X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管的研制

陳 楠，孫志剛，李建一，孫少卿，祁 超，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管的研制

陳 楠，孫志剛，李建一，孫少卿，祁 超，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

采用低C高Mn及Nb-Mo復合添加、微合金化設計和潔凈化冶煉、控軋控冷工藝制造的X80級大壁厚熱軋卷板，通過鋼管低應力成型、焊接速度優選以及雙探架超聲波檢測等技術，成功開發出X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管。按標準要求對該產品進行了組批力學性能試驗，試驗結果顯示：鋼管管體橫向屈服強度為580～670 MPa，抗拉強度為665～770 MPa，焊縫抗拉強度為695～760 MPa；焊接接頭最大硬度小于268 HV10；-10℃管體橫向平均沖擊功大于319 J，熱影響區平均沖擊功大于183 J，焊縫平均沖擊功大于137 J；0℃管體橫向DWTT剪切面積均為100%。試驗結果表明，鋼管整體具有良好的力學性能和可焊性。

X80；超大壁厚；螺旋埋弧焊管；力學性能

隨著石油天然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也不斷增大，以增加其輸送效率。考慮到管道的結構穩定和安全性，還需增加管壁厚度和提高管材的強度。因此，高鋼級、大直徑、大壁厚、高壓輸送已成為未來油氣長輸管線發展的必然選擇[1]。近年來，隨著西氣東輸、中亞、中緬等國內外系列重大管道工程的建設，我國鋼鐵冶金企業、制管企業的裝備能力和生產技術以及產品質量穩定性得以持續提升，為生產更高鋼級、更大壁厚的管材產品創造了先決條件。為滿足國內天然氣快速增長的需求，降低管道建設成本，中國石油天然氣集團公司立項開展了“第三代高壓大輸量油氣管道建設關鍵技術研究”，一方面是X90/X100超高強度油氣管材的開發，另一方面則是大直徑厚壁油氣管材的開發。

筆者介紹了渤海裝備華油鋼管公司為適應大直徑、厚壁管道建設需求，在X80級φ1 219 mm×22.0mm螺旋埋弧焊管產品研發方面所做的工作，其中包括超大壁厚X80熱軋卷板成分設計和鋼管低應力成型、焊接工藝、超聲波檢測等技術的研究，最后介紹了該產品的實物性能，以期為工業生產和新產品研發提供參考。

1 22.0 mm厚X80熱軋卷板化學成分與顯微組織

1.1 化學成分

借鑒以往大批量X80管線鋼的生產經驗，此次22.0 mm厚X80熱軋卷板采用了低C，高Mn，輔以微合金化技術，尤其是利用Nb-Mo復合添加技術、潔凈鋼冶煉技術、夾雜物數量和形態控制技術，并配合先進的熱機械軋制工藝（TMCP），通過固溶強化、沉淀強化、晶粒細化等機制，以得到強韌性兼備且具有良好焊接性的厚壁X80管線鋼[2]。22.0 mm厚X80熱軋卷板化學成分見表1。

在卷板成分設計上，碳含量和碳當量控制在較低水平，為材料獲得良好的可焊性奠定了基礎；采用高Mn一定程度上彌補了低C的固溶強化損失，并且還降低了γ-α相變溫度，促使奧氏體向針狀鐵素體轉變，提高了鋼的韌性；高Nb設計主要作用是擴大奧氏體未再結晶區，大量彌散細小析出的Nb（C，N）為相變提供了形核位置，從而顯著細化晶粒，使鋼的低溫韌性增加，韌脆轉變溫度降低[3]；添加適當Mo可實現在較寬的冷速區間內均形成針狀鐵素體組織，改善厚壁板材表面及芯部的冷卻均勻性，細化芯部組織，同時Mo的添加還增大了Nb（C，N）在奧氏體中的固溶度，提高了沉淀強化效果[4]；鑒于對鋼材性能的高標準要求，Ni，Cr和Cu元素的適量添加，進一步增強了鋼的強韌性；嚴格控制S和P含量，減少成分偏析和帶狀組織，保證了鋼材組織均勻性，提高了抗HIC和SSCC能力。

表1 22.0 mm厚X80熱軋卷板化學成分 %

1.2 顯微組織

對開發出的厚壁X80管線鋼進行了多視域顯微組織分析。板材中心未見明顯偏析帶，帶狀組織0.5級。夾雜物尺寸、形態控制合理，未見明顯夾雜物聚集分布區。板材表面和壁厚中心組織均勻一致，金相組織如圖1所示。組織以粒狀貝氏體為主，輔之少量的多邊形鐵素體，M/A島狀組織為黑色點狀，分布于粒狀貝氏體的邊界和內部，為典型針狀鐵素體型管線鋼，平均晶粒度達到12級。

圖1 X80熱軋卷板顯微組織

2 22.0 mm厚X80螺旋埋弧焊管制造技術

2.1 低應力成型技術

管線鋼強度和壁厚越大，鋼管制造過程中產生的殘余應力也越大，對鋼管質量以及服役性能的影響也就愈發明顯[5]。此次研制的X80螺旋埋弧焊管壁厚高達22.0 mm，如果仍采用傳統的成型工藝，易造成板邊受力不均勻，成型合縫狀況差，且易形成噘嘴、錯邊等缺陷，成型后鋼管殘余應力大，對后續焊接質量有較大影響。因此，為獲得高質量焊接接頭和高精度鋼管幾何尺寸，2#輥壓下采用直線導軌控制方式，使其壓下量更加精密準確。基于成型參數數據庫的優化修正系數，對成型器1#輥、2#輥和3#輥進行了重新校準定位，當成型輥壓在鋼板上時，每個輥對鋼板的作用力一致，不產生分力，使鋼管塑性變形充分，降低了鋼管殘余應力。采用板邊預彎技術，在成型前使用雙輥預彎機對卷板的遞送邊和自由邊在一定范圍進行預彎，防止成型后板邊噘嘴。同時，研發了一種螺旋埋弧焊管成型包角角度顯示儀，實現了對生產過程中成型輥角度偏移誤差的實時監測，使其得到及時修正，保證了鋼管成型的高精度和穩定性。

上述系列措施實施后，鋼管尺寸精度得到有效控制，鋼管周長范圍3 824～3 831 mm，符合標準要求（3 821～3 835 mm），且兩端周長差波動較小，鋼管橢圓度≤2 mm，噘嘴和錯邊等成型工藝缺陷的出現幾率顯著降低。按照標準要求的試驗頻次，采用環切法現場測量殘余應力，試樣如圖2所示。所有鋼管試樣測試結果均符合標準要求，且試樣環向、軸向及徑向尺寸偏差均較小，實現了鋼管的柔性成型。

圖2 環切法測量殘余應力試樣

2.2 焊接速度優化

對于焊管生產，焊接速度直接決定著產量和效益，制管企業往往想擁有更高的焊接速度。但針對此次試制的超大壁厚X80熱軋卷板，過快的焊接速度，不僅會造成設備損壞、折舊情況嚴重，同時還會使焊縫的內在缺陷（如氣孔、夾渣、裂紋等）隨之增多，降低焊接一通率。相反，當焊速過慢時，不僅會影響產能，而且低焊速下的高焊接熱輸入會使焊縫高溫停留時間過長，組織形態發生惡化，焊縫、熱影響區韌性水平下降嚴重，并且易造成“大肚子”、“窄而深”的不良焊縫形貌，增加了熱裂紋產生幾率[6]。因此，為獲得外觀和性能優良的焊接接頭，圍繞不同焊速進行了大量匹配試驗，確定了最優工藝參數。

焊速匹配試驗分別選取1.1m/min，1.2m/min，1.3 m/min，1.4 m/min和1.5 m/min五種焊速，焊接工藝參數及試驗結果見表2。不同焊速下，焊縫宏觀形貌對比如圖3所示，焊縫、熱影響區-10℃夏比沖擊韌性對比如圖4所示。

表2 焊速匹配試驗工藝參數及試驗結果

圖3 不同焊速下焊縫宏觀形貌

圖4 焊速匹配試驗焊縫、熱影響區夏比沖擊韌性對比

從表2和圖4可以看出，焊速1.3 m/min時焊縫抗拉強度為745 MPa，焊縫、熱影響區-10℃夏比沖擊功分別為138 J和198 J，焊接接頭呈現出良好的強韌性。由圖3可見，在該焊速下，焊縫成形美觀，焊縫與母材過渡平緩，焊道幾何形狀改善明顯。對1.3 m/min焊速下焊接接頭組織進行了金相分析，分析結果如圖5所示。從圖5可以看出，焊縫金屬為針狀鐵素體+少量先共析鐵素體組織；熱影響區為粒狀貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見，M/A島狀組織細小且彌散分布。研究發現，裂紋遇到針狀鐵素體或粒狀貝氏體時會曲折前行，消耗能量較大，裂紋終止處一般也都在這兩種組織部分，因此，該組織賦予了焊接接頭優良的力學性能[7]。小批量試制中，焊接工藝采用了1.3 m/min焊速，試制檢測結果表明，該焊速下焊接接頭的各項性能指標均符合標準要求，且焊接一通率也維持在較高水平。

圖5 1.3 m/min焊速下焊接接頭顯微組織

2.3 超聲波檢測技術

隨著鋼管壁厚的增加，X射線能檢出的缺陷尺寸隨之增大，對未焊透和裂紋等嚴重危害性缺陷的檢出率也隨之降低，因此，對線性缺陷敏感的超聲波自動探傷技術就顯得尤為重要[8]。為滿足大壁厚螺旋埋弧焊管的檢測需求，提出了采用雙探架技術方案，即兩個探頭架同時檢測，每個探頭架上布置8個探頭，共16個探頭。與之前單探頭架檢測相比，無論探頭數量還是檢測范圍都大幅度增加。為保證其檢測的有效性，要求雙探架需在鋼管的兩個螺距上同時檢測，并且這兩個探架在檢測時做同步運動。但在檢測開始和檢測結束的兩個時段里，為減少檢測盲區，又要求這兩個探頭架上的探頭不能同時落下或升起。

針對上述問題，在現有設備基礎上增加了一個探頭架，兩個探頭架之間采用絲杠連接，保證其同步性。增加了管端自動檢測傳感器，重新編寫了相關的電氣控制程序，保證檢測開始時第一個探頭架落下，直到其運行至第二個螺距時，第二個探頭架才落下；檢測結束時，第一個探頭架先升起，直到第二個探頭架檢測完畢，第二個探頭架才升起。通過以上改進，采用雙探架技術完全可以滿足標準對超聲波檢測的要求，應用效果良好。改進后的超聲波雙探架設備如圖6所示。

圖6 超聲波雙探架設備

3 鋼管產品性能

基于試驗研究和管道建設需求，渤海裝備華油鋼管公司進行了X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管小批量試制，共計投料11爐28卷（884.177 t），生產焊管109根，按標準試驗頻次要求對鋼管進行組批力學性能試驗。

3.1 拉伸及彎曲性能

鋼管管體橫向和焊縫拉伸性能試驗結果見表3。從表3可以看出，管體橫向及焊縫強度適中，均符合標準要求[9]，且管體橫向屈服強度最小值距標準下限要求裕度較大，充分保證了管道在高壓輸送下的安全系數。對焊縫進行導向彎曲試驗，彎心直徑220 mm，彎曲角度180°，試驗后母材、熱影響區和焊縫均未見裂紋或斷裂，符合標準要求。

表3 X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管拉伸性能試驗結果

3.2 斷裂韌性

鋼管管體橫向、熱影響區、焊縫-10℃夏比沖擊韌性及0℃管體橫向DWTT性能試驗結果見表4。從表4可以看出，母材、熱影響區和焊縫-10℃夏比沖擊性能遠高于標準要求。對不同溫度下母材進行夏比沖擊試驗，-60℃平均吸收功仍高達303 J，呈現出了優良的低溫韌性。DWTT性能方面，0℃剪切面積均為100%。根據系列溫度試驗數據（樣本數量8組）來看，管體橫向85%FATT大約為-40℃，管體縱向85%FATT大約為-30℃，管體橫向FATT總體上低于管體縱向，兩個方向85%FATT最低能達到-60℃以下。

表4 X80級φ1 219 mm×22.0 mm螺旋埋弧焊管夏比沖擊及DWTT性能試驗結果

3.3 硬度

焊接接頭維氏硬度測試結果見表5，測試點分布如圖7所示。其中，管體最大硬度268HV10，焊縫最大硬度255HV10，熱影響區最大硬度238HV10，均符合標準要求。從試驗數據來看，管體平均硬度值最高，焊縫其次，熱影響區最低，熱影響區較母材平均硬度值低27 HV10，存在一定的熱影響區軟化現象[10]，在后續產品研發中應給予足夠關注。

表5 焊接接頭維氏硬度測試結果 HV10

圖7 焊接接頭維氏硬度測試點分布示意圖

4 結 論

（1）采用低C高Mn及Nb-Mo復合添加技術和全流程潔凈鋼冶煉工藝并配合先進TMCP，獲得了細小均勻、潔凈度高以粒狀貝氏體為主，輔之少量的多邊形鐵素體，M/A島狀組織彌散分布的典型針狀鐵素體型厚壁管線鋼。

（2） 形成X80級 φ1 219 mm×22.0 mm 螺旋埋弧焊管生產、檢驗成套工藝技術。焊接速度1.3 m/min時，焊接質量穩定，焊縫性能優良，可作為該規格鋼管 “一步法”生產推薦使用規范。首次在螺旋埋弧焊管上應用雙探架超聲波檢測技術，提高了檢測范圍，確保了厚壁鋼管線性缺陷檢出率。

（3）檢測了試制鋼管實物水平，其各項性能指標均滿足Q/SY GJX 130—2014《OD 1219mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術條件》的要求。建議后續試制中，鋼廠應充分考慮鋼材的焊接軟化問題，努力提高鋼材的抗軟化能力，同時管廠應加強焊接工藝研究，利用焊接熱模擬技術和生產實踐相結合，尋求最優焊接工藝。

［1］王曉香.當前管線鋼管研發的幾個熱點問題[J].焊管， 2014， 37（4）:5-13.

［2］李少坡，李家鼎，查春和，等.大壁厚X80管線鋼的低溫韌性研究[J].軋鋼， 2010， 27（6）:60-63.

［3］付俊巖.Nb微合金化和含鈮鋼的發展和技術進步[J].鋼鐵， 2005， 40（8）:1-5.

［4］張志波，劉清友.加熱溫度對管線鋼奧氏體晶粒尺寸和鈮固溶的影響[J].鋼鐵研究學報，2008，20（10）:36-39.

［5］王鳳成，王建，李哲，等.高鋼級厚壁螺旋縫焊管殘余應力控制措施[J].鋼管，2014，43（2）:49-52.

［6］陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

［7］畢宗岳.管線鋼管焊接技術[M].北京：石油工業出版社，2013.

［8］鄭華.大壁厚螺旋焊鋼管的無損檢測技術[J].無損檢測， 2008， 30（3）:1-5.

［9］Q/SY GJX 130—2014， OD 1 219 mm×22.0 mm X80 螺旋縫埋弧焊管技術條件[S].

［10］李建一，韓景偉，周晶，等.西氣東輸二線工程用X80螺旋埋弧焊管熱影響區性能分析[J].焊管，2011,34（2）:10-12.

Research and Development of X80 Grade SAWH Pipe with Size ofφ1 219 mm×22.0 mm

CHEN Nan,SUN Zhigang,LI Jianyi,SUN Shaoqing,QI Chao,WANG Haisheng
(Bohai Equipment Huayou Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China)

The X80 grade hot-rolled coil with large wall thickness was manufactured by using the technology of low carbon,high manganese,Nb-Mo compound additive,micro alloying,clean smelting,controlled rolling and controlled cooling.Through research on steel pipe low tress forming technology,welding speed optimization,double rack ultrasonic testing technology,the X80 grade SAWH pipe with size of φ1 219 mm×22.0 mm was developed.The property tests were conducted in accordance with relevant technical standard.The test results showed that the transverse yield strength of pipe body is 580～670 MPa;the tensile strength is 665～770 MPa;the tensile strength of weld seam is 695～760 MPa;the hardness of welded joint is less than 268 HV10Under-10℃，the average impact energy of pipe body in transverse is higher than 319 J;the average impact energy of HAZ is higher than 183 J,and the average impact energy of weld seam is higher than 137 J.Under 0℃，the DWTT shear area of pipe body in transverse is 100%.The pipe is with good mechanical properties and weldability.

X80； large wall thickness； SAWH pipe;mechanical properties

TE973

A

1001-3938（2015）10-0036-06

陳 楠（1985—），男，工程師，主要從事螺旋埋弧焊管焊接技術研究和新產品開發工作。

2014-12-25

羅 剛