X70鋼級海洋用高應(yīng)變直縫埋弧焊管的研制*

閔祥玲，王 旭，劉 濤，白學(xué)偉，方 文

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，河北 青縣 062658；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；3.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

我國海洋管道經(jīng)過30多年的發(fā)展，總里程已經(jīng)超過5 300 km，最大水深1 560 m，普遍采用X65及以下鋼級鋼管，X70鋼級較少，基于應(yīng)變設(shè)計的深水管道研究在國內(nèi)尚屬空白。與非海洋用高應(yīng)變管相比，海底惡劣服役環(huán)境對管線管提出了更嚴(yán)格的要求。首先，鋼管尺寸精度要求更高，深海管道承受海水外擠壓的問題突出，因此要求徑厚比D/t（15≤D/t≤45）和不圓度等更小，以提高抗壓潰性能，厚規(guī)格管線鋼管斷裂韌性控制成為主要技術(shù)“瓶頸”，對成型、擴徑設(shè)備的能力也提出了更高的要求；其次，在縱向應(yīng)變能力要求方面，深海管道在鋪設(shè)和運行階段有較大的塑性變形，除了在設(shè)計階段要采用基于應(yīng)變的方法之外，須有最小應(yīng)變硬化指數(shù)要求，以保證縱向高應(yīng)變能力，而非海洋用高應(yīng)變管則是采用了日本鋼鐵工程控股公司提出的應(yīng)力比指標(biāo)要求，保證一定的縱向應(yīng)變能力［1-15］。目前，我國在高應(yīng)變海洋管線管的開發(fā)和應(yīng)用方面研究較少。某鋼管公司與國內(nèi)知名鋼廠合作，聯(lián)合攻關(guān)開展了X70鋼級Ф559 mm×31.8 mm規(guī)格海洋用高應(yīng)變直縫埋弧焊管的研制，現(xiàn)介紹如下。

1 L485M鋼級高應(yīng)變鋼板的開發(fā)

據(jù)報道，多邊形鐵素體-貝氏體組織不僅可以提高落錘撕裂（DWTT）性能，而且有助于提高鋼管的形變能力。鞍山鋼鐵集團有限公司（簡稱鞍鋼）設(shè)計采用多邊形鐵素體+貝氏體的雙相組織設(shè)計X70鋼級海洋用高應(yīng)變海洋管線管用鋼板。主要通過合金成分設(shè)計及TMCP熱機械控制工藝獲得顯微組織。成分設(shè)計方面，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪卮_保足夠的強度。鑒于雙相鋼中鐵素體及貝氏體比例以及貝氏體的強度對變形能力具有重要影響，TMCP熱機械控制工藝設(shè)計重點考慮獲得合適比例的鐵素體及貝氏體，尤其是下貝氏體組織，這主要通過控制ACC（快速冷卻）入水溫度以及冷卻速度。通過以上成分及工藝控制確保了L485M鋼板具有鐵素體+貝氏體雙相組織以及低屈強比、高延伸率的特征。然而，值得注意的是，采用雙相微觀組織的板材，過分要求降低屈強比將導(dǎo)致很高的抗拉強度，這會帶來有害的影響，有時會在斷口表面產(chǎn)生明顯的分離，使低溫韌性惡化；要求環(huán)焊縫和鋼管主焊縫金屬具有極高的強度，所以平衡好各項性能非常重要。

鞍鋼所生產(chǎn)的L485M鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板，鋼板的化學(xué)成分見表1；典型的多邊形鐵素體+粒狀貝氏體顯微組織如圖1所示，縱向拉伸曲線如圖2所示，典型鋼板拉伸性能見表2。

表1 X70鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 L485M鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板顯微組織

圖2 L485M鋼板縱向板狀試樣拉伸曲線

表2 X70鋼級31.8 mm厚度典型鋼板拉伸性能

從表2可以看出，開發(fā)的31.8 mm厚度鋼板具有高均勻延伸率及低屈強比等抗高應(yīng)變材料所需的全部特征；縱向屈服強度和抗拉強度總體上分別略低于橫向屈服強度和抗拉強度，且屈服強度均略低于X70鋼級鋼管屈服強度要求，是考慮了雙相組織加工硬化能力高，制管后強度上升的空間，而抗拉強度基本達到了鋼管要求的水平。兩張鋼板的應(yīng)變硬化指數(shù)均大于0.1，滿足目標(biāo)值要求，同時，均顯示了優(yōu)良的低溫韌性，如圖3所示。

圖3 2號鋼板系列溫度的夏比沖擊功

2 直縫埋弧焊管制造

2.1 預(yù)彎成型、擴徑設(shè)備能力提升及工藝研究

深海管線的主要設(shè)計載荷是外壓載荷，相關(guān)的極限狀態(tài)是壓潰狀態(tài)。除了壁厚之外，深水管線的壓潰還受到管子的不圓度和材料屈服強度的影響。因此，深海管線標(biāo)準(zhǔn)對鋼管幾何尺寸的精度要求很高，鋼管不圓度控制至關(guān)重要，DNVGL-ST-F101—2017《海底管道系統(tǒng)》要求管體不圓度≤0.015D，本項目要求不圓度≤0.012D，即6.7 mm。為此，某鋼管公司根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和產(chǎn)品規(guī)格特點，通過分析計算，與設(shè)備廠家協(xié)同設(shè)計加工了合適的預(yù)彎和擴徑模具（圖4），保證不圓度的控制和有效消除殘余應(yīng)力。

圖4 預(yù)彎模具與擴徑模具

在管段試制階段，利用2號板制成的管段進行了擴徑率依次為1.00%，0.80%，0.06%的試驗研究。利用擴徑后試驗管段截取母材橫向拉伸和母材縱向拉伸試樣進行試驗。結(jié)果表明，擴徑率對該材質(zhì)母材180°（矩形試樣）和母材90°（矩形試樣）拉伸試驗結(jié)果幾乎無影響，試樣屈服強度變化值最大為11 MPa，抗拉強度變化值為5 MPa。同時，還針對擴徑率對殘余應(yīng)力的影響進行了管環(huán)試驗，結(jié)果表明，鋼管擴后殘余應(yīng)力整體較低，殘余應(yīng)力與擴徑率呈反比，隨著擴徑率增加，鋼管殘余應(yīng)力相應(yīng)降低。隨著擴徑率由0.6%增加到1.0%，采用切環(huán)法檢測，切口張開間距由22.5 mm減小到16.0 mm。預(yù)焊后不圓度實際控制在0～10 mm，擴徑后不圓度在0～2 mm，控制很理想。

2.2 焊接工藝研究

某鋼管公司基于同規(guī)格普通X70焊管的焊接工藝，針對L485鋼級Φ559 mm×31.8 mm規(guī)格鋼管的小直徑、大壁厚、高應(yīng)變、高斷裂韌性等特點，制定了2種焊絲和4種焊劑的管段焊接試驗方案，進行焊材對比優(yōu)選試驗研究。內(nèi)外焊焊絲為4絲焊：方案一內(nèi)外焊焊絲均為HS#A；方案二二絲為HS#B，其余各絲均為HS#A。內(nèi)外焊焊劑為：HJ#A+HJ#B、HJ#C+HJ#B、HJ#A、HJ#C。

通過管段焊縫的性能檢測，焊縫拉伸強度都處于較高的水平（675～699 MPa），焊劑HJ#C+HJ#B的匹配及與焊劑為HJ#A的匹配，焊縫的低溫沖擊韌性不是很理想，特別是焊縫中心和外焊縫熔合線的性能明顯比其他方案的差。

2.3 鋼管試制

根據(jù)管段試驗結(jié)果，優(yōu)選焊絲HS#A匹配焊劑HJ#A+HJ#B進行1號板整管試制，同時采用焊絲HS#A匹配焊劑HJ#C進行2號板整管試制。制管工藝設(shè)計中充分考慮了材料加工硬化導(dǎo)致強度的上升以及均勻延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)的降低，采用了合理的成型步數(shù)，擴徑采用1.0%的擴徑率，其余制管工藝與同規(guī)格普通X70焊管相同。

制管后根據(jù)項目目標(biāo)值要求，取橫向、縱向試樣進行拉伸性能檢測。理化取樣時充分考慮了火焰切割過程熱影響，取樣尺寸足夠大以確保測試區(qū)域的性能不受熱影響。

2.3.1 鋼管拉伸性能

試制鋼管的拉伸性能見表3?？梢钥闯?，所有縱向試樣抗拉強度、伸長率和屈強比全部達到了要求，縱向均勻延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)n大幅度下降，個別鋼管的屈服強度和均勻延伸率超出了目標(biāo)值范圍，而均勻延伸率偏低的兩個試樣都對應(yīng)具有偏高的抗拉強度。

從表3可以看出，橫向拉伸性能只有屈服強度存在低于目標(biāo)值的情況，鋼管的其他性能全部符合項目目標(biāo)值要求。

2.3.2 制管前后縱向拉伸性能的變化規(guī)律

直縫埋弧焊管制造過程中，主要由于成型、擴徑的作用，導(dǎo)致鋼管強度升高。強度升高的趨勢受到材料自身強化能力及擴徑率的影響。通常主要是指橫向屈服強度的升高，對于縱向的變化數(shù)據(jù)較少。但前期試制的數(shù)據(jù)表明，對于抗大變形焊管，擴徑對縱向屈服強度的影響可能更大。通過對制管前后鋼板、鋼管的縱向拉伸性能比較，獲得了該材料制管前后拉伸性能的變化規(guī)律，見表4。

從表4可見，制管后縱向拉伸性能變化大。屈服強度平均升高105 MPa，抗拉強度平均升高達21 MPa，屈強比平均升高0.14。這種變化特征與大變形鋼的高強化能力有關(guān)?；诖艘?guī)律，抗大變形鋼板應(yīng)獲得低于鋼管標(biāo)準(zhǔn)的屈服強度水平及屈強比。

2.3.3 鋼管落錘撕裂DWTT性能

為了研究X70鋼級Φ559 mm×31.8 mm管線鋼管的防脆性開裂能力，減薄試樣分內(nèi)側(cè)減薄、外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄3種情況，在0℃溫度下進行落錘撕裂試驗，可以看到，外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄的試樣相對于內(nèi)側(cè)減薄試樣的剪切面積百分比分散程度大，且較多低值，但也都達到項目目標(biāo)值要求（最小值為82%）。同時，還利用外側(cè)減薄試樣進行了系列溫度的落錘撕裂試驗，鋼管落錘撕裂轉(zhuǎn)變曲線如圖5所示。壓制缺口的落錘撕裂試驗平均剪切面積百分比仍能達到86%，85%韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃。圖6所示為外側(cè)減薄壓制缺口的落錘撕裂試樣-20℃和-10℃的斷口形貌。從圖6可看出，首先在缺口下方出現(xiàn)脆性斷口，緊接著脆性斷口轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷口，并有少量的斷口分離。

圖6 鋼管在-20℃和-10℃溫度下的落錘撕裂試驗斷口形貌

2.3.4 焊縫韌性性能

為了了解焊縫韌性，對夏比沖擊性能進行了研究。1號鋼管在不同溫度條件下焊縫夏比沖擊功如圖7所示，均高于200 J，顯示較高水平。同時，對兩根鋼管焊縫多個區(qū)域進行了-20℃的夏比沖擊韌性研究，吸收功均在40 J以上，主要分布在50～300 J，而且明顯看到，外焊縫熔合線和焊縫中心熔合線的韌性最差，基本在50～100 J。焊接接頭的硬度分布如圖8所示，外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)的硬度分布情況趨勢完全一致，均滿足項目目標(biāo)值要求（管體≤275 HV10，焊縫≤300 HV10），且明顯看出熱影響區(qū)發(fā)生了一定程度軟化，兩根鋼管的熱影響區(qū)相比母材的軟化率分別為2.6%～3.4%和7.3%～11.2%，2號鋼管的軟化率更高一些。焊接接頭的宏觀形貌及顯微組織如圖9所示。焊縫金屬對母材為過匹配，可以看到，焊縫形貌良好，熔合量、焊偏量等均符合技術(shù)條件要求。鋼管顯微組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，焊縫組織為典型的針狀鐵素體組織，熱影響區(qū)組織為粒狀貝氏體組織。焊接接頭硬度測試結(jié)果見表5。

表5 焊接接頭硬度測試結(jié)果HV10

圖7 1號鋼管系列溫度下焊縫的夏比沖擊功

圖8 焊接接頭硬度分布

圖9 焊接接頭的宏觀照片及各區(qū)域的顯微組織

3 結(jié) 語

為了開發(fā)適用于深海環(huán)境的高應(yīng)變埋弧焊鋼管，進行了基于應(yīng)變設(shè)計管線鋼的開發(fā)和Φ559 mm×31.8 mm鋼管的試生產(chǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）開發(fā)的X70鋼級Φ559 mm×31.8 mm規(guī)格直縫埋弧焊管均勻延伸率合格率偏低，應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）均未達到預(yù)期，需進一步深入分析均勻延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)影響因素，進一步優(yōu)化鋼板成分、組織及性能。

（2）壁厚中心熔合線沖擊功、外焊縫沖擊功偏低，需進一步深入研究優(yōu)化焊接材料及工藝。

（3）DWTT試驗結(jié)果表明，外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄試樣相對于內(nèi)側(cè)減薄試樣的剪切面積百分比低，最小值為82%，但也都達到項目目標(biāo)值（75%）要求。

（4）鋼板經(jīng)制管后，縱向屈服強度平均升高達105 MPa，抗拉強度升高達21 MPa，屈強比平均升高0.14，鋼管熱影響區(qū)軟化率為2.6%～11.2%。綜合來看，1號鋼管的性能優(yōu)于2號鋼管。

（5）下一步將基于本次試制結(jié)果，針對綜合性能較好的1號鋼管，從鋼板成分、制管工藝及焊接工藝等方面進一步研究優(yōu)化，提高性能均勻及穩(wěn)定性。