系列的技術，都在不同程度上改善了焊接質量。

1.3.3 熱處理技術

高頻焊接后的焊縫存在脆化傾向，通常會采取焊縫在線正火處理改善焊縫的組織和性能。對于高強度焊管，在改善韌性的同時也要提高焊縫強度，開發(fā)了焊縫在線調質熱處理技術，實現(xiàn)焊縫的超強匹配性。該技術在日本JFE公司、新日鐵公司及我國寶鋼中直徑焊管生產中得到應用，獲得了焊管焊縫的拉伸強度高于母材，試驗斷裂在母材區(qū)域的效果。

1.3.4 埋弧焊接技術

多絲焊接技術的應用，以及焊材匹配、線能量控制、起弧熄弧延遲等技術的綜合運用為高鋼級大壁厚焊管的焊接質量改善提供保證。寶鋼采用獨有的埋弧焊接工藝及控制技術，實現(xiàn)了Φ1 219 mm×33 mm X80M，Φ711 mm×20 mm X100M高強度厚壁焊管的商業(yè)化生產。

2 焊管的功能化拓展

2.1 具有較好加工性能的HFW焊管

為了適應汽車輕量化、低排放的發(fā)展，開發(fā)應用于汽車零部件制作的易加工、耐用、性能穩(wěn)定等功能化產品成為機遇。日本JFE公司開發(fā)了2種用于汽車零部件的780 MPa強度級別的焊管，具有良好的成形性、韌性、耐疲勞性和涂覆性。

其一是滿足汽車懸架和底盤等部件對成形性、疲勞性、韌性、涂覆性等要求的新型780 MPa級別的HFW焊管。該產品具有鐵素體+貝氏體的微觀組織，滿足強韌性要求，減小兩相間的硬度差，防止在成形過程中的應變集中在軟相區(qū)。結合高純凈冶煉、高精度控軋控冷技術及高精確焊縫在線熱處理工藝的運用，實現(xiàn)高加工性焊管的制造。該焊管能夠滿足彎曲成形過程半徑小于2D。

其二是開發(fā)成形性更為優(yōu)良的780 MPa強度級的HISTORY（high-speed tube welding and optimum reducing technology）焊管。HISTORY焊管采用了焊接后熱張力減徑技術，使組織進一步細化和均勻，降低彎曲加工過程中壁厚減薄的不利影響，保持彎曲區(qū)域良好的強韌性，從而獲得高的延伸率和r值（Lankford值，用來衡量減壁難度）。HISTORY焊管制造流程如圖2所示，HISTORY焊管的強度-延伸率關系及r值如圖3所示。

圖2 HISTORY焊管制造流程示意

圖3 HISTORY焊管的強度-延伸率關系及r值

新開發(fā)的2種焊管的優(yōu)良性能主要體現(xiàn)在：

（1）疲勞性。通過4點彎曲疲勞試驗，2種焊管在2×106頻次交變載荷下，疲勞強度與拉伸強度之比高達0.8。HISTORY管具有較高加工硬化性和抑制裂紋擴展性能，不隨成形應變增加而增加。

（2）韌性。2種焊管通過對成分和組織的控制，獲得良好的低溫韌性。產品在0℃、縱向和周向方向的1/4尺寸夏比沖擊韌性均超過120 J/cm2，韌脆轉變溫度低于-70℃，具有優(yōu)良的抗沖擊性和低溫韌性。

（3）涂覆性。2種焊管在吸附能力、耐蝕性等方面均較370 MPa級別常規(guī)ERW鋼管優(yōu)良。

（4）可加工變形性。通常對用于液壓成形管，材料強度為290～440 MPa相對較為容易成型。成形性會隨材料強度的增加而變得困難。新開發(fā)的2種780 MPa級別鋼管具有較好的成形性，HISTORY管最小彎曲半徑達到了1.1D左右。在壓縮性方面，一道次可獲得20%的減徑率（Φ76.3 mm×2.9 mm→Φ60.5 mm）。在膨脹加工性方面，利用軸向進給和模具約束，成功地將780 MPa級別Φ63.5 mm×3.2 mm規(guī)格HISTORY管的膨脹率提高到35%，而不產生任何裂痕和起皺。

2.2 小直徑厚壁焊管的延伸

汽車零部件高強度、輕量化的要求，為厚壁焊管的應用拓展提供了機會。日本新日鐵公司采用熱張力減徑工藝生產Φ13.8～60.5 mm厚壁焊管，并將最大壁厚從7.5 mm提高到9.0 mm，且通過對熱張力減徑機架和軋輥輥位的改進提高了內徑的圓度，如圖4所示；可制造焊管的t/D從原來的最大值26%提高到33%，并有Φ34 mm×7 mm、Φ50 mm×10 mm等厚壁焊管進入商業(yè)化應用。

圖4 熱張力減徑機架和軋輥輥位改進前后內圓度對比

2.3 中直徑厚壁焊管的市場化

日本JFE公司在中直徑HFW焊管生產中采用了獨特的厚壁成型技術和焊縫在線調質熱處理技術，以及防止表面過熱的溫度測量和多通道超聲波檢測技術和方法，建立了完整的厚壁焊管制造和質量控制技術，制造出符合API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》標準的Φ660 mm×25.4 mm X56M厚壁管，低溫韌性性能優(yōu)良（圖5），滿足了市場對厚壁、低溫韌性產品的功能化要求。APL Spec 5L要求Φ660 mm×25.4 mm X56M焊管管體沖擊功為27 J。

圖5 Φ660 mm×25.4 mm X56M焊管沖擊韌性

2.4 適用功能化需求的大直徑焊管

日本JFE公司運用超速冷卻及在線熱處理（HOP）技術，為大直徑焊管在高強度、大應變和耐酸管開發(fā)方面提供了品質優(yōu)良的厚板。2002年，在世界上首次制造了滿足加拿大標準（Canadian Standards Association）的CSA 690級（相當于API X100級）高強度管線管，用于加拿大管道項目的試驗段鋪設［3］。CSA 690級管線管力學性能見表2。

表2 CSA 690級管線管力學性能

此外，日本JFE公司還開發(fā)了2種適用于地質 滑移等環(huán)境的高應變管（JFE-HIPER）：一種是采用控軋和超速冷卻技術，獲得鐵素體-貝氏體組織鋼，材料具有圓弧型應力-應變曲線和較高的n值（加工硬化指數(shù)）特性；其二是利用在線熱處理（HOP）工藝，獲得馬氏體-奧氏體組織的抗應變性能更優(yōu)的管線鋼。材料具有較高的n值和較低的屈強比，JFE-HIPER高應變管的力學性能見表3。

表3 JFE-HIPER高應變管的力學性能

利用在線熱處理技術（HOP）獲得具有均勻的組織和性能，厚度方向硬度均勻，強度和韌性趨于穩(wěn)定，適用于特定環(huán)境要求的焊管。采用在線回火熱處理和控軋控冷工藝的鋼板，經制管后的焊管的圓度對比如圖6所示，可看出使用在線熱處理工藝的鋼板制管后鋼管圓度有所改善。

圖6 在線回火熱處理和控軋控冷工藝鋼板制管后的圓度（D/t0.6）

2.5 建立完善的質量信息化系統(tǒng)

20世紀歐洲鋼管對焊管廠進行了信息化改造：

（1）建立專業(yè)化的生產信息系統(tǒng)PRODIS（production control and information system），建立從原材料到成品管的全過程連續(xù)監(jiān)控用于客戶文檔組建。

（2）通過信息網絡對所有工藝、設備參數(shù)實時記錄，尤其是對焊管質量有直接影響的如成型、焊接和檢測參數(shù)。在各設備間建立相互連接，在質量參數(shù)發(fā)生偏差時向后續(xù)工序及時發(fā)出操作預警。

（3）利用建立的信息系統(tǒng)，以根據每批鋼板的性能選擇最適當?shù)闹乒芄に噮?shù)為目標，提高產線對材料性能差異的適應性，穩(wěn)定最終產品質量。

3 結 語

在清潔能源開發(fā)利用和經濟化應用的驅使下，焊管產品逐步從品種化走向功能化成為趨勢。焊管產品在向高強度、滿足苛刻使用要求、高加工性能等方面拓展，更多地依賴焊管在材料、成型焊接及二次加工技術的專業(yè)化發(fā)展。