X80鋼級Φ1 524 mm×23 mm螺旋埋弧焊管試制

冉軼杰，肖永成，羅小波，劉成坤，蒲夢雅，彭 彬，劉 燁，魏 亞

（資陽石油鋼管有限公司，四川 資陽 841300）

近年來，隨著我國對天然氣需求的不斷增加，天然氣管道的設計輸送能力越來越大，對管線鋼管的性能提出了更高的要求。 西氣東輸三線、中俄東線等超大輸量天然氣管道建設，推動了我國在高鋼級、大直徑、厚壁螺旋埋弧焊管制造技術領域的快速發(fā)展[1]。 未來我國管線鋼管建設將通過增大管徑和壁厚、提高高級、提高輸送壓力等手段滿足輸量需求，并有效控制工程建設投資。 本研究開發(fā)了X80 鋼級Φ1 524 mm×23 mm 螺旋埋弧焊管，并在生產線上進行了試制，試制產品經內部檢驗和第三方評價，各項指標均滿足相關標準和技術條件的要求。

1 卷板開發(fā)及性能分析

鑒于西氣東輸二線、三線工程用X80 熱軋卷板技術條件對母材化學成分的規(guī)定較為寬松，各鋼廠在合金成分設計方面存在較大差異，一方面導致卷板自身性能波動較大，另一方面在采用不同鋼廠卷扳生產時制管工藝的適應性不強、調整較大。 因此，本次制定卷板技術條件時，對化學成分提出了更嚴格、更精確的要求。 與國內某鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)了23 mm 超厚壁、X80 鋼級熱軋卷板，提出并優(yōu)化實施了可行的卷板合金化思路： 超低 C （w （C） ≤0.070%），低 P、S、N，增加Nb、V、Ti 等細晶合金元素，合理調整 Nb、Cr、Mo、Ni 等合金元素成分設計，既保證卷板的可焊性，又提高其韌性和強度[2]。 煉鋼采用頂底復合吹煉轉爐工藝，并經真空脫氣、鈣和微鈦處理，軋鋼通過熱機械控軋 （TMCP） 工藝優(yōu)化，獲得了細晶粒 （No.10 級或更細）、超純凈鎮(zhèn)靜鋼[3]。針對開發(fā)出的 X80 熱軋卷板，參照 Q/SYGD 0503.1—2016 《X80 級螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術條件》[4]（簡稱 “板卷技術條件”） 進行了性能評價。

1.1 卷板化學成分

在 X80 熱軋卷板外圈、中部、內圈取樣，對應試樣編號分別為1#、2#和3#，其化學成分見表1。

表1 X80 熱軋卷板化學成分

由表 1 可以看出，卷板采用超低 C 和 Mn－Mo－Cr－Ni 系合金設計，嚴格控制 S 和 P 含量，適當添加 Nb、Ti 和 V 等微合金元素，使 CEPcm遠低于技術要求的0.23%，確保了厚壁X80 管線鋼超純凈、高強度、高韌性、合理強韌配合、良好可焊性和一定的耐蝕性能[5]。

1.2 卷板力學性能

1.2.1 拉伸性能

X80 熱軋卷板拉伸試驗結果見表2。 由表2可以看出，板卷外圈的屈服強度、抗拉強度略低于板卷的中部和內圈，屈服強度分布在556～599 MPa，整卷屈服強度均值584 MPa，處于標準中限值622.5 MPa 以下約38 MPa； 抗拉強度分布在649～673 MPa，整卷抗拉強度均值664.5 MPa，處于標準中限值702.5 MPa 以下38 MPa； 屈強比 為 0.86～0.89，均 值 0.88； 伸 長 率 為 23%～25%，均值23.3%； 各項指標數據相對集中、性能穩(wěn)定。 卷板強度低于標準中限值，與卷板化學成分設計碳當量較低有關。

表2 X80 熱軋卷板拉伸試驗結果

1.2.2 低溫夏比沖擊性能

X80 熱軋卷板的夏比沖擊試驗結果見表3。由表3 可以看出，－20 ℃板卷夏比沖擊功集中在287～294 J，斷口剪切面積均為 100%，卷板外圈、中部、內圈低溫沖擊性能指標穩(wěn)定，數據集中，具有良好的低溫沖擊韌性。

表3 X80 熱軋卷板－20℃夏比沖擊試驗結果

1.2.3 落錘撕裂試驗

X80 熱軋卷板的落錘撕裂 （DWTT） 試驗結果見表4。 從表4 可以看出，卷板內圈出現(xiàn)了斷口剪切面積最小值83%，雖滿足指標要求，但波動較大。 DWTT 試驗結果能否達標，是厚壁、X80 卷板開發(fā)的難點之一，特別是卷板外圈、內圈部位難度更大，這為進一步改善卷板性能指明了方向。

表4 X80 熱軋卷板－15 ℃落錘撕裂試驗結果

1.2.4 導向彎曲試驗

對X80 熱軋卷板進行了橫向彎曲試驗，3 個位置的試樣均未出現(xiàn)裂紋，符合技術要求，即彎心直徑45 mm，彎曲試樣的拉伸面上不得出現(xiàn)目視可見的裂紋。

1.2.5 硬度試驗

按圖1 所示的測試點分布，對卷板進行了維氏硬度試驗，試驗結果見表5。 從表5 可以看出，卷板外圈硬度值為 201～236HV10，均值為224HV10； 卷板中部硬度值為 209～242HV10，均值為224HV10； 卷板內圈硬度值為193～247HV10，均值為 228HV10； 卷板的外圈、中部、內圈的維氏硬度相對穩(wěn)定，數據比較集中。

圖1 卷板維氏硬度測試點

表5 X80 熱軋卷板維氏硬度試驗結果

1.3 金相分析

對X80 熱軋卷板進行了金相分析，結果見表6，顯微組織形貌如圖2 所示，其中帶狀組織形貌如圖3 所示。 從金相分析結果可以看出，厚壁高鋼級卷板通過進一步優(yōu)化TMCP 工藝，可滿足全壁厚組織的均勻控制[3]，獲得了高強度的粒狀貝氏體 （鐵素體） 和超細晶粒，夾雜物和帶狀組織級別也完全滿足技術條件要求且有較大富余量，為保證卷板具有良好的組織性能奠定了基礎[6-7]。

表6 X80 熱軋卷板金相分析結果

圖2 卷板顯微組織形貌

圖3 卷板帶狀組織形貌

以上的性能分析結果表明，X80 鋼級熱軋卷板的所有質量指標完全滿足所參照的 “板卷技術條件” 要求。

2 制管工藝設計

制管工藝設計參照 “Q/SYGD 0503.2—2016 X80 級螺旋縫埋弧焊管技術條件”[8]（簡稱 “鋼管技術條件”） 要求進行。 鋼管規(guī)格Φ1 524 mm×23 mm，鋼級 X80，管長 8～12 m，板卷公稱寬度1 650 mm。

2.1 成型工藝設計

成型方式采用三輥彎板、排輥外控、上卷左螺旋MEG 常溫成型。

成型主要工藝參數： 卷板工作寬度 （1 640±0.5） mm，成型角 69°39′，內壓小輥角度 69°19′，外控小輥角度 69°58′，螺距長度 1 753 mm。 調型理論圓直徑設計為1 520 mm。

三輥彎板機按過壓彎曲設計，成型殘余應力采用切環(huán)法檢測，成品鋼管切口張開間距加嚴控制在－30～70 mm （“鋼管技術條件” 要求≤90 mm），允許彈復量為負值，即成型后管坯處于壓應力狀態(tài)，殘余壓應力與服役應力相抵消[9]，對服役條件下管材的疲勞性能和應力腐蝕抗力是有利的[10]。

成型控制的主要質量指標： 管端外徑允差－1.0～＋1.5 mm，兩端平均直徑差≤2.0 mm；管體外徑允差－4～＋4 mm； 成型縫管端錯邊≤1.6 mm、管體錯邊≤2.0 mm； 橢圓度允差： 管端 0.6%D、管體 1.2%D； 直度偏差≤管長的0.2%，局部直度小于3.0 mm/m； 成型縫噘嘴量≤1.5 mm。

2.2 焊接工藝設計

內、外焊接采用一步法、雙絲埋弧自動焊方式，前絲直流、后絲交流，先內焊、后外焊，內焊點在成型縫咬合后約6 點鐘位置，外焊點在內焊點后1.5 個螺距約12 點鐘位置[11]。

焊材匹配： 內外焊 1#、2#絲采用 Φ4.5 mm、Φ4.0 mm 規(guī)格高強度合金埋弧焊絲，與母材等強匹配設計，焊縫保護采用高韌性高速燒結埋弧焊劑[12]。

焊縫設計： 充分考慮壁厚和焊接熔池中焊絲金屬與母材合適的融合比、兼顧低線能量輸入原則下的焊接參數優(yōu)化[13]，結合避免焊接夾雜、氣孔、未焊透缺陷的產生，通過多次焊接工藝試驗研究、對比分析和工藝優(yōu)化，確定焊口為X 形坡口，上下坡口角度均采用相對小角度，鈍邊尺寸接近壁厚的一半，上、下坡口的深度比約為3∶2。

主要焊接參數： 依據低線能量輸入原則、結合焊口工藝參數、兼顧焊縫外觀及內在質量等因素，焊速變化控制在±0.05 m/min，匹配適宜的焊接電流、電壓、前后絲間距、傾角、焊絲伸長等參數。

焊接控制的主要質量指標： 內外焊道熔合量≥1.5 mm，內外焊道中心偏離量≤3.0 mm，內、外焊縫余高≤3.0 mm，還包括焊縫的一系列力學性能指標[14]。

3 鋼管試制及檢測試驗

2018 年 10 月，在 Φ1 626 mm 螺旋焊管生產線上進行產品試制，試制過程中設備運行正常，成型、焊接工藝質量穩(wěn)定，焊接接頭性能優(yōu)良，有效解決了超厚壁、高鋼級SAWH 鋼管生產中常見的焊縫及HAZ 低溫沖擊韌性指標數據分散、不集中問題。 對試制產品按 “鋼管技術條件” 進行外觀目視、X 射線、超聲波、水壓試驗等在線無損檢驗，按 “鋼管技術條件” 要求進行型式試驗，重點對鋼管外形尺寸、表面質量、化學成分、力學性能等進行檢測試驗，所有檢驗結果顯示鋼管各項質量指標滿足參照的 “鋼管技術條件” 要求。

4 試制產品鑒定評價及分析

在試制產品內部檢驗合格的前提下，在對應卷板外圈、中部、內圈原料生產的鋼管上分別截取樣品，對應的試樣編號分別為4#、5#和6#，送第三方檢驗機構進行質量評價。

4.1 鋼管拉伸性能

對鋼管進行拉伸試驗，結果見表7，3 個試樣全部在焊縫處斷裂。

表7 鋼管拉伸試驗結果

從表7 可以看出，管體橫向屈服強度563～592 MPa，整卷原料生產的鋼管屈服強度均值577 MPa，與卷板比均值下降了約 7 MPa，卷板外圈、中部、內圈與對應部位鋼管相比，屈服強度變化范圍在+19～－35 MPa； 外圈上升約 19 MPa，中部屈服強度變化不大，下降約7 MPa； 尾部下降幅度稍大，約35 MPa。 管體橫向抗拉強度674～692 MPa、均值為 685 MPa，與卷板相比，外圈抗拉強度制管后上升43 MPa，中部無明顯變化，尾部制管后上升約16 MPa。 屈強比0.82～0.88，均值 0.84，與卷板比有所下降； 伸長率27%～29%，均值28%。 X80 卷板制管后母材屈服強度從整體平均值看變化不大，包申格效應不明顯。

4.2 鋼管導向彎曲試驗

鋼管焊接接頭橫向導向彎曲試驗結果見表8。 由表 8 可以看出，X80 鋼管焊接接頭橫向導向彎曲試樣的拉伸面上未出現(xiàn)目視可見的裂紋，拉伸面表面光滑，焊接接頭性能良好、穩(wěn)定，試驗結果滿足技術要求。

表8 鋼管焊接接頭橫向導向彎曲試驗結果

4.3 鋼管金相分析

鋼管管體金相分析結果見表9，焊接接頭宏觀檢驗結果見表10，管體、焊接接頭顯微組織及宏觀照片如圖4 所示。

由表9 和圖 4 （a）、圖4 （b） 可以看出，鋼管管體金相組織、晶粒度等級和夾雜物級別均與卷板的金相分析結果趨同，均是高強度粒狀貝氏體組織，晶粒度等級為11.6 級超細晶粒，夾雜物、帶狀組織級別也與板材基本一致，與技術條件要求相比存有較大的富余量。

表9 鋼管管體金相分析結果

表10 焊接接頭宏觀檢驗結果

圖4 管體、焊接接頭顯微組織及宏觀照片

由表10 和圖4 （c） ～圖4 （f） 可以看出，焊接接頭宏觀形貌良好，焊縫余高、重合量、中心偏差等指標均滿足技術條件要求； 焊縫顯微組織為IAF （晶內成核針狀鐵素體） +B粒（粒狀貝氏體） +PF （多邊形鐵素體），熔合區(qū)為 B粒，細晶區(qū)為PF+MA （馬氏體），保證焊接接頭良好力學性能。

4.4 鋼管夏比沖擊試驗

－10 ℃鋼管管體夏比沖擊試驗結果見表11。由表11 可以看出，管體橫向沖擊功356～472 J，數據集中，且遠遠高于技術條件要求，剪切面積均為100%； 焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功指標遠高于技術條件要求，剪切面積指標在技術條件中無量化要求，僅有報告數據。 鋼管整體具有良好的低溫韌性。

表11 －10 ℃鋼管管體夏比沖擊試驗結果

在 0 ℃、－10 ℃、－20 ℃、－30 ℃、－45 ℃、－60 ℃系列溫度下，分別對管體縱向、管體橫向、焊縫、熱影響區(qū)進行了夏比沖擊試驗。 試驗結束后，系列溫度韌脆轉變曲線分別如圖5～圖8 所示。

圖5 系列溫度管體縱向沖擊韌性轉變曲線

從圖5～圖8 可以看出，管體縱向、管體橫向的 FATT50CVN均低于－60 ℃，焊縫的 FATT50CVN約為－50 ℃，熱影響區(qū)的 FATT50CVN約為－55 ℃，說明X80 鋼級螺旋焊管的管體、焊縫及熱影響區(qū)均具有良好的低溫沖擊性能，韌脆轉變溫度低，滿足低溫服役條件對管材性能的要求。

圖6 系列溫度管體橫向沖擊韌性轉變曲線

圖7 系列溫度焊縫沖擊韌性轉變曲線

圖8 系列溫度熱影響區(qū)沖擊韌性轉變曲線

4.5 鋼管落錘撕裂試驗

對鋼管管體進行了－5 ℃落錘撕裂試驗，試驗結果顯示，鋼管管體的橫向斷口剪切面積均為100%，完全滿足 “剪切面積單個值≥70%、平均值≥85%” 的技術要求。 對鋼管管體縱向、橫向進行了 0 ℃、－5 ℃、－15 ℃、－30 ℃、－45 ℃系列溫度落錘撕裂試驗，管體縱向及橫向DWTT系列溫度剪切面積曲線如圖9 所示。

圖9 系列溫度管體縱向和橫向DWTT 剪切面積曲線

由圖9 可以看出，管體縱向 FATT85DWTT約為－30 ℃，說明管體縱向試樣在低于－30 ℃時斷口剪切面積低于85%，且明顯下降； 管體橫向 FATT85DWTT約－45 ℃，說明管體橫向試樣在低于－45 ℃時斷口剪切面積低于85%，且明顯下降。 產品技術條件對該指標未做量化要求，僅做參考并報告數據。

4.6 鋼管硬度檢驗

圖10 焊接接頭維氏硬度測試點示意圖

表12 焊接接頭維氏硬度試驗結果

按圖10 所示測試點對鋼管焊接接頭進行硬度試驗，結果見表 12。 由表 12 可以看出，卷板外圈、中部、內圈制管后焊接接頭維氏硬度值為193～249HV10，測試數據比較集中，與技術條件指標相比，余量較大，且接近制管前卷板的硬度值。 試驗結果驗證了焊接工藝設計的合理性。

4.7 鋼管水壓爆破試驗

取 1 根長 11.2 m 的 X80 鋼級 Φ1 524 mm×23 mm鋼管進行水壓爆破試驗，結果見表13，鋼管爆破口形貌如圖11 所示，水壓爆破時間－壓力曲線如圖12 所示。

表13 水壓爆破試驗結果

圖11 鋼管爆破口形貌

圖12 水壓爆破時間-壓力曲線

由表13 可以看出，鋼管實際爆破壓力為21.43 MPa，大于理論爆破壓力18.86 MPa 和實測計算爆破壓力20.31 MPa，滿足產品技術要求。 鋼管爆破起爆于管體母材，穿過焊縫后很快止裂，說明管材的止裂性能好，爆破口呈韌性斷開失效，為正常失效破壞[15]。

4.8 試制產品評價結論

試制產品按 “鋼管技術條件” 要求進行了拉伸、導向彎曲、夏比沖擊、落錘撕裂、硬度、水壓爆破等一系列的試驗。 試驗結果顯示，試制產品各項質量指標完全滿足所參照的 “鋼管技術條件” 要求，試制產品質量合格。

5 結束語

通過本次X80 鋼級 Φ1 524 mm×23 mm 鋼管試制，在高鋼級、大直徑、超厚壁螺旋埋弧鋼管制造方面取得了突破，積累了寶貴經驗，開發(fā)出了X80 鋼級Φ1 524 mm×23 mm 鋼管制造工藝技術包，優(yōu)化設計了制管成型、焊接關鍵工藝，鋼管成型方面大膽嘗試彎板過壓彎曲設計，有效控制了成型殘余應力； 通過工藝試驗研究，不斷優(yōu)化焊縫坡口鈍邊、焊速、電流電壓等關鍵工藝參數并合理匹配焊材，遵循焊接 “低線能量輸入”原則，獲得了性能優(yōu)良的焊接接頭，有效解決了在超厚壁、高鋼級SAWH 鋼管生產中極易出現(xiàn)的焊縫及HAZ 低溫沖擊韌性指標數據分散、不集中的問題。

試制出的X80 鋼級 Φ1 524 mm×23 mm 螺旋埋弧焊管經內部型式試驗和第三方檢測評價，產品質量和性能指標符合 “鋼管技術條件” 要求，具備批量生產能力。 也為以后超大直徑、更高鋼級、更大厚壁SAWH 鋼管開發(fā)奠定了基礎，提供了工藝設計參考。