X80M 鋼級螺旋縫焊管對頭性能分析

王 洋，王 猛，李建一，劉晶晶，孫志剛，谷海龍，陳 楠

（華油鋼管有限公司·河北省高壓管線螺旋焊管技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 青縣 062658）

目前螺旋縫埋弧焊管制造過程中，為保證連續(xù)生產(chǎn)，必須將上一個(gè)板卷的尾部與下一個(gè)板卷的頭部矯平后焊接到一起，制管行業(yè)一般將帶有板卷頭尾對接焊縫的螺旋縫埋弧焊管稱為對頭管。交付成品鋼管時(shí)能否帶有對接焊縫的管段是影響螺旋縫埋弧焊管成材率的重要因素[1-3]。GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》、SY/T 5037—2018《普通流體輸送管道用埋弧焊鋼管》等標(biāo)準(zhǔn)均對其性能有相關(guān)規(guī)定，本文選取X80M 鋼級兩種規(guī)格的螺旋縫埋弧焊管對頭管進(jìn)行一系列力學(xué)試驗(yàn)，并結(jié)合金相組織分析，以此探究對頭管性能。

1 試驗(yàn)方案

某公司采用X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 螺旋縫埋弧焊管進(jìn)行試驗(yàn)[4]，對頭焊縫焊接工藝見表1，焊接完成后，在檢測區(qū)域內(nèi)，母材按照對應(yīng)板卷軋制方向間隔1 m 進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，鋼管取樣位置如圖1 所示。

表1 X80M 鋼級螺旋縫埋弧焊管對頭焊縫埋弧焊工藝

圖1 對頭焊縫及母材取樣位置示意

試驗(yàn)項(xiàng)目包括管體橫向拉伸試驗(yàn)、管體橫向沖擊試驗(yàn)、管體橫向DWTT 試驗(yàn)、對頭焊縫拉伸試驗(yàn)、對頭焊縫沖擊試驗(yàn)和對頭焊縫彎曲試驗(yàn)，具體項(xiàng)目與數(shù)量見表2。

表2 對頭焊縫試驗(yàn)管段試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 管體拉伸試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 管體上取寬度為38.1 mm 的板狀試樣，按照ASTM A 370—2023《鋼制品機(jī)械試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DEC-NGP-S-PL-003-2020-1《輸氣管道工程鋼管通用技術(shù)規(guī)格書》執(zhí)行，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 X80M 鋼級螺旋縫埋弧焊管管體機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可知，X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm對頭管的鋼卷板卷頭部（外圈）母材的拉伸性能全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是板卷尾部（內(nèi)圈）母材屈服強(qiáng)度全部低于標(biāo)準(zhǔn)要求，板卷尾部（內(nèi)圈）距對頭焊縫1 m 母材的屈服強(qiáng)度比緊靠對頭焊縫母材的屈服強(qiáng)度平均大20 MPa 左右；隨著壁厚增大，X80M 鋼級Φ1 422 mm×21.4 mm 對頭管的鋼卷內(nèi)圈頭部母材也出現(xiàn)了屈服強(qiáng)度不合格情況。

2.2 管體夏比沖擊試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 管體上取標(biāo)準(zhǔn)V 型缺口夏比沖擊試樣，按照ASTM A 370—2023 進(jìn)行-10 ℃沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DEC-NGP-S-PL-003-2020-1執(zhí)行，夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3，其剪切面積百分比均為100%，滿足單個(gè)值≥70%、平均值≥80%的要求。

從表3 可知，兩個(gè)規(guī)格的對頭管的母材韌性較好，夏比沖擊功平均值在300 J 以上，距標(biāo)準(zhǔn)要求管體夏比沖擊功均具有較大的安全裕度。

2.3 管體DWTT 試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 管體上取V 型缺口試樣，按照SY/T 6476—2017《管線鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》進(jìn)行0 ℃落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT），試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DEC-NGPS-PL-003-2020-1 執(zhí)行。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)規(guī)格對頭管母材的DWTT 試樣全部為韌性斷裂，剪切面積百分比均為100%，韌性較好，距標(biāo)準(zhǔn)要求管體DWTT剪切面積百分比85%均具有較大的安全裕度。

2.4 焊縫拉伸試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 對頭焊縫處取板狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距長50 mm，標(biāo)距內(nèi)寬38.1 mm[1]，按照ASTM A 370—2023 進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DECNGP-S-PL-003-2020-1 執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 X80M 鋼級螺旋縫埋弧焊管對頭焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可知，兩種規(guī)格螺旋縫埋弧焊管焊縫拉伸試驗(yàn)完全合格，拉伸強(qiáng)度平均高于標(biāo)準(zhǔn)要求625 MPa 至少50 MPa 以上。

2.5 焊縫夏比沖擊試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 對頭焊縫處取標(biāo)準(zhǔn)V 型缺口夏比沖擊試樣，按照ASTM A 370—2023 進(jìn)行，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃[2]，試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DEC-NGP-S-PL-003-2020-1 執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 X80M 鋼級螺旋縫埋弧焊管對頭焊縫夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從表5 對頭焊縫夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，對頭管熱影響區(qū)沖擊功離散較大，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)閷︻^焊縫的焊接線能量較大、熔池過熱，容易造成焊縫及熱影響區(qū)的晶粒粗大，熱影響區(qū)金相組織形態(tài)如圖2 所示，從而造成焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性降低的現(xiàn)象。

圖2 X80M 鋼級螺旋縫埋弧焊管熱影響區(qū)金相組織形態(tài)

2.6 焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

在X80M 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 螺旋縫埋弧焊管上各取一個(gè)面彎和背彎試樣[6-7]，按照ASTM A 370—2023 在室溫下進(jìn)行180°導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)的彎心直徑應(yīng)為10t（t為鋼管公稱壁厚）[3]，即Φ1 219 mm×18.4 mm 的彎心直徑為184 mm，Φ1 422 mm×21.4 mm的彎心直徑為214 mm，試驗(yàn)檢驗(yàn)依據(jù)DEC-NGPS-PL-003-2020-1 執(zhí)行。發(fā)現(xiàn)Φ1 219 mm×18.4 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 螺旋縫埋弧焊管的焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)完全合格，對頭焊縫滿足鋼管彎曲試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.7 金相組織試驗(yàn)

分別在X80M 鋼級板厚18.4 mm 和21.4 mm 的板卷尾部1.0 m 處、板卷頭部1.0 m 處取樣進(jìn)行金相檢測分析，并與板卷中部的金相組織進(jìn)行對比，組織形態(tài)如圖3～5 所示。

圖3 不同壁厚板卷頭部1.0 m 處金相組織

圖4 不同壁厚板卷中部金相組織

圖5 不同壁厚板卷尾部1.0 m 處金相組織

根據(jù)圖3～5 分析可知，X80 鋼級板卷可形成多邊形鐵素體（PF）、準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）、粒狀貝氏體（GB）和貝氏體鐵素體（BF）4 種基本顯微結(jié)構(gòu)組織類型[8]。從不同位置的組織分析可知，板卷頭部1.0 m處組織形態(tài)以GB+QF+M/A 為主，板卷中部組織形態(tài)以GB+QF+M/A（島狀組織）為主，板卷尾部1.0 m處組織形態(tài)以QF+PF+P（珠光體）為主[1-3]。板卷尾部1.0 m 處的組織形態(tài)為QF+PF+P，與其他區(qū)域以GB 為主的組織形態(tài)有明顯差異，這是由于熱軋板卷采用熱機(jī)械控制工藝（Thermo Mechanical Control Process，TMCP），軋后控冷階段采用高效冷卻噴水裝置對卷板上、下表面進(jìn)行精準(zhǔn)強(qiáng)制冷卻，以達(dá)到合適的冷卻速度[9]。但在板卷尾部（內(nèi)圈）為了便于卷取，采用不噴水的方式，使該區(qū)域組織中多邊形鐵素體含量偏高，并出現(xiàn)退化珠光體，晶粒顯著粗化[10]，板卷表面與心部組織均勻度下降，并且由于相變溫度較高，殘余奧氏體大部分分解為塊狀的退化珠光體，降低了材料強(qiáng)度和韌性水平[11]。因此，體現(xiàn)在力學(xué)性能上，靠近板卷尾部（內(nèi)圈）處性能略有偏低，并出現(xiàn)了一定的數(shù)值離散[12]。上述因素均導(dǎo)致了板卷尾部組織形態(tài)與中部組織形態(tài)的差異，反映在力學(xué)性能上為板卷尾部力學(xué)性能及穩(wěn)定性低于板卷中部。同時(shí)，管材壁厚增加導(dǎo)致厚度方向組織不均勻度增大，造成板卷尾部性能不穩(wěn)定區(qū)域出現(xiàn)。故板卷內(nèi)圈性能相對不穩(wěn)定，易出現(xiàn)試驗(yàn)不合格現(xiàn)象，一般在生產(chǎn)中，管廠會(huì)直接將不穩(wěn)定區(qū)域切除，以保證最終鋼管母材性能滿足要求。

3 分析與建議

（1） 卷板頭尾部存在板型不規(guī)則區(qū)域，如“月牙彎”、寬度和厚度不均等，必然對后續(xù)制管過程中成型和焊接造成很大影響[13]。如果存在“月牙彎”，由于實(shí)際生產(chǎn)中成型質(zhì)量要求很高，會(huì)強(qiáng)制管徑和錯(cuò)邊量不變[14]，“月牙彎”則會(huì)引起成型縫的變化，若“月牙彎”引起成型角減小，就容易產(chǎn)生燒穿；若“月牙彎”引起成型角增大，就會(huì)引起成型縫過緊或造成錯(cuò)邊[15]。帶鋼寬度在一定范圍內(nèi)變化是允許的，但帶鋼寬度變化太大就會(huì)影響成型的穩(wěn)定，在帶鋼寬度大的地方會(huì)出現(xiàn)成型縫過緊造成錯(cuò)邊，在寬度小的地方會(huì)出現(xiàn)縫松，可能導(dǎo)致開縫和燒穿[16]。所以鋼管制造商需要做好以下幾點(diǎn)：第一，嚴(yán)把原材料的質(zhì)量關(guān)，從源頭上控制影響生產(chǎn)質(zhì)量的不良因素；第二，規(guī)范拆卷、矯平工藝，盡量使帶鋼的料頭、料尾矯平、走正、剪直[17]；第三，加強(qiáng)對設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，確保設(shè)備處于良好運(yùn)行狀態(tài)。

（2） 卷板頭尾部存在性能不穩(wěn)定區(qū)域，尤其是鋼卷內(nèi)圈，不穩(wěn)定區(qū)域長度難以確定，鋼管制造商應(yīng)針對各大鋼廠典型材質(zhì)進(jìn)行卷板頭、尾性能試驗(yàn)，并總結(jié)和整理出一套各鋼廠各材質(zhì)卷板頭、尾部性能合格穩(wěn)定區(qū)域，用以指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)，可直接將不穩(wěn)定區(qū)域切除以保證最終對頭管母材性能滿足相關(guān)要求；并且建議鋼廠持續(xù)優(yōu)化軋制工藝，完善板卷強(qiáng)度匹配，減小性能離散度，尤其嚴(yán)格控制板卷頭、尾部質(zhì)量，保證性能均勻性，防止屈服強(qiáng)度不足。

（3） 針對對頭管焊接工藝不匹配的問題，筆者認(rèn)為可能當(dāng)前對頭焊的焊接熱輸入較大，使得對頭焊縫熱影響區(qū)韌性較差，所以后續(xù)需要通過焊接試驗(yàn)整理出一套不同壁厚最佳的焊接工藝參數(shù)，并通過試驗(yàn)掌握對頭管內(nèi)外焊焊縫質(zhì)量控制技術(shù)，形成工藝文件，以指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)，保證焊縫質(zhì)量。