X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲不合格原因分析

谷海龍，陳 楠，王海生，謝曉東，劉湘軍，馬相軍

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 滄州062658）

X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲不合格原因分析

谷海龍，陳 楠，王海生，謝曉東，劉湘軍，馬相軍

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 滄州062658）

針對(duì)X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中出現(xiàn)的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格現(xiàn)象，通過(guò)鋼管性能分析、熱模擬試驗(yàn)分析、焊接參數(shù)分析及微觀組織分析等手段，對(duì)出現(xiàn)導(dǎo)向彎曲不合格的原因進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，得出了以下結(jié)論：厚壁螺旋埋弧焊管生產(chǎn)時(shí)易出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化；厚壁螺旋埋弧焊管卷板訂貨時(shí)強(qiáng)度不宜過(guò)高；螺旋埋弧焊管卷板板邊的夾雜物缺陷在彎曲應(yīng)力作用下，易形成脆性斷裂區(qū)，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。通過(guò)控制焊接熱輸入、合理制定卷板強(qiáng)度范圍、調(diào)整板邊銑削量等手段可避免此類缺陷的產(chǎn)生。

X80M；厚壁螺旋埋弧焊管；導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)；熱影響區(qū)軟化；板邊夾雜物

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展離不開(kāi)能源的支持，近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高，尤其對(duì)于天然氣、石油等能源的需求日益增大，東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)石油天然氣的需求量與供應(yīng)量仍存在巨大的缺口，我國(guó)的石油、天然氣主要蘊(yùn)藏在西北、西南地區(qū)，而消費(fèi)又以東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)為主，這就必然要進(jìn)行超長(zhǎng)距離的運(yùn)輸[1]。為了滿足長(zhǎng)距離大輸量高壓力天然氣管道輸送的需要，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司整體部署，科技管理部門(mén)組織開(kāi)展了若干重大科技攻關(guān)，開(kāi)展了高鋼級(jí)管線鋼管研發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，使我國(guó)在較短的時(shí)間內(nèi)，將輸氣管線的鋼級(jí)由X52、X60、X65提升至X70及X80，在過(guò)去螺旋埋弧焊管的基礎(chǔ)上發(fā)展了直縫埋弧焊管，產(chǎn)品質(zhì)量、性能均達(dá)到了較高水平。成功研發(fā)了系列X70、X80大直徑、厚壁螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管及彎管和管件，形成了規(guī)?；纳a(chǎn)制造能力，使輸氣管線壓力從6.3 MPa逐步提升至8.4 MPa、10 MPa和12 MPa，輸送能力最高達(dá)到300億m3/a。在管線鋼和鋼管的研發(fā)和應(yīng)用方面，我國(guó)用不到20年的時(shí)間取得了發(fā)達(dá)國(guó)家用將近40年才取得的研究成績(jī)。

我國(guó)管道工程發(fā)展、高鋼級(jí)管線鋼及鋼管研發(fā)應(yīng)用具有研發(fā)周期短、應(yīng)用速度快、實(shí)施效果好的顯著特點(diǎn)，先后建成了西氣東輸一線、二線和三線，材料和設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)的X70、X80鋼管制造技術(shù)及應(yīng)用規(guī)模達(dá)到較高水平。材料及重大裝備的國(guó)產(chǎn)化帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)了民族工業(yè)發(fā)展。我國(guó)高壓大直徑輸氣管道使全國(guó)5億人受益，為我國(guó)能源安全和生態(tài)文明建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)[2]。

國(guó)際上從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行X80管線鋼及鋼管的研發(fā)，到目前已敷設(shè)約2 000 km的X80管道[3]。Φ1 219 mm規(guī)格為X80M螺旋埋弧焊管常見(jiàn)規(guī)格，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm規(guī)格螺旋埋弧焊管已廣泛應(yīng)用于西氣東輸二線、三線、中靖聯(lián)絡(luò)線、陜京四線等國(guó)家重點(diǎn)管道工程。目前國(guó)內(nèi)X80管線鋼焊接技術(shù)已相對(duì)穩(wěn)定，但在焊管性能檢驗(yàn)中仍存在的一個(gè)突出問(wèn)題就是導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格[4]。本研究針對(duì)華油鋼管有限公司生產(chǎn)的X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格的原因進(jìn)行了分析。

1 導(dǎo)向彎曲不合格現(xiàn)象描述

焊縫導(dǎo)向彎曲性能是力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),彎曲試驗(yàn)用來(lái)檢測(cè)某一材料的焊接工藝和表面缺陷，研究試樣表面和焊縫中各種缺陷在彎曲塑性變形下的擴(kuò)展情況，正確判斷彎曲試驗(yàn)中產(chǎn)生或發(fā)現(xiàn)的表面缺陷，對(duì)于及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝、保證鋼管產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義[5]。 CDP－S－NGPPL－006－2014－3 《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書(shū)》中規(guī)定每批鋼管的焊縫各取1個(gè)面彎和背彎試樣做180°導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，彎軸直徑為6t（t為公稱壁厚）。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：“導(dǎo)向彎曲試樣不應(yīng)①完全斷裂；②在焊縫金屬處出現(xiàn)任何長(zhǎng)度大于3.2 mm的裂紋或斷裂，無(wú)論深度如何；③在母材金屬、熱影響區(qū)或熔合線處出現(xiàn)任何長(zhǎng)度大于3.2 mm，深度大于規(guī)定壁厚的12.5%的裂紋或斷裂”。

華油鋼管自2016年11月開(kāi)始使用某鋼廠卷板進(jìn)行X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管生產(chǎn)，先后出現(xiàn)了較多彎曲不合格試樣，面彎、背彎均有不合格現(xiàn)象，開(kāi)裂位置均為熱影響區(qū)。X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm焊管彎曲不合格試樣如圖1所示。從圖1可以看出，在彎曲試樣拉伸面上開(kāi)裂沿?zé)嵊绊憛^(qū)呈直線性開(kāi)裂，并貫穿了整個(gè)試樣，對(duì)所有彎曲不合格試樣進(jìn)行觀察可以看出，所有開(kāi)裂位置全部為熱影響區(qū)。

圖1 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm焊管彎曲不合格試樣

2 導(dǎo)向彎曲不合格原因分析

管線鋼焊接時(shí)，熱影響區(qū)由于受熱而使晶粒長(zhǎng)大以及微合金化元素所形成的第二相質(zhì)點(diǎn)溶解，造成了HAZ軟化。這種現(xiàn)象在X70鋼中還不太明顯。對(duì)于X80鋼及其以上級(jí)別的管線鋼，HAZ軟化則比較明顯，尤其制管時(shí)縱向焊縫或螺旋焊縫在采用較大熱輸入的多絲埋弧焊時(shí)，更應(yīng)引起重視[6]。脆化與軟化使HAZ成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，但由于粗晶脆化區(qū)域靠近熔合線，形狀復(fù)雜，寬度狹窄，再加上超低碳鋼改善了粗晶韌性，經(jīng)試驗(yàn)證明，粗晶脆化區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性的影響很小，而軟化區(qū)更有可能促成裂紋的發(fā)展進(jìn)而造成焊接接頭失效。從強(qiáng)度的角度考慮，焊接HAZ軟化區(qū)是焊接接頭最弱的一環(huán)。有研究表明，軟化的熱影響區(qū)寬度對(duì)接頭性能有較大的影響，尤其對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響較大，對(duì)接頭韌性和連續(xù)性也有一定的影響[7]。

2.1 鋼管性能分析

對(duì)3個(gè)不同鋼廠卷板所制鋼管進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，分別取樣，編號(hào)為1#試樣、2#試樣和3#試樣。

在進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)，受拉面承受拉伸作用，由于其熱影響區(qū)部位的弱化，致使彎曲過(guò)程的塑性變形主要集中在熱影響區(qū)[4]，當(dāng)強(qiáng)度相差較大時(shí)易導(dǎo)致試樣在熱影響區(qū)處啟裂。對(duì)出現(xiàn)導(dǎo)向彎曲不合格的1#試樣與未出現(xiàn)導(dǎo)向彎曲不合格的2#、3#試樣進(jìn)行拉伸性能對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，1#試樣熱影響區(qū)在焊接完成后軟化明顯，熱影響區(qū)強(qiáng)度受損嚴(yán)重，其強(qiáng)度平均值低于母材，使得熱影響區(qū)成為焊接接頭中最“薄弱”的環(huán)節(jié)。彎曲試驗(yàn)時(shí)，由于母材、焊縫及熱影響區(qū)的塑性及韌性差異，使熔合線兩側(cè)的變形量差別明顯，易造成焊縫熔合線上的開(kāi)裂，且焊縫拉伸試驗(yàn)斷裂位置均在熱影響區(qū)，這就表明，1#試樣焊接接頭熱影響區(qū)軟化嚴(yán)重。

表1 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管拉伸性能

X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)沖擊韌性統(tǒng)計(jì)可以看出，2#、3#及1#試樣管體母材、焊縫位置韌性大體相當(dāng)，但1#試樣熱影響區(qū)位置韌性明顯低于2#、3#試樣，進(jìn)一步表明1#卷板所制鋼管在焊接過(guò)程中熱區(qū)存在明顯的性能惡化現(xiàn)象。

表2 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 熱模擬試驗(yàn)分析

根據(jù)上述性能統(tǒng)計(jì)，初步判斷是熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致的導(dǎo)向彎曲不合，試驗(yàn)表明，X80M鋼焊接熱影響區(qū)中，軟化區(qū)域主要出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)，其強(qiáng)度最差[8]。所以針對(duì)熱區(qū)細(xì)晶區(qū)進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，同時(shí)為了更好的反映1#試樣母材熱區(qū)的軟化，對(duì)2#試樣母材同時(shí)進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，以便進(jìn)行對(duì)比。具體試驗(yàn)過(guò)程為利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試兩家鋼廠母材在25 kJ/cm線能量條件下熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)（1 000℃）的強(qiáng)度、硬度及金相組織，分析母材與細(xì)晶區(qū)的強(qiáng)度差及硬度差。

兩家鋼廠母材及制管后熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可以看出，2#試樣母材抗拉強(qiáng)度僅比其熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)高21 MPa，而1#試樣母材抗拉強(qiáng)度比其熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)高54 MPa，與2#試樣相比，1#試樣發(fā)生了明顯的軟化現(xiàn)象。

表3 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管熱模擬試驗(yàn)細(xì)晶區(qū)強(qiáng)度對(duì)比

兩家鋼廠母材及制管后熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的硬度對(duì)比見(jiàn)表4。從表4可看出，2#試樣熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)硬度比其母材硬度低16HV10，而1#試樣熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)比其母材硬度低32HV10。從硬度方面也反映出，1#試樣熱影響區(qū)發(fā)生了明顯的軟化。

表4 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管熱模擬試驗(yàn)細(xì)晶區(qū)硬度對(duì)比

2.3 焊接參數(shù)分析

不同焊接線能量下，X80管線鋼熱影響區(qū)組織的類型、形態(tài)、大小和分布也不盡相同，隨著線能量的增大，粒狀鐵素體（GF）的數(shù)量減少，貝氏體鐵素體（BF）的數(shù)量增加，當(dāng)線能量達(dá)到25 kJ/cm時(shí)，組織基本上都為貝氏體鐵素體。貝氏體鐵素體由相互平行的鐵素體板條束構(gòu)成，板條束由原奧氏體晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，在板條間分布著粒狀和短棒狀的第二相組織；鐵素體基體為貝氏體鐵素體，島狀的第二相組織為M/A組元。當(dāng)線能量進(jìn)一步增大，組織進(jìn)一步長(zhǎng)大、變化，板條狀貝氏體鐵素體的比例明顯增大[9]。

X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，前期焊接熱輸入相對(duì)后期焊接熱輸入高約10%，但前期與后期均出現(xiàn)了彎曲不合格現(xiàn)象，可見(jiàn)焊接參數(shù)不是造成彎曲不合格的主要原因。

表5 X80M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 微觀組織分析

對(duì)出現(xiàn)導(dǎo)向彎曲不合格的試樣彎曲斷口進(jìn)行微觀組織分析，試驗(yàn)設(shè)備采用KYKY－2800掃描電子顯微鏡，試樣的微觀組織照片如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，其開(kāi)裂宏觀特征表現(xiàn)為韌性斷裂（圖2（a）），但對(duì)開(kāi)始斷裂區(qū)放大觀察發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)裂區(qū)仍有小的脆性斷裂平臺(tái)（圖2（b）），而且在斷裂區(qū)可見(jiàn)開(kāi)始斷裂位置源于夾雜物（圖2（c）），在鋼板表面以下的一定范圍內(nèi)，均有脆性斷裂的平臺(tái)存在（圖2（d）），由于斷口凸凹度的影響，沒(méi)有清晰看到平臺(tái)中心的裂紋內(nèi)部狀態(tài)，但在可見(jiàn)中心裂紋的區(qū)域上，有夾雜物存在（圖 2（d）～圖 2（f）），而在接近鋼板心部的區(qū)域，可見(jiàn)大量的脆性斷裂平臺(tái)區(qū)（圖 2（e）～圖 2（f）），而且清晰的看到，脆性斷裂起源于夾雜物，夾雜物尺寸10 μm左右，在夾雜物兩端形成了沿鋼板軋制方向上微裂紋，而脆性斷裂區(qū)相互連接的區(qū)域的斷裂則為韌性的韌窩斷裂。

通過(guò)對(duì)其余彎曲開(kāi)裂的斷口分析可以看出，所有斷口的斷裂特征基本相同，即都存在大量的解理斷裂平臺(tái)，而在這些脆性斷裂的平臺(tái)中心均可見(jiàn)有較深的平行鋼板軋制方向的裂紋，而且在部分裂紋中可見(jiàn)夾雜物存在。從部分看到的有夾雜物開(kāi)裂的中心裂紋的開(kāi)裂方式看，在彎曲過(guò)程中，裂紋應(yīng)該有夾雜物形核并沿鋼板軋制方向和彎曲應(yīng)力方向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，相互連接，導(dǎo)致最終彎曲開(kāi)裂。板卷中存在的夾雜物類型一般為CaO－Al2O3－MgO，該類夾雜物屬于脆性?shī)A雜物，對(duì)材料的沖擊韌性有很大的損害，會(huì)降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能，使鋼的冷熱加工性能乃至某些物理性能變差[10]。

從各個(gè)脆性斷裂區(qū)連接處的斷口可見(jiàn)，表現(xiàn)為韌性斷裂，說(shuō)明焊接熱影響區(qū)仍保持一定的塑韌性。另外，結(jié)合焊縫形狀看，在接近彎曲開(kāi)裂結(jié)束區(qū)域，即鋼板的中心區(qū)域，實(shí)際開(kāi)裂的位置應(yīng)該擴(kuò)展到焊接熱影響區(qū)之外的基體區(qū)，但彎曲開(kāi)裂的特征仍表現(xiàn)為與熱影響區(qū)相同的斷裂特征。這也從一個(gè)方面說(shuō)明焊接熱循環(huán)對(duì)鋼板性能的影響不是造成彎曲開(kāi)裂的主要原因，鋼板本身的缺陷是導(dǎo)致鋼管焊接后彎曲開(kāi)裂的主要原因。

圖2 彎曲不合格試樣斷口SEM觀察結(jié)果

3 改進(jìn)后效果

通過(guò)上述分析，調(diào)整了板邊坡口尺寸以降低焊接參數(shù)，提高了焊接速度，使焊接熱輸入相應(yīng)降低，保證了熱影響區(qū)的性能；在卷板采購(gòu)時(shí)，將卷板屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度上限進(jìn)行了優(yōu)化，避免母材強(qiáng)度過(guò)高，使焊縫、熱影響區(qū)及母材的性能匹配；增大了卷板板邊銑削量，基本消除了板邊夾雜物對(duì)焊縫性能的影響。上述改進(jìn)措施實(shí)施后，未再出現(xiàn)導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格的情況。

4 結(jié) 論

（1）在生產(chǎn)厚壁螺旋埋弧焊管時(shí)，焊接熱輸入相對(duì)較大，熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)一定程度的軟化，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)將焊接熱輸入控制在25 kJ/cm左右，保證熱影響區(qū)性能。

（2）厚壁螺旋埋弧焊管在實(shí)際生產(chǎn)中易出現(xiàn)因焊接熱輸入導(dǎo)致熱影響區(qū)軟化的現(xiàn)象，熱影響區(qū)軟化后強(qiáng)度、韌性均有所下降，為使焊縫、熱影響區(qū)及母材的性能匹配，在與鋼廠簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求合理優(yōu)化卷板強(qiáng)度范圍，避免熱影響區(qū)軟化。

（3）X80M螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)塑性變形主要在熱影響區(qū)，當(dāng)卷板板邊存在夾雜物時(shí)，在彎曲應(yīng)力的作用下，裂紋沿軋制方向和彎曲應(yīng)力方向快速擴(kuò)展，形成脆性斷裂區(qū)，斷裂區(qū)相互連接導(dǎo)致最終的彎曲開(kāi)裂。所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)卷板板邊質(zhì)量合理選擇銑削量，減少夾雜物對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

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Analysis of Unqualified Guide Bending Test of X80M Φ1 219 mm×18.4 mm SSAW Pipe

GU Hailong，CHEN Nan，WANG Haisheng，XIE Xiaodong，LIU Xiangjun，MA Xiangjun
（CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Cangzhou 062658,Hebei,China）

According to unqualified guide bending test of X80M Φ1 219 mm×18.4 mm SSAW pipe in production,property,thermal simulation,welding parameters and microstructure were analyzed for unqualified reasons.The results showed that softening of heat-affected zone was more likely to occur on heavy-wall SSAW pipe production;parent metal strength of wiled sheet should not be too high;because of inclusions on the edges of wiled sheet with bending stress,brittle fracture zone was easily formed and finally leaded to crack.The above methods could prevent the defect,including controlling heat input of welding,setting reasonable strength range and adjusting edge milling parameters.

X80M；heavy-wall SSAW pipe；guide bending test；softening of heat-affected zone;inclusion of plate edge

TE973.9

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.010

谷海龍（1983—），男，助理工程師，主要從事螺旋埋弧焊管焊接技術(shù)研究和焊管產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

2017－08－09

編輯：李紅麗