兩種不同成分X70M管線鋼在HFW焊管中的應用

胡松林，肖光成

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200940）

隨著中直徑高頻焊接（HFW）管線管越來越多地應用到油氣輸送等領域，較高鋼級HFW管線管的開發應用也進入到規模化的商業運作階段。近年來，隨著管線鋼制造技術的發展和使用中不斷對提高輸送效率的要求，中直徑X70以上較高鋼級HFW管線管得到市場的青睞［1-3］。

對于X70鋼級管線鋼，由于使用的制管工藝不同，在成分和軋制技術方面往往會采取不同的措施來實現最終產品的質量要求。掌握各類產品的性能變化，是管線管制造的核心技術之一。本文將介紹兩種不同成分的X70M鋼級管線鋼，在同一HFW焊管工藝中進行的生產性應用，分析其在制管過程中的力學性能變化和控制，為建立HFW管線管的質量風險控制和管線經濟運行提供參考。

1 制管用原材料

目前，對于X70鋼級高韌性管線鋼，在批量性商業化制造中，采取的成分設計是基于C-Mn-Si的合金化發展而來的。其一是通過添加少量的Nb、V、Cr等合金元素，采取合適的控制軋制和冷卻工藝獲得鐵素體/珠光體組織，滿足X70鋼級管線鋼的強度和韌性要求；其二是添加少量的Cu、Ni、Cr和合金元素Mo等，獲得鐵素體/針狀鐵素體組織，實現高強韌性能的需要［4-7］。通常，采取第1種成分體系具有相對較強的制造成本優勢，而第2種成分體系更具有良好的韌性性能。

對于HFW焊管來講，由于制管過程存在加工硬化和包辛格效應的雙重作用，在確定加工材料性能時，依照經驗，鐵素體/珠光體組織管線鋼在制管后屈服強度會有所降低，而針狀鐵素體組織管線鋼的會有所增加；兩種鋼在抗拉強度上的變化相對較小。由于各制管機組成型工藝和控制技術等的不同，這種變化存在一定的差異。掌握特定材料及工藝條件下的這一變化規律，對控制及實現HFW焊管的最終成品性能尤為必要［8-9］。寶山鋼鐵股份有限公司分別采用兩種成分的X70 M鋼級管線鋼，以同一成型、焊接和熱處理等工藝技術［10-11］，在HFW制管機組上進行了制管，并制造出外徑610 mm、壁厚12.7 mm的HFW焊管。兩種不同成分的X70M管線鋼的熔煉成分見表1。A鋼主要添加Mo、Cu、Ni等合金元素，為鐵素體/針狀鐵素體（F/AF）組織鋼；B鋼主要添加Cr、V等合金元素，為鐵素體/珠光體（F/P）組織鋼。對應兩種鋼所使用的鋼卷力學性能見表2。

表1 兩種不同成分X70M管線鋼的熔煉成分（質量分數）%

表2 兩種鋼卷的力學性能（平均值）

2 制管后的成分及性能

對A、B兩種管線鋼制管后的鋼管，按照API Spec 5L標準等技術規范要求進行試驗和分析［12-13］，結果如下。

2.1 成品成分

兩種成分的HFW焊管的化學成分見表3。

表3 兩種成分的HFW焊管的化學成分（質量分數）%

2.2 制管過程材料的力學性能變化

2.2.1 拉伸性能

A、B鋼在制管前、后的拉伸性能如圖1所示。與制管前相比，制管后A鋼的管體屈服強度下降約7.7 MPa，抗拉強度相近，無明顯性能變化；焊縫的抗拉性能接近管體性能。制管后B鋼的管體屈服強度下降約34.4 MPa，抗拉強度無明顯變化；焊縫的抗拉性能與管體相近。

圖1 A、B鋼制管前、后的拉伸性能

A、B鋼制管后的拉伸性能均滿足技術規范的要求。相對而言，A鋼制管前后的管體性能變化不大，而B鋼制管后的管體性能呈現明顯的變化，如圖2所示。

2.2.2 沖擊韌性

對制管后的兩種鋼對應鋼管的管體和焊縫進行了沖擊韌性比較，如圖3所示。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為-10℃。結果表明：兩種鋼所制造的焊管的沖擊功均滿足技術規范的要求；相對而言，B鋼的沖擊功均值高于A鋼，這與B鋼冶煉的純凈度、夾雜物控制及控軋技術等密切相關；A鋼的沖擊功值表現得更為穩定。

圖2 A、B鋼制管前、后的性能變化

圖3 A、B鋼焊管沖擊性能對比（平均值）

2.2.3 DWTT試驗

對A、B鋼制管后的管體進行了落錘撕裂試驗（DWTT），其剪切面積百分比如圖4所示。A、B鋼均表現出良好的DWTT性能；相對而言，A鋼的DWTT性能更顯穩定。

2.3 對接性能

為了保障焊管在工程使用中的安全性，對A、B鋼焊管做了對焊焊接性試驗，對接試驗結果見表4，結果表明：A、B鋼焊管對焊的環焊性能滿足技術要求。

圖4 A、B鋼焊管DWTT試驗性能（平均值）

表4 A、B鋼對焊焊接試驗結果

注：①對接坡口均為V型；②根焊采用AWS A5.1 E6010焊絲，填充/蓋面采用AWS A5.5 E8018-G焊絲；③焊絲規格均為Φ4 mm；④導向彎曲試驗條件為彎曲直徑d=90 mm，彎曲角度α=180°；⑤沖擊試驗條件為試驗溫度-10℃，試樣尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm。

2.4 HFW焊管的綜合性能評價

對兩種鋼經HFW工藝焊接制成的鋼管進行力學性能試驗，并對試驗結果進行了綜合評價，各項力學性能結果如圖5所示。從圖5可以看出：無論是管體還是焊縫，其綜合性能均符合API Spec 5L及用戶技術規范的要求［12-13］。

3 結 語

采用兩種不同成分的X70M管線鋼的HFW焊接制管，其產品性能滿足API Spec 5L標準及用戶技術規范的要求。A種鋼在制管后屈服強度和抗拉強度呈現較小的變化；B種鋼在制管后屈服強度有明顯下降，抗拉強度無明顯變化。兩種鋼在強度、韌性和焊接性方面均滿足HFW制管工藝的要求。A鋼表現出明顯的質量穩定性，而B鋼具有相對經濟的制造成本優勢。對高鋼級HFW焊管來講，選取質量安全可靠、制造運行經濟的材料是追求的目標所在。

圖5 制管后HFW焊管的力學性能分布

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