X80 鋼級Ф1 422 mm×38.5 mm 大壁厚直縫埋弧焊管的開發及性能研究*

劉 斌， 韋 奉， 趙 勇， 牛 輝， 王 琴

（1. 寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院， 陜西 寶雞721008；2. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008；3. 中國石油西部管道公司， 烏魯木齊830000）

0 前 言

我國天然氣產業目前已進入快速發展階段，市場需求也邁入快速增長階段， 預計2025 年天然氣消費量將達到4 500 億m3/a， 需要輸送的天然氣流量越來越大。 與此同時， 由于受到土地、環境的限制及對輸送效率提高的要求， 天然氣長輸管道的單管輸量、 管徑及壁厚也隨之增大[1-3]。 西氣東輸一線采用X70 鋼級Φ1 016 mm×14.7 mm 焊管， 輸送能力最高可達170 億m3/a。 西氣東輸二線、 三線提高了鋼管的鋼級和管徑， 采用X80 鋼級Φ1 219 mm×18.4 mm、 Φ1 219 mm×22 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 焊管， 設計輸量提高到250～300 億m3/a 及以上[4-6]。 而根據設計規劃， 西氣東輸后續管道工程將采用X80 鋼級Φ1 422 mm 焊管， 壁厚最大將達到38.5 mm， 用于3 類地區的大中型穿越地段。

近年來， 隨著中俄東線天然氣管道工程建設需要， 國內制管企業聯合國內大型鋼廠開發出X80鋼級Φ1 422 mm 直縫焊管， 壁厚21.4～32.1 mm[7-8]。但是X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管的開發， 由于鋼級高、 壁厚大， 制管設備已接近能力極限， 前期尚無該規格產品的研發經驗。本研究以西氣東輸四線用X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管開發為目標， 介紹了X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5mm 直縫埋弧焊管的試制情況，并對其各項性能進行了分析， 對比分析了不同壁厚取樣位置對管體拉伸性能、 夏比沖擊韌性、 落錘撕裂性能的影響， 為以后的關鍵力學性能指標的確定及新產品開發提供參考。

1 板材性能

1.1 化學成分

X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用熱軋鋼板采用超低C、 Mn-Mo-Ni-Cu 合金體系的成分設計， CEPcm控制在0.19%以內[9-10]， 其主要化學成分設計見表1。

表1 X80 鋼級38.5 mm 壁厚鋼板的主要化學成分

1.2 顯微組織

X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用熱軋鋼板組織主要以粒狀貝氏體+多邊形鐵素體為主， 由于壁厚較大， 鋼板上下表層與壁厚1/4 位置、 壁厚3/4 位置及壁厚中心處顯微組織在均勻性上存在一定的差異， 但壁厚中心處晶粒組織較細小、 均勻。 壁厚方向上各位置顯微組織如圖1 所示。

1.3 板材力學性能

對X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用38.5 mm×4 320 mm×12 500 mm 規格熱軋鋼板進行了不同壁厚位置的拉伸試驗、 夏比沖擊試驗、 HV10硬度試驗及落錘試驗， 試驗結果見表2 和表3。

由表2 和表3 可見， 38.5 mm 壁厚鋼板在不同壁厚位置試樣的屈服強度和抗拉強度波動均小于10 MPa， 表明38.5 mm 壁厚鋼板在壁厚方向上的拉伸性能較均勻； 同時， 鋼板厚度截面不同位置-20 ℃夏比沖擊功均大于400 J，在-37 ℃時的DWTT 單面和雙面減薄試樣剪切面積均大于85%， 表明鋼板具有優異的低溫斷裂韌性。

圖1 X80 鋼級38.5 mm 壁厚鋼板顯微組織

表2 X80 鋼級38.5 mm 壁厚熱軋鋼板主要力學性能

表3 -37 ℃時38.5 mm 壁厚熱軋鋼板DWTT 剪切面積

2 焊接工藝研究

對于大壁厚熱軋鋼板的埋弧焊接， 由于壁厚的增大， 易出現焊縫成形不良、 熔深不足的問題。 同時隨著壁厚的增大， 焊接熱輸入量也變大， 焊接缺陷產生的概率也隨之增加[11-12]。 此外， 大熱輸入量將造成熱影響區的軟化， 易出現反彎不合格。 因此， 需要對大壁厚熱軋鋼板的埋弧焊接工藝進行研究， 避免出現熔深不足、未熔透等焊接缺陷及焊接接頭出現軟化、 脆化的現象。

針對38.5 mm 大壁厚熱軋鋼板化學成分特點， 設計了兩種焊材匹配及焊接工藝的焊接試驗方案（見表4）。

表4 焊接試驗方案

采用上述方案按照焊速1.1 m/min 進行焊接試驗， 焊后鋼管不同壁厚位置焊縫及熱影響區沖擊試驗結果如圖2 和圖3 所示。 由圖2 和圖3 可以看出， 采用方案二進行焊接時， 不同壁厚位置焊縫及熱影響區沖擊功高于方案一， 在試制時確定采用方案二的焊材匹配及焊接工藝進行埋弧焊接。焊接后的焊縫宏觀形貌如圖4 所示。

圖2 鋼管不同壁厚位置焊縫沖擊試驗結果

圖3 鋼管不同壁厚位置熱影響區沖擊試驗結果

圖4 采用方案二焊接后的焊縫宏觀形貌

采用方案二進行埋弧焊接， 可以保證X80 Φ1 422 mm×38.5 mm 厚壁直縫埋弧焊管焊接接頭力學性能的優異， 焊后焊縫形貌良好， 焊縫與母材過渡平滑， 未出現明顯的焊縫缺陷。焊縫宏觀金相檢測結果見表5。

表5 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊縫宏觀金相實測結果

3 擴徑工藝研究

機械擴徑是直縫埋弧焊管制造過程中的重要工序， 它可以消除焊管成型以及焊接過程中形成的殘余應力， 提高焊管幾何尺寸精度及強度[13-15]。 在機械擴徑過程中存在不可避免的變形不均勻性， 為提高成管質量， 需嚴格控制擴徑率。 在生產線上對X80 Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管進行了0.6%、 0.7%擴徑率的擴徑試驗， 確定最佳擴徑工藝， 保證管材各項性能滿足標準要求。

試驗后在管體距焊縫180°位置處、 壁厚中心位置取橫向圓棒拉伸試樣， 試驗結果見表6。由表6 可以看出， 隨著擴徑率由0.6%增加到0.7%時， 屈服強度平均值由602 MPa 上升到623 MPa， 抗拉強度平均值由682 MPa 上升到685 MPa， 屈強比也隨擴徑率上升， 平均值由0.88 增加到0.91。

0.7%擴徑率下， X80 Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管壁厚中心橫向拉伸屈強比已有單值接近標準要求的上限0.93， 擴徑率進一步增加的空間較小， 因此， 在實際生產中選擇0.7%左右的擴徑率較為合適。

表6 擴徑率對X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體拉伸性能的影響

4 產品性能

對試制的X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管進行了金相組織、 拉伸性能、 夏比沖擊韌性、 DWTT、 硬度等性能檢測， 結果如下。

4.1 金相組織

對X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體和焊接接頭進行了金相組織觀察，如圖5 和圖6 所示。 由圖5 和圖6 可見， 管體組織為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體， 外焊焊縫組織為晶內針狀鐵素體+粒狀貝氏體+多邊表鐵素體， 熱影響區組織為粒狀貝氏體， 具有較明顯的晶粒邊界， 細晶區組織為多邊形鐵素體+少量細小的M-A 組元。

圖5 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體金相組織形貌

圖6 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭金相組織形貌

4.2 拉伸性能

為了全面了解不同取樣位置對大壁厚直縫焊管管體拉伸性能的影響， 同時也為后期“西氣東輸四線管道工程用X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管技術條件” 的制定提供技術支撐，分別在距焊縫180°位置處的焊管內表面、 壁厚中心、 焊管外表面取圓棒拉伸試樣進行拉伸試驗， 試樣標距長50 mm、 直徑12.7 mm， 試驗機型號為CMT5305 型300 kN 萬能試驗機。 在焊接接頭處取橫向全壁厚矩形試樣進行焊接接頭拉伸試驗， 試樣標距長50 mm、 寬38.1 mm， 試驗機型號為SHT5106 型1 000 kN 拉力試驗機。 試驗標準為ASTM A370—18， 試驗結果見表7。

由表7 可以看出， 焊管內表面、 壁厚中心、外表面處管體屈服強度單值為560～694 MPa，平均值為619～643 MPa， 抗拉強度單值為635～758 MPa， 平均值為692～701 MPa， 屈強比單值為0.87～0.94， 平均值為0.89～0.92。 焊接接頭抗拉強度單值為650～701 MPa， 平均值675 MPa，均符合Q/SY XG 0120.4—2019 《西氣東輸四線天然氣管道工程用X80 級直縫埋弧焊管技術條件》 （以下簡稱“西氣東輸四線用X80 直縫焊管技術條件”） 和 《D1 422 mm×38.5 mm 管材單爐試制程序及要求》 （以下簡稱 “試制程序”） 的要求。 從表7 還可看出， 從內表面到外表面，拉伸試樣的屈服強度、 屈強比呈上升趨勢。 焊管在成型過程中內表面受壓應力， 外表面受拉應力， 外表面由于塑性變形的影響， 強度略高于內表面。

表7 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管拉伸性能試驗結果

4.3 沖擊韌性

分別在距焊縫90°位置處的管體和焊接接頭取管體橫向、 焊縫中心、 熱影響區的夏比沖擊試樣樣坯， 為全面了解不同取樣位置對大壁厚直縫焊管管體沖擊韌性的影響， 在靠近焊管內表面、 壁厚中心、 外表面處加工成10 mm×10 mm×55 mm 的沖擊試樣， V 形缺口沿壁厚方向垂直焊管表面。試驗設備型號為NI750F， 試驗標準為ASTM A370—18， 試驗結果見表8。

由表8 可以看出， X80 Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管在-10 ℃時管體橫向沖擊功單值為316～488 J， 平均值為401 J； 焊縫沖擊功單值為101～263 J， 平均值為165 J； 熱影響區沖擊功單值為116～489 J， 平均值為294 J， 均符合西氣東輸四線用X80 直縫焊管技術條件和試制程序的要求， 并有較大的余量， 焊管內表面、 壁厚中心、 外表面沖擊韌性值變化不大， 表明試制的X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管具有優良的低溫沖擊韌性。

表8 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管夏比沖擊韌性試驗結果

4.4 DWTT 性能

在距焊縫90°位置處管體取橫向DWTT 試樣， 試樣尺寸為305 mm×76 mm×19 mm， 采用單面和雙面減薄的方法對試樣進行加工。 缺口型式為標準壓制V 形缺口， 試驗設備型號為JL-50000J， 試驗標準為SY/T 6476—2017， 試驗結果見表9。

由表9 可見， -22 ℃時 （相當于全壁厚試樣試驗溫度為-5 ℃時）， 管體落錘撕裂試驗單面減薄試樣剪切面積單值為90%～100%， 平均值為94%， 雙面減薄試樣剪切面積單值為80%～100%， 平均值為90%， 均滿足西氣東輸四線用X80 直縫埋弧焊管技術條件和試制程序的要求。

表9 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管DWTT 性能試驗結果

X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管在-60 ℃、 -47 ℃、 -32 ℃、 -22 ℃、 3 ℃系列溫度下DWTT 剪切面積韌脆轉變曲線如圖7所示， 試樣為雙面減薄。

圖7 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體橫向DWTT 剪切面積韌脆轉變曲線

管體橫向雙面減薄試樣在-22 ℃ （相當于全壁厚試樣在-5 ℃） 下的DWTT 剪切面積大于85%， DWTT 試驗FATT85%為-34 ℃ （相當于全壁厚試樣DWTT 試驗FATT85%為-17 ℃），表明試制的X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管具有良好的低溫抗撕裂韌性， 并存在一定的余量， 可以滿足-5 ℃以下長輸管線的用管要求。

4.5 硬度

在X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭處取全壁厚橫截面試樣， 進行10 kg 載荷維氏硬度試驗， 試驗機型號為HVS-50A， 試驗標準為ASTM E92—17， 試驗結果見表10。

表10 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭硬度試驗結果

由表10 可以看出， 母材區硬度為206HV10～248HV10， 平 均 值 為222HV10； 焊 縫 處 硬 度 為225HV10～260HV10， 平均值為242HV10； 熱影響區硬度為213HV10～258HV10， 平均值為230HV10。 由統計結果來看， 焊縫區域硬度最高， 熱影響區其次， 母材區最低， 均符合西氣東輸四線用X80 直縫埋弧焊管技術條件和試制程序的要求， 焊接接頭未出現軟化現象。

5 “鋼板-鋼管”性能變化規律

X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管不同壁厚位置制管前后鋼板-鋼管性能變化情況見表11 和表12。

表11 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫焊管制管前后不同壁厚位置屈服強度變化情況

表12 X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫焊管制管前后不同壁厚位置抗拉強度變化情況

由表11 和表12 可見， 制管后不同壁厚位置拉伸試樣的屈服強度、 抗拉強度均呈上升趨勢，屈服強度上升幅度較大， 為89～107 MPa， 平均升高99 MPa； 抗拉強度上升幅度較小， 為20～28 MPa， 平均升高25 MPa， 導致制管后屈強比上升較快。 板-管性能變化規律的掌握有助于了解厚壁焊管在制管過程中的性能變化情況， 可進一步優化成型和擴徑工藝。

6 結 論

（1） 采用超低C、 Mn-Mo-Ni-Cu 合金體系的成分設計， CEPcm控制在0.19%以內， 開發出了以粒狀貝氏體+多邊形鐵素體為主的38.5 mm壁厚X80 熱軋鋼板。

（2） 通過對焊接、 擴徑等制管工藝的研究，開發出了X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm 厚壁直縫埋弧焊管， 通過力學性能、 斷裂韌性、 維氏硬度等理化性能檢測， 結果表明， 各項性能均滿足Q/SY XG 0120.4—2019 《西氣東輸四線天然氣管道工程用X80 級直縫埋弧焊管技術條件》 和《D1 422 mm×38.5 mm 管材單爐試制程序及要求》 的要求。

（3） 掌握了X80 鋼級38.5 mm 壁厚板材由鋼板到焊管的性能變化規律， 為該焊管產品后續工業化生產提供了技術支撐。