HFW系列管線管的力學(xué)性能控制技術(shù)

劉怡婷

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院（上海 200062）

國際油氣行業(yè)對管線鋼管的應(yīng)用擴(kuò)展以及對其低成本的關(guān)注，促進(jìn)了輸送用管線管的發(fā)展和研發(fā)。其中，高頻電阻焊（HFW）管線管由于力學(xué)性能優(yōu)、尺寸精度高、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了較好的發(fā)展。

HFW管線管通常采用熱軋鋼卷為原料進(jìn)行加工生產(chǎn)，鋼卷彎曲變形成鋼管。由于存在加工硬化和包辛格效應(yīng)等的交互作用，不同鋼級及不同厚徑比的HFW管線管制管后，鋼管力學(xué)性能較鋼卷有所不同。因此，掌握不同鋼級及不同厚徑比的HFW管線管的力學(xué)性能變化規(guī)律，進(jìn)而得到鋼卷的力學(xué)性能要求及鋼卷生產(chǎn)工藝，才能生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)及用戶要求的HFW管線管。另外，如果材質(zhì)選用及強(qiáng)度選用不合適，會(huì)造成鋼管失效，對人員、環(huán)境等的損害極大，造成的損失無法估量。因此，必須研究清楚鋼卷、鋼管的力學(xué)性能變化，從而提供可安全服役的HFW管線。

某鋼廠HFW610機(jī)組配置了世界上較先進(jìn)的無損探傷設(shè)備、高頻焊接設(shè)備、焊縫熱處理設(shè)備，是目前世界上裝備最先進(jìn)的中口徑直縫焊管機(jī)組之一，具有從煉鋼、鋼卷熱軋及HFW制管全流程生產(chǎn)能力及一貫制控制技術(shù)，具備常規(guī)鋼級B～X70鋼級管線管的批量供貨能力。

本研究考察了該鋼廠B，X42，X46及X52管線鋼級從鋼卷到鋼管的力學(xué)性能變化，形成了HFW焊管生產(chǎn)的力學(xué)性能控制技術(shù)。

1 HFW制管過程中板管性能分析

該鋼廠HFW焊管成型機(jī)組（如圖1所示）采用德國西馬克梅爾（SMS Meer）公司的制造設(shè)備及先進(jìn)的排輥成型技術(shù)，具體組成包括夾送輥、彎邊輥、粗成型輥、線成型輥段、精成型機(jī)架、擠壓機(jī)架及熱處理后的定徑輥，可以實(shí)現(xiàn)對鋼卷變形過程的良好控制[1]。

圖1 某鋼廠HFW焊管成型機(jī)組

結(jié)合該鋼廠HFW機(jī)組的生產(chǎn)工藝技術(shù)，選取了A，B，C，D4種材質(zhì)的管線鋼進(jìn)行了卷、管性能跟蹤，并對力學(xué)性能隨厚徑比的變化進(jìn)行了分析?？紤]到鐵素體+珠光體組織管線鋼的抗拉強(qiáng)度一般不隨厚徑比變化等，僅對其制管前后的屈服強(qiáng)度差隨厚徑比的變化規(guī)律進(jìn)行了比對分析，其相關(guān)性結(jié)果如圖2所示。

圖2 A,B,C,D材質(zhì)制管前后板管屈服強(qiáng)度差隨厚徑比的變化規(guī)律

4種材質(zhì)的屈服強(qiáng)度分別平均為341，366，379及448 MPa，強(qiáng)度由低到高；低厚徑比時(shí)，制管后的屈服強(qiáng)度較鋼卷的屈服強(qiáng)度下降較明顯，隨著厚徑比的增大，制管后的屈服強(qiáng)度較鋼卷的屈服強(qiáng)度上升較明顯；4種材質(zhì)的屈服強(qiáng)度變化與厚徑比呈現(xiàn)一定的差異性，板、管性能0差異點(diǎn)的厚徑比值分別為2.56，2.92，2.54及3.29。

以上4種材質(zhì)呈現(xiàn)出的不同強(qiáng)度，為匹配B，X42，X46及X52管線鋼級及不同厚徑比奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 不同鋼級和不同厚徑比的HFW管線管和材質(zhì)匹配

在不同材質(zhì)管線鋼制管后的平均屈服強(qiáng)度基礎(chǔ)上，參考不同鋼級的強(qiáng)度余量（不同鋼級有強(qiáng)度重疊）及經(jīng)濟(jì)性，建立了B，X42，X46及X52鋼級和如上4種材質(zhì)的匹配關(guān)系，具體如表1所示。

表1 不同鋼級強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求

同時(shí)，在不同材質(zhì)管線鋼制管前后屈服強(qiáng)度差隨不同厚徑比變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別找出不同材質(zhì)管線鋼制管前后性能趨于相同的厚徑比值，將其作為基點(diǎn)，劃分出不同厚徑比范圍，建立了鋼卷的屈服強(qiáng)度控制目標(biāo)，如表2所示。

通過表1，表2的建立，確定了B，X42，X46及X52鋼級和4種材質(zhì)管線的匹配關(guān)系，并確定了不同鋼級對鋼卷屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的控制要求，為后續(xù)鋼卷熱軋工藝的確定及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同鋼級及不同厚徑比的鋼卷屈服強(qiáng)度控制目標(biāo)值

3 鋼卷熱軋工藝的優(yōu)化控制

基于表1及表2的數(shù)據(jù)，結(jié)合該鋼廠從煉鋼、熱軋到制管的一貫制管理方式，并在前期基礎(chǔ)上，選取了其中一條熱軋產(chǎn)線對4種材質(zhì)熱軋工藝進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到不同材質(zhì)、不同鋼級、不同厚徑比的最優(yōu)匹配，具體見表3。由表3可知，B，X42，X46及X52鋼級及其對應(yīng)的4種材質(zhì)在板坯再加熱時(shí)的出爐溫度均為1 190℃；對鋼卷性能起關(guān)鍵作用的終軋溫度和卷曲溫度隨著厚徑比的不同略有差別。該做法的目的是獲得最佳鋼卷性能，從而獲得最佳鋼管性能（該鋼廠內(nèi)控對HFW制管后的鋼卷性能指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求，一般按要求的中值進(jìn)行控制）。

表3 不同材質(zhì)、不同鋼級、不同厚徑比的鋼卷軋制工藝

改進(jìn)熱軋工藝后的性能如表4所示，和表1的要求相比，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 改進(jìn)后的鋼管性能MPa

4 取得的效果

依照本研究得到的設(shè)計(jì)技術(shù)，該鋼廠進(jìn)行HFW焊管產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以方便地選擇對應(yīng)的原材料制造方案。經(jīng)過生產(chǎn)過程驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)技術(shù)可滿足不同項(xiàng)目對管線管性能的控制要求，尤其在有特定技術(shù)要求的管線管項(xiàng)目中具有優(yōu)勢。

5 結(jié)語

通過分析B，X42，X46及X52鋼級HFW管線制管過程的力學(xué)性能變化，結(jié)合管線管工程的個(gè)性化技術(shù)要求，建立了B，X42，X46及X52鋼級和不同材質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，得到了不同材質(zhì)鋼卷強(qiáng)度的上下限，優(yōu)化了某熱軋機(jī)組的工藝控制要求，從而形成了不同規(guī)格、不同強(qiáng)度等級HFW管線管的力學(xué)性能控制技術(shù)，保障了HFW管線管產(chǎn)品的性能。