X90直縫管理化性能及常見問題分析

王冬林 蔣洪 張琦 劉月發(fā) 張麗麗 劉洋

摘要：為了加強高性能鋼管質(zhì)量控制，從化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織等幾個方面對國內(nèi)10家主要鋼管廠生產(chǎn)的X90直縫管進(jìn)行了研究。分析了X90直縫管性能控制，對化學(xué)成分各元素、拉伸性能、沖擊性能、硬度等控制程度進(jìn)行了排序，與此同時從性能和焊接脆化兩個方面分析了X90直縫管問題，并給出了相應(yīng)的原因分析及處理方向。分析結(jié)果表明：X90直縫管化學(xué)成分應(yīng)加強Nb+V+Ti、P、CEpcm、Mn的控制;拉伸性能控制程度排序為：延伸率>抗拉強度>屈服強度，要特別注意屈強比的控制;沖擊功平均值控制程度為：母材橫向控制最好，焊縫橫向控制最差，熱影響區(qū)橫向居中，但沖擊功標(biāo)準(zhǔn)差控制程度為：熱影響區(qū)橫向標(biāo)準(zhǔn)差控制最差，母材橫向次之，焊縫橫向最好;金相組織熔合區(qū)PF占的比例較大是產(chǎn)生軟化的主要原因，應(yīng)重點關(guān)注。

關(guān)鍵詞：X90直縫管;性能;分析;工藝;問題;焊接脆化

中圖分類號：TG457.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0040-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.07

0? ? 前言

天然氣作為國家重點能源，其需求量不斷增加，單條輸送管道設(shè)計輸送量已從原來每年320億m3增長到如今的每年460億m3，提升了44%，且在近20年，管線管輸送壓力從最初0.25 MPa提升至14 MPa[1]。相關(guān)統(tǒng)計資料[2-4]表明，鋼管每提高一個鋼級，管線管建設(shè)成本可縮減7%，因此為了降低管線成本和滿足社會日益增長的油氣需求，高性能的管線管的開發(fā)和研究顯得尤為重要。目前國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了X90管線管（包括直縫管和螺旋管），X90管線管試制工作已圓滿完成，完全具備大規(guī)模生產(chǎn)條件。文中主要從化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面對X90直縫管進(jìn)行性能分析，指出了X90直縫管常見問題及其原因，并給出了處理措施。

1 X90直縫管生產(chǎn)工藝

常用的高鋼級管線管生產(chǎn)工藝主要包括螺旋管和直縫管，兩者的差別主要在于原材料和成型方式，其他工藝基本一樣。常見的X90直縫管生產(chǎn)工藝為：上料→鋼板超聲波探傷→銑邊→端部剪切及焊接→邊緣修正→成型→預(yù)焊→內(nèi)焊→外焊→焊縫超聲波探傷→X-Ray探傷→鋼管擴(kuò)徑→水壓試驗→焊縫超聲波探傷→X-Ray探傷→管端拍片→平頭倒棱→稱重測長→噴標(biāo)→發(fā)運。

2 X90直縫管性能分析

選取國內(nèi)10家規(guī)模比較大的鋼管廠生產(chǎn)的X90直縫管進(jìn)行性能分析，直縫管規(guī)格φ1 219 mm×16.3 mm。

2.1 化學(xué)成分分析

對每家鋼管廠抽取50組數(shù)據(jù)，總計500組化學(xué)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

由表1可知，各大鋼鐵廠X90直縫管化學(xué)成分控制均滿足相應(yīng)技術(shù)要求，相對來說，P、CEpcm、Nb+V+Ti控制接近上限值（甚至出現(xiàn)P元素個別超上限），Nb+V+Ti平均值控制也接近上限，Mn、Nb+V+Ti方差控制也存在偏差，因此要加強Nb+V+Ti、P、CEpcm、Mn的控制。合金元素對X90直縫管力學(xué)性能影響很大，因此各工廠需加強X90合金元素的研究與控制。

2.2 力學(xué)性能分析

對每家鋼管廠抽取50組數(shù)據(jù)，總計500組力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表2～表4所示。

表2排除了個別屈服強度、抗拉強度超標(biāo)數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從標(biāo)準(zhǔn)差角度分析：延伸率標(biāo)準(zhǔn)差為延伸率最小值的10.7%，屈服強度標(biāo)準(zhǔn)差為合格范圍的23.3%，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)差為合格范圍的18.2%，屈強比標(biāo)準(zhǔn)差為屈強比最大值的5.3%，控制程度排序為：屈強比>延伸率>抗拉強度>屈服強度。由標(biāo)準(zhǔn)差分析可知，屈強比、延伸率控制程度較好，屈服強度和抗拉強度控制標(biāo)準(zhǔn)差接近，屈服強度標(biāo)準(zhǔn)差占合格范圍比抗拉強度低5.1%，原因在于屈服強度合格區(qū)間小于抗拉強度合格區(qū)間。但從平均值和測試值范圍來看，屈強比均接近上限值，屈服強度、抗拉強度、延伸率平均值和測試值范圍控制遠(yuǎn)強于屈強比，因此各工廠應(yīng)該加強屈強比的控制。

由表3可知，該表排除了個別沖擊性能超標(biāo)數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從沖擊功平均值角度來說：母材橫向控制最好，焊縫橫向控制最差，熱影響區(qū)橫向居中。但從沖擊功標(biāo)準(zhǔn)差來說：熱影響區(qū)橫向標(biāo)準(zhǔn)差控制最差，母材橫向次之，焊縫橫向最好，母材橫向控制一般是因為其統(tǒng)計數(shù)值范圍區(qū)間更大。整體沖擊性能控制符合X80直縫管規(guī)律。

由表4可知，母材、焊縫和熱影響區(qū)硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度平均值排序為：母材>焊縫>熱影響區(qū)，焊縫、熱影響區(qū)、母材標(biāo)準(zhǔn)差控制差別不大，但焊縫、熱影響區(qū)仍好于母材。

2.3 金相組織分析

金相組織分析包括非金屬夾雜物、組織、帶狀組織、晶粒度等的檢查，其中管體取樣位置為焊縫90°位置和焊縫180°位置，詳細(xì)金相組織檢測結(jié)果如表5～表6和圖1～圖7所示。

從表5和圖1～圖4可以看出，管體非金屬夾雜物A類、B類、C類、D類均符合技術(shù)要求，帶狀組織均為0.5級，晶粒度均為12.0級，從圖5～圖7和表6可以看出，直縫管管體組織為B粒，焊縫組織為IAF+B粒+PF，熔合區(qū)為B粒，直縫管焊縫細(xì)晶區(qū)為PF+MA+P，其中熔合區(qū)PF所占比例較大，是產(chǎn)生軟化的主要原因，容易引起焊縫處斷裂。

3 X90直縫管問題分析

3.1 X90直縫管性能問題

從表1化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計可以看出，各大鋼鐵廠X90直縫管化學(xué)成分控制均滿足相應(yīng)技術(shù)要求，相對來說，P、CEpcm、Nb+V+Ti控制接近上限值，Nb+V+Ti平均值控制也接近上限，Mn、Nb+V+Ti方差控制也偏差，因此應(yīng)加強Nb+V+Ti、P、CEpcm、Mn的控制。而從各國專利技術(shù)可以看出，X90直縫管化學(xué)成分控制存在很大差異，這也決定了X90直縫管性能的根本區(qū)別，所以應(yīng)該多借鑒國外公司先進(jìn)成熟的技術(shù)，比如日本JFE、加拿大IPSCO公司等。當(dāng)然由于設(shè)備和工藝與國外的差異性，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家要制定適合自身的化學(xué)成分。

從各廠直縫管生產(chǎn)過程來看，拉伸性能、沖擊性能及硬度均出現(xiàn)不同程度的不合格現(xiàn)象，不合格比例約為1%，這在一定程度上影響了供貨期及成材率，所以各生產(chǎn)廠要從金相組織入手，控制好相應(yīng)的金相組織，實現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

3.2 X90直縫管焊接脆化問題

X90直縫管在焊接時經(jīng)常發(fā)生局部脆化現(xiàn)象，主要包括粗晶脆化和M/A組元脆化。粗晶脆化是焊接時溫度很高，特別是粗晶區(qū)溫度最高，雖然維持時間較短，但也會造成奧氏體的晶粒尺寸明顯增大，相關(guān)研究表明[5-8]，材料成分和金相組織不變時，對晶粒長大過程起決定性作用因素的是峰值溫度及其保持時間，且峰值溫度所起的作用遠(yuǎn)大于其保持時間。M-A組元脆化是指鋼在冷卻過程中，由于鐵素體中C元素固溶度很低，使得奧氏體中富集C元素，隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，富集C元素的奧氏體會轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而形成馬氏體/奧氏體，簡稱M/A[9-11]。M/A組元極大地影響焊縫性能，研究表明[12-13]：M/A會顯著降低X90直縫管韌性，使得材料脆化，并且脆化程度與M/A的含量、形態(tài)和尺寸大小有著密切關(guān)系[14-15]。

4 結(jié)論

（1）對國內(nèi)10家規(guī)模較大的鋼管廠生產(chǎn)的X90直縫管的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織進(jìn)行分析，排除個別超標(biāo)數(shù)據(jù)，其余理化數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求，具體表現(xiàn)為：化學(xué)元素P、CEpcm、Nb+V+Ti控制接近上限值（甚至出現(xiàn)P元素個別超上限），Mn、Nb+V+Ti方差控制也偏差;拉伸性能控制程度排序為：延伸率>抗拉強度>屈服強度，應(yīng)特別注意屈強比的控制;沖擊功平均值控制程度為母材橫向控制最好，焊縫橫向控制最差，熱影響區(qū)橫向居中，但沖擊功標(biāo)準(zhǔn)差控制程度為熱影響區(qū)橫向標(biāo)準(zhǔn)差控制最差，母材橫向次之，焊縫橫向最好;硬度平均值控制程度排序為：母材>焊縫>熱影響區(qū)，硬度標(biāo)準(zhǔn)差控制程度為焊縫、熱影響區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差控制好于母材。

（2）分析了X90直縫管性能和焊接脆化問題，各工廠需多借鑒國外先進(jìn)成熟的技術(shù)，制定適合工廠自身特點的化學(xué)成分，與此同時各生產(chǎn)廠要控制好相應(yīng)的金相組織，以實現(xiàn)性能穩(wěn)定;焊接脆化問題中的粗晶脆化應(yīng)特別注意峰值溫度及其保持時間的影響，焊接脆化問題中的M/A組元脆化要特別注意M/A的含量、形態(tài)和尺寸大小的綜合影響。

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