X70鋼級海洋用高應(yīng)變直縫埋弧焊管的研制*

閔祥玲，王 旭，劉 濤，白學(xué)偉，方 文

（1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司研究院，河北 青縣 062658；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；3.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

我國海洋管道經(jīng)過30多年的發(fā)展，總里程已經(jīng)超過5 300 km，最大水深1 560 m，普遍采用X65及以下鋼級鋼管，X70鋼級較少，基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的深水管道研究在國內(nèi)尚屬空白。與非海洋用高應(yīng)變管相比，海底惡劣服役環(huán)境對管線管提出了更嚴(yán)格的要求。首先，鋼管尺寸精度要求更高，深海管道承受海水外擠壓的問題突出，因此要求徑厚比D/t（15≤D/t≤45）和不圓度等更小，以提高抗壓潰性能，厚規(guī)格管線鋼管斷裂韌性控制成為主要技術(shù)“瓶頸”，對成型、擴(kuò)徑設(shè)備的能力也提出了更高的要求；其次，在縱向應(yīng)變能力要求方面，深海管道在鋪設(shè)和運(yùn)行階段有較大的塑性變形，除了在設(shè)計(jì)階段要采用基于應(yīng)變的方法之外，須有最小應(yīng)變硬化指數(shù)要求，以保證縱向高應(yīng)變能力，而非海洋用高應(yīng)變管則是采用了日本鋼鐵工程控股公司提出的應(yīng)力比指標(biāo)要求，保證一定的縱向應(yīng)變能力［1-15］。目前，我國在高應(yīng)變海洋管線管的開發(fā)和應(yīng)用方面研究較少。某鋼管公司與國內(nèi)知名鋼廠合作，聯(lián)合攻關(guān)開展了X70鋼級Ф559 mm×31.8 mm規(guī)格海洋用高應(yīng)變直縫埋弧焊管的研制，現(xiàn)介紹如下。

1 L485M鋼級高應(yīng)變鋼板的開發(fā)

據(jù)報(bào)道，多邊形鐵素體-貝氏體組織不僅可以提高落錘撕裂（DWTT）性能，而且有助于提高鋼管的形變能力。鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司（簡稱鞍鋼）設(shè)計(jì)采用多邊形鐵素體+貝氏體的雙相組織設(shè)計(jì)X70鋼級海洋用高應(yīng)變海洋管線管用鋼板。主要通過合金成分設(shè)計(jì)及TMCP熱機(jī)械控制工藝獲得顯微組織。成分設(shè)計(jì)方面，通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪卮_保足夠的強(qiáng)度。鑒于雙相鋼中鐵素體及貝氏體比例以及貝氏體的強(qiáng)度對變形能力具有重要影響，TMCP熱機(jī)械控制工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮獲得合適比例的鐵素體及貝氏體，尤其是下貝氏體組織，這主要通過控制ACC（快速冷卻）入水溫度以及冷卻速度。通過以上成分及工藝控制確保了L485M鋼板具有鐵素體+貝氏體雙相組織以及低屈強(qiáng)比、高延伸率的特征。然而，值得注意的是，采用雙相微觀組織的板材，過分要求降低屈強(qiáng)比將導(dǎo)致很高的抗拉強(qiáng)度，這會帶來有害的影響，有時(shí)會在斷口表面產(chǎn)生明顯的分離，使低溫韌性惡化；要求環(huán)焊縫和鋼管主焊縫金屬具有極高的強(qiáng)度，所以平衡好各項(xiàng)性能非常重要。

鞍鋼所生產(chǎn)的L485M鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板，鋼板的化學(xué)成分見表1；典型的多邊形鐵素體+粒狀貝氏體顯微組織如圖1所示，縱向拉伸曲線如圖2所示，典型鋼板拉伸性能見表2。

表1 X70鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 L485M鋼級31.8 mm厚度抗大變形鋼板顯微組織

圖2 L485M鋼板縱向板狀試樣拉伸曲線

表2 X70鋼級31.8 mm厚度典型鋼板拉伸性能

從表2可以看出，開發(fā)的31.8 mm厚度鋼板具有高均勻延伸率及低屈強(qiáng)比等抗高應(yīng)變材料所需的全部特征；縱向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度總體上分別略低于橫向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，且屈服強(qiáng)度均略低于X70鋼級鋼管屈服強(qiáng)度要求，是考慮了雙相組織加工硬化能力高，制管后強(qiáng)度上升的空間，而抗拉強(qiáng)度基本達(dá)到了鋼管要求的水平。兩張鋼板的應(yīng)變硬化指數(shù)均大于0.1，滿足目標(biāo)值要求，同時(shí)，均顯示了優(yōu)良的低溫韌性，如圖3所示。

圖3 2號鋼板系列溫度的夏比沖擊功

2 直縫埋弧焊管制造

2.1 預(yù)彎成型、擴(kuò)徑設(shè)備能力提升及工藝研究

深海管線的主要設(shè)計(jì)載荷是外壓載荷，相關(guān)的極限狀態(tài)是壓潰狀態(tài)。除了壁厚之外，深水管線的壓潰還受到管子的不圓度和材料屈服強(qiáng)度的影響。因此，深海管線標(biāo)準(zhǔn)對鋼管幾何尺寸的精度要求很高，鋼管不圓度控制至關(guān)重要，DNVGL-ST-F101—2017《海底管道系統(tǒng)》要求管體不圓度≤0.015D，本項(xiàng)目要求不圓度≤0.012D，即6.7 mm。為此，某鋼管公司根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品規(guī)格特點(diǎn)，通過分析計(jì)算，與設(shè)備廠家協(xié)同設(shè)計(jì)加工了合適的預(yù)彎和擴(kuò)徑模具（圖4），保證不圓度的控制和有效消除殘余應(yīng)力。

圖4 預(yù)彎模具與擴(kuò)徑模具

在管段試制階段，利用2號板制成的管段進(jìn)行了擴(kuò)徑率依次為1.00%，0.80%，0.06%的試驗(yàn)研究。利用擴(kuò)徑后試驗(yàn)管段截取母材橫向拉伸和母材縱向拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，擴(kuò)徑率對該材質(zhì)母材180°（矩形試樣）和母材90°（矩形試樣）拉伸試驗(yàn)結(jié)果幾乎無影響，試樣屈服強(qiáng)度變化值最大為11 MPa，抗拉強(qiáng)度變化值為5 MPa。同時(shí)，還針對擴(kuò)徑率對殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了管環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼管擴(kuò)后殘余應(yīng)力整體較低，殘余應(yīng)力與擴(kuò)徑率呈反比，隨著擴(kuò)徑率增加，鋼管殘余應(yīng)力相應(yīng)降低。隨著擴(kuò)徑率由0.6%增加到1.0%，采用切環(huán)法檢測，切口張開間距由22.5 mm減小到16.0 mm。預(yù)焊后不圓度實(shí)際控制在0～10 mm，擴(kuò)徑后不圓度在0～2 mm，控制很理想。

2.2 焊接工藝研究

某鋼管公司基于同規(guī)格普通X70焊管的焊接工藝，針對L485鋼級Φ559 mm×31.8 mm規(guī)格鋼管的小直徑、大壁厚、高應(yīng)變、高斷裂韌性等特點(diǎn)，制定了2種焊絲和4種焊劑的管段焊接試驗(yàn)方案，進(jìn)行焊材對比優(yōu)選試驗(yàn)研究。內(nèi)外焊焊絲為4絲焊：方案一內(nèi)外焊焊絲均為HS#A；方案二二絲為HS#B，其余各絲均為HS#A。內(nèi)外焊焊劑為：HJ#A+HJ#B、HJ#C+HJ#B、HJ#A、HJ#C。

通過管段焊縫的性能檢測，焊縫拉伸強(qiáng)度都處于較高的水平（675～699 MPa），焊劑HJ#C+HJ#B的匹配及與焊劑為HJ#A的匹配，焊縫的低溫沖擊韌性不是很理想，特別是焊縫中心和外焊縫熔合線的性能明顯比其他方案的差。

2.3 鋼管試制

根據(jù)管段試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選焊絲HS#A匹配焊劑HJ#A+HJ#B進(jìn)行1號板整管試制，同時(shí)采用焊絲HS#A匹配焊劑HJ#C進(jìn)行2號板整管試制。制管工藝設(shè)計(jì)中充分考慮了材料加工硬化導(dǎo)致強(qiáng)度的上升以及均勻延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)的降低，采用了合理的成型步數(shù)，擴(kuò)徑采用1.0%的擴(kuò)徑率，其余制管工藝與同規(guī)格普通X70焊管相同。

制管后根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)值要求，取橫向、縱向試樣進(jìn)行拉伸性能檢測。理化取樣時(shí)充分考慮了火焰切割過程熱影響，取樣尺寸足夠大以確保測試區(qū)域的性能不受熱影響。

2.3.1 鋼管拉伸性能

試制鋼管的拉伸性能見表3。可以看出，所有縱向試樣抗拉強(qiáng)度、伸長率和屈強(qiáng)比全部達(dá)到了要求，縱向均勻延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)n大幅度下降，個(gè)別鋼管的屈服強(qiáng)度和均勻延伸率超出了目標(biāo)值范圍，而均勻延伸率偏低的兩個(gè)試樣都對應(yīng)具有偏高的抗拉強(qiáng)度。

從表3可以看出，橫向拉伸性能只有屈服強(qiáng)度存在低于目標(biāo)值的情況，鋼管的其他性能全部符合項(xiàng)目目標(biāo)值要求。

2.3.2 制管前后縱向拉伸性能的變化規(guī)律

直縫埋弧焊管制造過程中，主要由于成型、擴(kuò)徑的作用，導(dǎo)致鋼管強(qiáng)度升高。強(qiáng)度升高的趨勢受到材料自身強(qiáng)化能力及擴(kuò)徑率的影響。通常主要是指橫向屈服強(qiáng)度的升高，對于縱向的變化數(shù)據(jù)較少。但前期試制的數(shù)據(jù)表明，對于抗大變形焊管，擴(kuò)徑對縱向屈服強(qiáng)度的影響可能更大。通過對制管前后鋼板、鋼管的縱向拉伸性能比較，獲得了該材料制管前后拉伸性能的變化規(guī)律，見表4。

從表4可見，制管后縱向拉伸性能變化大。屈服強(qiáng)度平均升高105 MPa，抗拉強(qiáng)度平均升高達(dá)21 MPa，屈強(qiáng)比平均升高0.14。這種變化特征與大變形鋼的高強(qiáng)化能力有關(guān)。基于此規(guī)律，抗大變形鋼板應(yīng)獲得低于鋼管標(biāo)準(zhǔn)的屈服強(qiáng)度水平及屈強(qiáng)比。

2.3.3 鋼管落錘撕裂DWTT性能

為了研究X70鋼級Φ559 mm×31.8 mm管線鋼管的防脆性開裂能力，減薄試樣分內(nèi)側(cè)減薄、外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄3種情況，在0℃溫度下進(jìn)行落錘撕裂試驗(yàn)，可以看到，外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄的試樣相對于內(nèi)側(cè)減薄試樣的剪切面積百分比分散程度大，且較多低值，但也都達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)值要求（最小值為82%）。同時(shí)，還利用外側(cè)減薄試樣進(jìn)行了系列溫度的落錘撕裂試驗(yàn)，鋼管落錘撕裂轉(zhuǎn)變曲線如圖5所示。壓制缺口的落錘撕裂試驗(yàn)平均剪切面積百分比仍能達(dá)到86%，85%韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃。圖6所示為外側(cè)減薄壓制缺口的落錘撕裂試樣-20℃和-10℃的斷口形貌。從圖6可看出，首先在缺口下方出現(xiàn)脆性斷口，緊接著脆性斷口轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷口，并有少量的斷口分離。

圖6 鋼管在-20℃和-10℃溫度下的落錘撕裂試驗(yàn)斷口形貌

2.3.4 焊縫韌性性能

為了了解焊縫韌性，對夏比沖擊性能進(jìn)行了研究。1號鋼管在不同溫度條件下焊縫夏比沖擊功如圖7所示，均高于200 J，顯示較高水平。同時(shí)，對兩根鋼管焊縫多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了-20℃的夏比沖擊韌性研究，吸收功均在40 J以上，主要分布在50～300 J，而且明顯看到，外焊縫熔合線和焊縫中心熔合線的韌性最差，基本在50～100 J。焊接接頭的硬度分布如圖8所示，外側(cè)、中心、內(nèi)側(cè)的硬度分布情況趨勢完全一致，均滿足項(xiàng)目目標(biāo)值要求（管體≤275 HV10，焊縫≤300 HV10），且明顯看出熱影響區(qū)發(fā)生了一定程度軟化，兩根鋼管的熱影響區(qū)相比母材的軟化率分別為2.6%～3.4%和7.3%～11.2%，2號鋼管的軟化率更高一些。焊接接頭的宏觀形貌及顯微組織如圖9所示。焊縫金屬對母材為過匹配，可以看到，焊縫形貌良好，熔合量、焊偏量等均符合技術(shù)條件要求。鋼管顯微組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，焊縫組織為典型的針狀鐵素體組織，熱影響區(qū)組織為粒狀貝氏體組織。焊接接頭硬度測試結(jié)果見表5。

表5 焊接接頭硬度測試結(jié)果HV10

圖7 1號鋼管系列溫度下焊縫的夏比沖擊功

圖8 焊接接頭硬度分布

圖9 焊接接頭的宏觀照片及各區(qū)域的顯微組織

3 結(jié) 語

為了開發(fā)適用于深海環(huán)境的高應(yīng)變埋弧焊鋼管，進(jìn)行了基于應(yīng)變設(shè)計(jì)管線鋼的開發(fā)和Φ559 mm×31.8 mm鋼管的試生產(chǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）開發(fā)的X70鋼級Φ559 mm×31.8 mm規(guī)格直縫埋弧焊管均勻延伸率合格率偏低，應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）均未達(dá)到預(yù)期，需進(jìn)一步深入分析均勻延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化鋼板成分、組織及性能。

（2）壁厚中心熔合線沖擊功、外焊縫沖擊功偏低，需進(jìn)一步深入研究優(yōu)化焊接材料及工藝。

（3）DWTT試驗(yàn)結(jié)果表明，外側(cè)減薄和兩側(cè)減薄試樣相對于內(nèi)側(cè)減薄試樣的剪切面積百分比低，最小值為82%，但也都達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)值（75%）要求。

（4）鋼板經(jīng)制管后，縱向屈服強(qiáng)度平均升高達(dá)105 MPa，抗拉強(qiáng)度升高達(dá)21 MPa，屈強(qiáng)比平均升高0.14，鋼管熱影響區(qū)軟化率為2.6%～11.2%。綜合來看，1號鋼管的性能優(yōu)于2號鋼管。

（5）下一步將基于本次試制結(jié)果，針對綜合性能較好的1號鋼管，從鋼板成分、制管工藝及焊接工藝等方面進(jìn)一步研究優(yōu)化，提高性能均勻及穩(wěn)定性。