X90鋼級大直徑螺旋埋弧焊管的研制

陳 楠，孫志剛，李建一，周書亮，王 洋，谷海龍，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

X90鋼級大直徑螺旋埋弧焊管的研制

陳 楠，孫志剛，李建一，周書亮，王 洋，谷海龍，王海生

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了響應管道建設向高強度、高壓力的發展趨勢，采用低C、高Mn和Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti合金設計體系和控軋控冷技術，開發出以粒狀貝氏體為主，輔之少量板條狀貝氏體鐵素體的X90管線鋼。通過對低應力成型技術及焊接技術等制管工藝的研究，成功開發出X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm超高強度螺旋埋弧焊管。按照標準對該產品進行了組批性能檢測，結果顯示，鋼管管體橫向屈服強度625～740 MPa，抗拉強度715～835 MPa，焊縫抗拉強度770～825 MPa；焊接接頭最大硬度小于270HV10；-10℃下管體橫向平均沖擊功大于340 J，熱影響區平均沖擊功大于197 J，焊縫平均沖擊功大于133 J；0℃下管體橫向DWTT剪切面積均為100%。結果表明，開發的鋼管具有優異的強度、塑性及韌性匹配，焊接性能良好。

螺旋埋弧焊管；X90；超高強度；低應力

Abstract:In response to the trend of high strength，high pressure pipeline construction development requirements，adopting low C，high Mn，Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti alloy design system and controlled rolling and controlled cooling technology，it developed X90 pipeline steel which consists of most granular bainite and less strip bainite ferrite.Through research on low stress forming technology，welding technology and so on，the ultra-high strength X90 steel grade 1 219 mm×16.3 mm SAWH pipe was successfully developed.The group batch performance test was conducted in accordance with relevant technical standard，and the test results showed that the transverse yield strength of pipe body is 625～740 MPa，the tensile strength is 715～835 MPa，the tensile strength of weld seam is 770～825 MPa；the hardness of welded joint is less than 270HV10；the average transverse impact energy of pipe body is higher than 340 J under-10℃，the average impact energy of HAZ is higher than 197 J，the average impact of weld seam is higher than 133 J；and the transverse DWTT shear area of pipe body is 100%under 0℃.It is concluded that the developed steel pipe has excellent strength，plasticity，toughness and toughness matching，the weldability is good.

Key words:SAWH pipe；X90；ultra-high strength；low stress

隨著我國能源結構的優化調整和對霧霾治理力度的不斷加大，天然氣作為高效清潔的能源，市場需求日益增長，如何將天然氣安全、經濟地輸送到消費市場一直是業界關注的焦點之一。為了提高管道輸送效率，降低鋪設成本，采用更高壓力和強度的管道已成為未來天然氣長輸管道發展的必然選擇。目前，我國管線鋼使用的最高鋼級為X80，而美國、加拿大等國家已成功開發應用了更高鋼級的焊管。為進一步挖掘管材潛能，中石油立項開展了 “第三代大輸氣量天然氣管道工程關鍵技術研究”，其中包括X90超高強度油氣管材產品開發[1-3]。

渤海裝備華油鋼管公司響應管道建設需求，進行了X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管的研制，并通過鑒定。本研究重點對X90超高強度熱軋卷板成分設計、鋼管低應力成型技術、焊接工藝技術研究以及產品實物性能進行了介紹，以期為日后批量工業化生產提供更多的技術支撐。

1 X90超高強度熱軋卷板化學成分與顯微組織

X90超高強度熱軋卷板的技術特征在于高強度、高韌性和優良的可焊性。單爐試制階段，為保證強度達標，板卷中合金含量整體較高，碳當量Ceq達到0.57%，冷裂紋敏感系數Pcm達到0.22%。較高的Ceq和Pcm保證了高強度要求，但材料的焊接性隨之降低，淬硬傾向增大，造成焊縫和熱影響區沖擊韌性偏低且離散度較大，同時管體硬度偏高。在深入總結單爐試制結果的基礎上，優化了X90超高強度熱軋卷板小批量試制目標成分設計，化學成分見表1。

表1 X90超高強度熱軋卷板化學成分

從表1可以看出，成分設計上采用低C、高Mn和Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti合金設計體系。C的質量分數接近超低碳水平，由初期0.052%降至0.044%，Ceq降至0.53%，Pcm降至0.20%，為材料獲得良好的可焊性打下了基礎。采用高Mn設計，一定程度上彌補了低C固溶強化損失，并且降低了γ-α相變溫度，促使奧氏體向針狀鐵素體/貝氏體轉變，提高了鋼的韌性；中Nb設計體現在固溶Nb使γ再結晶溫度顯著提高，可采用較高軋制溫度，提高了生產效率，同時Nb具有顯著的細化晶粒作用，使鋼的低溫韌性增加，韌脆轉變溫度降低；V具有較高的沉淀強化和一定的細化晶粒作用，但對焊縫金屬的韌性有不利影響。研究表明，含V鋼比含Nb和含Ti鋼韌脆轉變溫度都高，當w（V）＞0.005%時，將使韌脆轉變溫度升高，結合單爐試制結果最終采用無V成分設計[4]；Mo和Cr是較強的碳化物形成元素，在γ-α相變中能夠阻礙元素擴散，使先共析鐵素體和珠光體轉變曲線右移，從而抑制先共析鐵素體的形成與長大，促進奧氏體中溫轉變，增加鋼中針狀鐵素體/貝氏體的比例，對提高鋼的強韌性發揮了重要作用；Ni和Cu是重要的固溶強化元素，Ni可以有效提高鋼的低溫韌性，Cu可以有效提高鋼的抗腐蝕性；嚴格控制S和P含量，減少成分偏析和帶狀組織，保證鋼材組織的均勻性，避免斷口分離等情況的出現。

對開發出的X90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。金相組織如圖1所示，由圖1可以看出，X90熱軋卷板組織以粒狀貝氏體為主，輔之少量的板條形貝氏體鐵素體，粒狀貝氏體中的M-A呈島狀彌散分布于鐵素體基體上，貝氏體鐵素體中的M-A呈短棒狀沿板條束分布，平均晶粒度達到12級[5]。

圖1 X90熱軋卷板顯微組織

2 制管殘余應力控制

低應力成型技術是螺旋埋弧焊管獲得較低殘余應力（彈復張開量較小或負彈復）的一種成型方法。此次研制的X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管實物屈服強度高達625 MPa以上，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，成型后鋼管殘余應力較大，對鋼管產品質量有較大影響。

為降低鋼管殘余應力，在成型過程中，2#輥壓下采用直線導軌控制方式，適當增加其壓下量，形成過變形和負彈復量[6]。基于成型參數數據庫的優化修正系數，在調型過程中重新校準各成型輥的位置與角度，使每個輥對鋼板的作用力一致，不產生分力，內成型輥角度65°39″，外成型輥角度 66°14″，1#輥包角 20°26″，開檔為 125.2 mm，3#輥包角24°42″，開檔為 185.4mm，確保了鋼管充分的塑性變形，成型后得到較低的殘余應力。按照標準要求的試驗頻次采用切環法現場測量殘余應力（如圖2所示），所有鋼管試樣均符合標準要求，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 切環法測量試樣殘余應力

采用日本JFE公司的計算方法對水壓前、水壓后鋼管進行殘余應力測算，計算結果見表2和表3。

式中：S—周向殘余應力，MPa；

E—楊氏模量，E=2.1×105MPa；

t—鋼管平均壁厚，沿鋼管圓周方向均布測量3個點，取平均值，mm；

υ—泊松比 ，υ=0.3；

D—鋼管外徑，mm；

M1—鋼管管段割開前兩點間的距離，mm；

M2—鋼管管段割開后兩點間的距離，mm。

表2 Φ1 219 mm鋼管水壓前環向殘余應力計算結果

表3 Φ1 219 mm鋼管水壓后環向殘余應力計算結果

從表2和表3可以看出，無論是水壓前還是水壓后，鋼管環向開口錯開量均較小，都遠小于標準要求的90 mm。水壓試驗前、試驗后鋼管的環向開口錯開量發生了一定的變化，說明采用較高環向應力的水壓試驗對螺旋埋弧焊管的殘余應力分布有一定的影響。水壓后鋼管周向殘余應力平均值約為X90規定最低屈服強度的2%，若與鋼管實際屈服強度相比則更低，試制的X90螺旋埋弧焊管整體殘余應力控制在較低水平。

3 焊接工藝研究

焊接熱影響區是焊接接頭相對薄弱的區域，其組織與性能關系到整個焊接接頭的質量，是高鋼級管線鋼焊接工藝研究的重點之一[7]。前期試制中，發現熱影響區存在沖擊韌性偏低、數據離散的情況，為此專門進行了分析研究。圖3是熱影響區性能較差試樣的內焊熱影響區金相組織。從圖3可以看出，內焊熱影響區疑似有少量馬氏體組織出現，后經硬度驗證為板條馬氏體，而外焊熱影響區則未發現類似組織。分析認為，內焊過程中因焊前無預熱，冷卻速度相對較快，且母材中加入了含量相對較高的Cr、Mo、Mn、Ni等合金元素，淬透性顯著提高，二者結合是內焊熱影響區形成少量淬硬組織的主要原因。此外，內焊和外焊中均發現有準多邊形鐵素體組織出現，而這種組織也是在較快冷卻速度下形成的，更進一步證明冷卻速度相對偏快。熱影響區出現的準多邊形鐵素體不是造成韌性惡化的主要因素，而內焊熱影響區出現的少量板條馬氏體才是關鍵所在。該組織在合金含量偏高、焊接熱輸入偏低（冷卻速度偏快）的情況下形成，雖然低碳馬氏體板條間的殘余奧氏體是一種韌性相，但由于馬氏體的過飽和固溶以及較快冷卻速度造成的晶格畸變和內應力均使韌性受到損害[8]，當沖擊試樣刻槽位置接近該區域時，沖擊韌性必然較低且離散。

圖3 熱影響區性能較差試樣的金相組織

針對上述問題，一方面在小批量試制階段適當降低卷板中合金元素含量；另一方面對焊接參數進行優化，在避免奧氏體晶粒過度長大的情況下，適當增大焊接熱輸入，延緩t8/5冷卻時間，防止淬硬組織的出現。選取不同焊接線能量進行了多次匹配試驗，根據組織性能確定了最優工藝方案，見表4。

表4 優化工藝參數

工藝調整后，對焊接接頭熱影響區組織進行了金相分析，結果如圖4所示。從圖4可看出，主要組織為粒狀貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見，M-A島狀組織細小且彌散分布。研究指出，裂紋在通過粒狀貝氏體時行跡曲折，擴展的平均自由路徑減小，消耗能量較大，對裂紋具有阻止作用，即表現為韌性提高[9]。小批量試制中，-10℃熱影響區平均夏比沖擊功達到了197 J，較標準要求的80 J有較大的安全裕度，表明在該工藝下獲得的組織形態賦予了焊接熱影響區優良的沖擊韌性。

圖4 工藝調整后熱影響區金相組織

4 鋼管產品性能

按標準試驗頻次要求對工業試制的X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管進行了組批力學性能試驗。

4.1 拉伸及彎曲性能

距焊縫180°對應管體橫向取Φ8.9 mm圓棒試樣，在焊接接頭取垂直焊縫38.1 mm矩形板狀試樣進行拉伸試驗，試驗結果見表5。從表5可看出，管體橫向及焊縫強度均符合標準要求[10]，焊縫強度匹配系數適中。對焊縫進行導向彎曲試驗，彎心直徑185 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5 拉伸性能試驗結果

4.2 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6。從表6可以看出，-10℃下母材、熱影響區和焊縫夏比沖擊性能遠高于標準要求。對管體橫向、熱影響區、焊縫進行系列溫度夏比沖擊試驗，試驗結果如圖5所示。從圖5可以看出，管體橫向FATT50低于-60℃，熱影響區FATT50約-50℃，焊縫中心FATT50約-20℃，呈現出了優良的低溫韌性；DWTT性能方面，0℃剪切面積均為100%；對管體橫向和縱向進行系列溫度DWTT試驗，FATT85均低于-60℃。

表6 夏比沖擊及DWTT性能試驗結果

圖5 試樣夏比沖擊韌脆轉變曲線

4.3 硬度試驗

焊接接頭維氏硬度測試點分布如圖6所示，試驗結果見表7。管體最大硬度270HV10，熱影響區最大硬度263HV10，焊縫最大硬度269HV10，均符合標準要求。從試驗數據來看，管體平均硬度最高，焊縫其次，熱影響區最低。

圖6 焊接接頭維氏硬度測試點分布

表7 焊接接頭維氏硬度測試結果 HV10

5 結 論

（1）采用低C、高Mn和Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti合金設計體系和控軋控冷技術，開發出組織細小均勻、潔凈度高、以粒狀貝氏體為主、輔之少量板條形貝氏體鐵素體的X90管線鋼。

（2）通過降低卷板合金元素含量，合理控制碳當量、冷裂紋敏感系數及優化焊接線能量，X90管線鋼焊接性得到較大改善，鋼管-10℃熱影響區平均夏比沖擊功達到了197 J，優于標準要求。

（3）根據切環法及日本JFE公司計算方法，水壓后鋼管周向殘余應力平均值約為X90規定最低屈服強度的2%，試制的X90螺旋埋弧焊管整體殘余應力控制在較低水平。

（4）工業試制結果表明，開發出的X90鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管各項性能指標均滿足Q/SY GJX 124—2013《天然氣輸送管道用X90鋼級螺旋縫埋弧焊管技術條件》要求，鋼管強度、塑性及韌性匹配優異，焊接性能良好。

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Research and Development of X90 Steel Grade Large Diameter SAWH Pipe

CHEN Nan，SUN Zhigang，LI Jianyi，ZHOU Shuliang，WANG Yang，GU Hailong，WANG Haisheng

（Bohai Equipment Huayou Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei，China）

TG445

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.004

2017－02－09

編輯：李 超

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。