扩径率对直缝埋弧焊管拉伸性能的影响

李为卫，赵元雷，吉玲康

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安710077）

扩径率对直缝埋弧焊管拉伸性能的影响

李为卫1,2，赵元雷1,2，吉玲康1,2

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安710077）

为了提高油气输送管道用直缝埋弧焊管拉伸性能的合格率和性能稳定性，利用扩径率对屈服强度有显著影响这一规律，采用信息系统和数理统计分析方法，提出一种制管技术方案和实现方式。并通过实例验证了该技术方案的可行性。验证结果表明，在实际生产中可通过建立焊管拉伸性能与扩径率数据库的函数关式，针对每批原料选择不同的扩径率，实现焊管拉伸性能的准确控制。目前，该技术已申请发明专利（ZL 201310202717.X）。

焊管；直缝埋弧焊管；扩径率；拉伸性能；波动范围

油气管道建设需要大量高性能的管线管，目前高压、大直径、大输量油气管道使用的钢管大多为X70或X80直缝埋弧焊（SAWL）管。我国大直径直缝埋弧焊管技术及装备已处于国际水平，有的甚至达到国际领先水平，但钢管质量及稳定性与国外先进国家的钢管质量还有一定差距[1-3]。随着管道服役条件要求更加严酷，对管线钢管的性能要求更高、更全面，如何通过现代化的信息系统提高管线钢和钢管制造厂的质量保证能力，满足管道项目规范要求，是取得重要管道项目客户信赖的关键条件。现代化制管过程采用过程自动化、信息化控制技术，可以做到针对每一根钢管对扩径率进行实时跟踪和控制[4-5]。

本研究提出了一种制管工艺技术，针对不同钢厂、不同合金体系和不同轧制工艺的原材料，通过测量和分析原材料、焊管拉伸性能与扩径率的相关性，建立相关函数关系，制管过程中针对每批焊管原材料选择不同的扩径率，实现焊管拉伸性能的准确控制，提高油气管道用焊管的质量。

1 焊管生产中出现的拉伸性能问题

拉伸性能是管线钢管最基本、最主要的性能，是制管过程中必须严格控制的性能之一。张伟福[6]对川气东送工程国产化大直径X70级Φ1 016mm×21mm厚壁直缝埋弧焊管与国外同类钢管进行对比分析，指出国产焊管的拉伸性能接近西气东输一线进口的同类焊管水平，川气东送国产化焊管母材的屈服强度均值为556 MPa，高于西气东输一线进口的同类焊管的538 MPa，但其母材屈服强度最小值在标准规定的下限值，屈服强度波动相对较大。这是交货焊管的统计分析，但实际生产中有许多焊管的屈服强度因低于标准要求而报废。西气东输二线用X80级Φ1 219mm×22mm直缝埋弧焊管试制过程中，一个主要的问题就是焊管的屈强比偏高（有的高达0.99），远超过API SPEC 5L标准要求（≤0.92），虽然经过各种调试，屈强比有所下降，但仍然达不到API SPEC 5L标准要求，使得该工程技术条件的屈强比不得已降低至低于API标准要求，但批量生产过程中仍有许多焊管的屈强比超出工程技术条件要求而报废。西气东输二线X80直缝埋弧焊管大批量生产中焊管屈服强度数据分布带宽130 MPa，而国产焊管的屈服强度分布在565～755 MPa之间，焊管屈服强度数据分布带宽190 MPa，控制范围明显增大[7]。

综合分析资料表明，西气东输、陕京二线、川气东送等天然气管道工程用X70直缝埋弧焊管生产过程中均出现屈服强度低于标准要求的下限，X80直缝埋弧焊管生产过程中经常产生屈服强度偏高、屈强比超出标准上限（≤0.93）的情况，造成焊管报废。另外，分析国内外直缝埋弧焊管的质量差异，国产焊管主要是屈服强度分散性大，性能不稳定，给管道的现场焊接强度匹配和安全运行带来不利影响。

2 扩径率对焊管强度的影响

扩径是直缝埋弧焊管制造过程中的重要工序，扩径技术是大直径直缝焊管制造的核心技术，其发展程度直接决定着我国的制管技术水平[8]。形变强化是金属材料的一般规律，对X80高强度管线钢尤其明显，国内外进行了大量的研究，1%左右的形变就可使焊管的屈服强度产生显著的升高。韩秀林等[9]系统研究了扩径率对X80焊管强度的影响规律（见表1和表2），并得出结论：扩径率对X80直缝焊管外观尺寸、拉伸性能的影响较大；焊管屈服强度基本随着扩径率的增加而增加，但扩径率对抗拉强度的影响不大。

表1 不同扩径率下焊管屈服强度的增加值

表2 不同扩径率下焊管的拉伸性能

高强度埋弧焊管经常出现屈服强度、屈强比不合格，且数据分布比较分散的问题，其主要原因是制管用钢板的屈服强度波动范围较大，而制管厂制管过程采用单一的制管工艺参数（主要是板宽加工和扩径率）。造成直缝埋弧焊管屈强比超标的主要原因有钢板拉伸性能波动和制管时的扩径率。钢板拉伸性能的波动是客观存在的，波动大小与钢厂的冶炼和轧制水平有关。

范利锋等[8]提出了建议：收集管线钢材料性能数据，运用统计学方法分析其波动性及其对管坯形状和工艺参数的影响，建立起对应不同规格管坯扩径工艺参数的数据库。对直缝埋弧焊管而言，ISO和API以及国家标准要求的扩径率均为0.3%～1.5%，实际生产中一般控制在0.6%～1.3%，在该范围尺寸变化不大且可以满足标准要求，而这个变化范围对焊管的拉伸性能影响很大，文献[10]指出扩径率控制在0.8%～1.5%为最佳。文献[9]研究表明，当扩径率在0.8%～1.2%范围内变化时，能使X80焊管达到较合适的外观尺寸，且变化不大，既保证了焊管的外观尺寸精度，又很好地控制了扩径后焊管屈服强度和屈强比的上升幅度。因此，可以利用扩径率变化对焊管拉伸性能的影响规律，根据不同原材料屈服强度选择不同的扩径率，从而控制焊管的拉伸屈服强度和屈强比。

3 提高焊管拉伸性能的技术

关于高钢级管线钢管拉伸性能及其影响因素，尤其是形变和扩径率对直缝埋弧焊管拉伸性能的影响规律，国内外进行了大量的研究，对提高焊管拉伸性能起到了很好的作用。但现有研究成果的应用仅限于批量确定原材料钢板的内控指标和焊管的加工参数，没有提出针对不同钢厂、不同合金体系、不同炉批钢板进行的个性化控制，因而经常出现焊管拉伸性能不合格、且波动范围较大的情况。根据上述扩径率对焊管拉伸强度的影响规律，提出一套技术方案，利用准确的试验分析技术，精密的变形控制和加工技术，以自动化、信息化为手段，个性化生产每根焊管，以提高合格率和质量。

3.1 技术方案

（1）对某钢厂供应的钢板进行试验分析，或者利用现有生产数据进行统计分析，在成型工艺不变的情况下，分析扩径率变化（从0.6%～1.3%）对材料屈服强度、抗拉强度和屈强比的影响规律。找出焊管屈服强度（Rsg）、钢板屈服强度（Rsb）与扩径率（Sr）的函数关系，即

（2）借助原材料入厂检验时的强度数据，针对每炉批钢板，确定目标屈服强度，再利用式（1）针对性计算扩径率Sr，最后依据扩径率Sr确定板边加工量。

（3）制管过程中，建立每张钢板的跟踪编码，输入加工信息，进行实时跟踪和控制，按确定的工艺参数进行制管。

（4）对焊管实物进行拉伸性能检测，分析性能指标的优劣，并反馈循环，优化板边加工量和扩径率，保证焊管的性能指标满足订货技术条件要求，提高焊管性能的稳定性。

该制备直缝埋弧焊管的技术方案，利用扩径率变化对焊管屈服强度的影响规律，根据不同原料钢板的屈服强度选择不同的扩径率，从而控制焊管的屈服强度和屈强比。针对不同钢厂、不同合金体系和不同轧制工艺的原料钢板，通过测量和分析原料钢板、焊管的拉伸性能与扩径率的相关性，建立起相关的函数关系，在制管过程中针对每批原料选择不同的扩径率，从而实现焊管拉伸性能的准确控制，提高合格率，减小波动范围，解决了现有技术中X80直缝埋弧焊管经常出现的屈服强度不稳定的技术问题。

3.2 实际应用

某钢管企业为西气东输二线生产X80级Φ1 219mm×22mm直缝埋弧焊管，采用某钢厂某炉批屈服强度585 MPa、抗拉强度680 MPa、屈强比0.86的钢板，采用扩径率1.3%的工艺制成焊管。随后测定焊管的性能参数，屈服强度670 MPa，抗拉强度705 MPa，屈强比0.95。其中屈强比超出了标准要求（≤0.93）。改进制管工艺，减少板边加工量19mm，即增加加工后的实际板宽19mm，制管时扩径率降为0.8%，制成焊管后的屈服强度为640 MPa，抗拉强度为695 MPa，屈强比为0.92，满足了标准要求。

与上述情况相反，某炉批钢板的屈服强度为510 MPa，抗拉强度为595 MPa，屈强比0.87，采用扩径率为0.8%的工艺制成焊管。随后测定焊管的性能参数，屈服强度为545 MPa，抗拉强度为610 MPa，屈强比为0.89。其中，屈服强度低于标准要求（≥555 MPa），抗拉强度低于标准要求（≥620 MPa）。改进制管工艺，增加板边加工量16mm，即减少加工后的实际板宽16mm，制管时扩径率增大为1.2%，制成焊管后的屈服强度为575 MPa，抗拉强度为625 MPa，屈强比为0.92，满足了标准要求。

该示例表明，在实际生产过程中，可以通过数据统计分析，建立焊管拉伸性能与扩径率数据库和函数公式，精确控制每炉批焊管的扩径率，控制材料的变形量及屈服强度的变化范围，从而减小焊管屈服强度和屈强比的波动，提高焊管拉伸性能的稳定性。

4 结 论

（1）对高强度直缝埋弧焊管出现屈服强度偏低、屈强比偏高导致的不合格以及屈服强度波动范围偏大的问题，应该引起足够的重视。

（2）扩径率对高强度直缝埋弧焊管的屈服强度和屈强比有显著影响，通过控制焊管扩径率可以实现精确控制焊管的拉伸性能，减少不合格以及波动范围，提高焊管质量稳定性。

（3）对于具体的原材料，通过测量和分析原材料、焊管的拉伸性能与扩径率的相关性，建立相关函数关系，针对每批原材料选择不同的扩径率，实现焊管拉伸性能的准确控制。现代制管过程的自动化、信息化技术为焊管拉伸性能的精确控制提供了工艺上的可行性。

（4）该技术已申请发明专利（ZL201310202717.X），目前仅限于技术方案，需要在具体实施中进一步完善，希望能与制管企业共同开发、应用，提高国产高强度管线钢管的质量水平。

[1]李鹤林，吉玲康，田伟.高钢级钢管和高压输送:我国油气输送管道的重大技术进步[J].中国工程科学，2010，12（5）：84-90.

[2]侯帅，张海军，兰兴昌.大口径直缝埋弧焊管生产技术与装备的新进展[J].钢管，2009，38（1）：46-52.

[3]李为卫，左晨.国外大直径焊接钢管制造技术[J].现代焊接，2007（10）：23-26.

[4]黄志潜.加速石油机械制造业信息化实现跨越式发展（一）[J].石油机械，2010，28（10）：1-5.

[5]王晓香.以焊管装备技术进步推动焊管产业可持续发展[J].钢管，2012，41（5）：1-5.

[6]张伟福，高建忠，李云龙，等.川气东送大口径厚壁直缝埋弧焊管国产化国内外对比[J].石油工业技术监督，2011（4）：51-52.

[7]马秋荣，陈宏达，王海涛.西气东输二线用 X80级Φ1 219mm×22.0mm直缝埋弧焊管质量分[J].焊管，2013，36 （1）：14-19.

[8]范利锋，高颖，李强，等.大口径直缝焊管机械扩径工艺的研究进展[J].重型机械，2011（5）：1-5.

[9]韩秀林，李国鹏，张丽娜，等.X80直缝埋弧焊管制管前后拉伸性能的变化[J].焊管，2012，35（3）：19-23.

[10]肖曙红.管线用直缝焊管机械扩径及其影响因素研究[J].石油机械，2007，35（3）：1-4.

Effect of Expansion Rate on Tensile Performance of Longitudinal Submerged Arc Welded Pipe

LI Weiwei1,2,ZHAO Yuanlei1,2,JI Lingkang1,2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China；2.State Key Laboratory for Oil Tubular Goods Equipment Material Service Behavior and Structural Safety,Xi’an 710077，China）

In order to improve the qualified rate and performance stability of tensile performance of longitudinal submerged arc welded pipe which used for oil and gas transportation,according to the rule that the expansion rate significantly affects the yield strength,adopting information system and mathematical statistic analysis method,a kind of pipe manufacturing technical scheme and implementation was put forward,and the feasibility of this technology scheme was verified by examples.The results indicated that in actual production,it can built function relation between tensile performance and expansion rate database,selecting different expansion rate according to each batch raw material,to realize accurate control for welded pipe tensile performance.This technology has applied for a patent（ZL 201310202717.X）.

welded pipe;SAWL pipe;expansion rate;tensile performance;fluctuation range

TE973 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.009

李为卫（1965—），男，硕士研究生，高级工程师，1988年毕业于西安交通大学焊接专业，现主要从事油气输送管材料及焊接研究工作。

2015-11-23

罗 刚