X80级Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁焊管的研发及性能研究*

毕宗岳，黄晓辉，牛 辉，赵红波，牛爱军，包志刚，刘 斌

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁焊管的研发及性能研究*

毕宗岳1,2，黄晓辉1,2，牛 辉1,2，赵红波1,2，牛爱军1,2，包志刚1,2，刘 斌1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

为了实现大直径厚壁焊管的国产化，宝鸡石油钢管有限责任公司联合太钢、首钢、沙钢等多家钢厂经过多轮单炉试制和多轮千吨级试制，成功开发出了国产X80级Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁螺旋/直缝埋弧焊管，并进行了多项性能检测。结果表明，螺旋焊管管体屈服强度574～681 MPa，抗拉强度653～759 MPa，-10℃冲击功平均值373 J；直缝焊管管体屈服强度564～627 MPa，抗拉强度641～694 MPa，-10℃冲击功平均值460 J；螺旋/直缝焊管-5℃下DWTT剪切面积平均值96%。各项性能指标均达到中俄东线X80级Φ1 422 mm×21.4 mm钢管的技术要求，说明我国已经具备了工业化批量生产大直径厚壁焊管的能力。

焊管；X80；大直径；厚壁；螺旋焊管；直缝焊管；国产化

Abstract:In order to realize the localization of large diameter and thick wall welded pipe，after several rounds of single furnace trial production and several rounds of thousand tons trial production，the domestic X80 grade Φ1 422 mm×21.4 mm large diameter thick wall SAWH/SAWL pipe was successfully developed,which conducted by Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan Iron and Steel Co.，Ltd.，Shougang Group，Shashi Iron and Steel Co.，Ltd.，and other steel mills，and a number of performance tests were conducted.The results showed that the yield strength of SAWH pipe body is 574～681 MPa，the tensile strength is 653～759 MPa，the average impact energy is 373 J at-10 ℃.The yield strength of SAWL pipe body is 564 ～627 MPa，the tensile strength is 641～694 MPa，the average impact energy is 460 J at-10 ℃.The average DWTT shear area of SAWH/SAWL pipe is 96%，various performance indicators can meet technical requirements of X80 1 422 mm×21.4 mm steel pipes used for Russia-China Eastern Pipeline，it indicated that China has the ability of industrialized batch production of large diameter thick wall welded pipe.

Key words:welded pipe；X80；large diameter；thick wall；SAWH pipe；SAWL pipe；localization

在满足输量要求条件下，减少管道数量、降低管道建造和运营成本等是急需解决的问题。输气管道的流量与压力成一次方的关系，而与管径成2.5次方的关系[1-3]。西气东输一线采用的钢管为X70级Φ1 016 mm×14.7 mm，输送压力10 MPa，设计输量120×108m3/a，其最高输送能力可达到170×108m3/a。西二线和西三线提高了钢级和管径，采用 X80级 Φ1 219 mm×18.4 mm螺旋焊管，设计压力达12 MPa，设计输量提高到（250～300）×108m3/a[4-6]。 如果采用 X80 级 Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁焊管，系统设计压力12 MPa以上，年输气量可增至450×108m3/a以上，就能更好地适应管道输量快速增长的需要。为了进一步增大单管输量，提高管道建设和运行的经济性，在目前更高钢级管线钢如X90、X100没有工业化应用之前，管径和壁厚的提高对输气量的增加是最为有效的手段。特别是随着近年来国内钢铁冶金企业和制管装备的更新、工艺改进和技术提升，为高强度大直径厚壁管材的生产创造了条件。宝鸡石油钢管有限责任公司联合太钢、首钢、沙钢等多家钢厂经过多轮单炉试制和多轮千吨级试制，成功开发出了国产X80级Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁螺旋/直缝埋弧焊管。

1 板材性能

1.1 化学成分

21.4 mm厚壁X80管线钢要求具有高强度、高韧性、良好的焊接性能和一定的耐蚀能力[7]。考虑到管道环焊对成分的要求，结合国外X80厚壁螺旋钢管低碳当量设计思路，采用低C和Mn-Mo-Cr-Ni系合金设计，并适量添加Nb、Ti和V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，力争将合金元素的作用发挥到极限，确保板材厚度方向组织和力学性能的均匀稳定。在控轧控冷工艺中，进一步加大了冷却速度，提高了较低碳当量下板材的强度[8]。各钢厂21.4 mm厚X80热轧卷板/钢板的化学成分见表1。由表1可见，卷板和钢板的化学成分基本相同，钢板与卷板相比，适当降低了Mo、Ni、Cr和Cu等合金元素的含量。

表1 21.4 mm厚X80热轧卷板/钢板的化学成分

1.2 组织分析

厚壁板材通过加大粗轧变形量和冷却量，进一步优化TMCP工艺，实现了全壁厚组织的均匀控制。21.4 mm厚X80卷板/钢板的金相组织如图1所示。由图1可见，不论卷板、钢板均以AF为主，具有良好的组织均匀性。保证了厚壁X80板材良好的低温韧性，实现了对DWTT性能的有效控制[3-4]。

图1 21.4 mm厚X80热轧卷板/钢板的金相组织

1.3 力学性能

对21.4mm厚X80热轧卷板/钢板在不同条件下进行力学性能试验，其试验结果见表2。拉伸试样取与轧制方向成30°的Φ12.7 mm圆棒试样。

表2 21.4 mm厚X80热轧卷板/钢板不同条件下的力学性能

由表2可以看出，X80厚壁卷板/钢板强度适中，硬度控制良好，-20℃冲击韧性≥337 J，-15℃时DWTTSA≥98%，表明卷板/钢板强韧性控制较好。

2 成型工艺研究

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm直缝焊管通过小步长JCO成型和合适的扩径等工艺，可降低管体的残余应力，提高管体尺寸精度[9-10]。厚壁螺旋焊管通过进一步优化成型工艺和水压工艺，增大成型辊压下量，使钢管塑性变形充分，降低了焊管残余应力，实现了X80级Φ1 422 mm×21.4 mm大直径厚壁螺旋焊管几何尺寸精度的有效控制。

采用环切法对X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝管进行残余应力测试，结果见表3。由表3可见，螺旋管弹复量最大为+20 mm，直缝管弹复量最大为+70 mm，均小于标准要求的+90 mm。为了进一步研究钢管不同部位局部残余应力，采用盲孔法分别对3家螺旋管厂和1家直缝管厂生产的X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管残余应力进行了测试，水压后内外表面环向残余应力测试结果如图2所示。由图2可见，螺旋焊管内外表面环向残余应力在-197～193 MPa波动，直缝焊管内外表面环向残余应力在-65～163 MPa波动。检测结果表明，X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管残余应力值与直缝焊管相当，均小于200 MPa。

表3 21.4 mm厚X80焊管弹复量

图2 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管内外表面环向残余应力

3 焊接工艺研究

为了优化厚壁管线钢焊接工艺参数，研究了焊接热输入线能量对21.4 mm厚X80管线钢热影响区（HAZ）的影响规律[11-12]。采用线能量为5～65 kJ/cm不同焊接热输入进行热模拟试验，试验结果如图3所示。由图3可见，在不同焊接热输入下，HAZ在-20℃温度下冲击韧性随着线能量的增加呈下降趋势，当线能量为45 kJ/cm时HAZ韧性开始显著下降；当线能量为55 kJ/cm时冲击功急剧降到30 J。因此，21.4 mm厚X80管线钢HAZ获得较高韧性的焊接线能量以20～45 kJ/cm为宜。

图3 不同线能量对21.4mm厚X80管线钢HAZ冲击韧性的影响

螺旋管焊接时，前一焊道会受到二次焊道焊接热循环作用而形成二次HAZ[13]，因此对一次HAZ区中最薄弱的粗晶热影响区（CGHAZ）进行不同二次热循环峰值温度的研究。分别在600℃、800℃、1000℃和1200℃条件下进行热模拟试验，结果如图4所示。由图4可以看出，当二次热循环峰值温度在800℃，也就是在α+γ两相区范围时，ICCGHAZ韧性最低，出现脆化。采用扫描电子显微镜（SEM）观察800℃峰值温度下韧性最低试样的微观组织，结果如图5所示。由图5可见，导致ICCGHAZ局部脆化的因素一是晶粒粗化，二是含有粗大项链状的硬脆性M-A组元。

图4 21.4mm厚X80管线钢二次热循环峰值温度下粗晶区冲击韧性

图5 粗晶区SEM照片

通过多种焊材匹配试验，优选出适合21.4 mm厚X80管线钢焊丝、焊剂及焊接参数组合。优选结果表明，BG-H08C焊丝和SJ101H1焊剂匹配时，焊缝韧性稳定，-10℃焊缝冲击功均在100 J以上。

随着焊管壁厚的增加，焊接坡口的变化将直接影响焊接接头力学性能、焊缝组织与焊缝宏观形貌。21.4 mm厚X80管线钢埋弧焊接时，为保证内外焊道的熔深，减小焊缝余高，选择不同的内外坡口及钝边进行焊接试验，结果如图6所示，当内60°/外 60°，钝边在 8～9 mm 时，焊缝及热影响区冲击值较为稳定，且-10℃冲击功均在100 J以上。

图6 －10℃不同坡口形式下冲击试验结果

4 产品性能

4.1 金相组织

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接头的金相组织如图7所示。由图7（a）可见，焊缝熔深、重合量控制较好，内外焊缝表面过渡平滑，焊接过程中焊缝尺寸得到了较好的控制。由图7（a）和图7（b）可见，外焊缝组织为针状铁素体（AF）+粒状贝氏体（B 粒）+多边形铁素体（PF），热影响区（HAZ）组织以B粒为主。X80管线钢管焊缝横断面各位置显微组织均匀细密，保证了厚规格X80管线钢管焊接接头具有一定的强度。

图7 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm埋弧焊管焊接接头金相组织照片

4.2 拉伸性能

在X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝埋弧焊管管体180°横向取Φ12.7 mm圆棒试样进行拉伸试验，结果见表4。由表4可以看出，螺旋焊管管体屈服强度为574～681 MPa，抗拉强度为653～759 MPa，焊接接头抗拉强度≥679 MPa；直缝焊管管体屈服强度564～627 MPa，管体抗拉强度674～694 MPa，焊接接头抗拉强度≥635 MPa，均符合X80钢级管材技术条件要求。

表4 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管的拉伸性能

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管抗拉强度正态分布如图8所示。由图8可见，不论螺旋焊管还是直缝焊管，其屈服强度和抗拉强度值分布合理，均在标准要求的中值附近。

图8 X80级Φ1422 mm×21.4 mm焊管抗拉强度正态分布图

4.3 韧性

对X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝埋弧焊管管体、焊缝及热影响区进行夏比冲击试验和管体DWTT试验，结果见表5。由表5可以看出，X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管在-10℃管母横向冲击功239～476J，焊缝冲击功104～247J，HAZ冲击功102～504J；X80级Φ1422mm×21.4 mm直缝焊管在-10℃下管母横向冲击功234～503 J，焊缝冲击功 110～266 J，HAZ 冲击功 108～459 J。由此可见，X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝焊管管体、焊缝及HAZ冲击性能较高，且均符合相关技术条件的要求。

表5 －10℃下X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管夏比冲击试验结果

对X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝埋弧焊管管体横向进行落锤撕裂试验，因标准不同，在0℃时剪切面积单值为90%～100%，均值99%，符合第三代大输量标准要求的0℃下DWTT单值最小70%、均值最小85%的标准要求；在-5℃时剪切面积单值为86%～100%，平均值94%，也符合较为严格的中俄东线要求的-5℃下DWTT单值最小70%、平均值最小85%的标准要求。

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝埋弧焊管管体在20℃、0℃、-20℃、-40℃和-60℃系列温度下DWTT撕裂试验的剪切面积如图9所示。由图9可见，采用4家钢厂原料生产的厚壁X80焊管FATT85%均低于-20℃，其中A厂螺旋焊管FATT85%为-45℃。卷板制成钢管后，虽然硬化效应带来DWTT性能略有下降，但在-20℃条件下管体仍能获得良好的抗撕裂韧性，且部分管材具有一定余量。

图9 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管系列温度DWTT性能

4.4 硬度

X80级Φ1 422 mm×21.4 mm管体母材焊缝和HAZ硬度测试结果见表6。由表6可见，母材最大硬度271HV10，焊缝硬度最大值279HV10，HAZ硬度最大值278HV10，焊缝最高，HAZ次之，母材最低，均符合相关技术标准要求。

表6 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管焊接接头的硬度

4.5 几何尺寸控制

在X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋焊管生产过程中，利用板边数字定位和激光跟踪等技术，精确控制成型过程中原料递送位置及运行平直度，可有效控制焊管管径和椭圆度等尺寸精度。X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝焊管周长和椭圆度尺寸测量结果见表7。由表7可见，生产的螺旋焊管管体周长变化范围可控制在4 458～4 469 mm，管端周长范围控制在4 462～4 469 mm，椭圆度控制在1.1～6.6 mm。利用JCOE工艺生产的直缝焊管管体周长变化可控制在4 462～4 470 mm，管端周长控制在4 462.5～4 468 mm，椭圆度控制在0～6 mm。因此，通过螺旋/直缝制管过程中各工艺的精确控制，采用4家钢厂进行千吨级试制生产的X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝焊管的椭圆度、周长均符合尺寸精度高的中俄东线的标准要求，特别是螺旋焊管达到了较高的管体几何尺寸控制精度。

表7 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管几何尺寸测量结果

4.6 爆破试验

对X80级Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋/直缝焊管各抽取1根进行静水压爆破试验，试验过程中依据标准要求施加水压压力15.9 MPa，保压10 min，检测结果表明，4家钢厂的4根焊管均未泄露，也未发生变形。对4根焊管继续升压，其爆破失效压力见表8。由表8可见，4根焊管爆破失效压力均大于标准中屈服理论计算值16.7 MPa和最高压力理论计算值18.8 MPa。所有螺旋焊管起爆点均位于管体母材区，然后穿过焊缝后止裂。直缝焊管起爆点位于热影响区域，但是试验所得屈服压力和爆破压力均高于理论计算值。所有爆破口呈100%韧断，为正常失效破坏[14]。

表8 X80级Φ1 422 mm×21.4 mm焊管爆破试验结果

5 结 论

（1）采用低 C和 Mn-Mo-Cr-Ni系合金设计，并适量添加Nb、Ti及V等微合金元素，控制Pcm≤0.21%，通过进一步优化板材TMCP工艺，实现了X80厚壁管材组织和性能的有效控制，开发出了以针状铁素体为主的21.4 mm厚X80热轧卷板和钢板。

（2）通过对厚壁焊管成型、焊接、水压等工艺优化控制，开发出了X80级Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直缝埋弧焊管，各项性能均符合中俄东线等相关标准要求。

（3）采用切环法测得螺旋管弹复量最大为+20 mm，直缝管弹复量最大为+70 mm，采用盲孔法测得螺旋焊管内外表面环向残余应力波动范围在-197～193 MPa，直缝焊管内外表面环向残余应力波动范围在-65～163 MPa，螺旋焊管残余应力值与直缝焊管相当，均小于200 MPa。可见，X80级Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直缝埋弧焊管具有较低的残余应力。

（4）X80级Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直缝埋弧焊管具有较高的几何尺寸精度，可完全满足管道现场全位置自动焊施工要求。

（5）X80级Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直缝埋弧焊管实现了千吨级生产试制，试制产品通过了国家油气管材质检中心和管道局环焊试验检测，表明国内企业完全具备规模化生产高压大输量油气管道用X80级Φ1 422 mm×21.4 mm厚壁螺旋/直缝埋弧钢管的能力。

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Development and Performance Study of X80 Grade Φ1 422 mm×21.4 mm Large Diameter and Thick Wall Welded Pipe

BI Zongyue1,2,HUANG Xiaohui1,2,NIU Hui1,2,ZHAO Hongbo1,2,NIU Aijun1,2,BAO Zhigang1,2,LIU Bin1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi，China)

TE832

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.001

2016-11-06

编辑：谢淑霞

中国石油天然气股份有限公司科技攻关专项，第三代高压大输量油气管道建设关键技术研究课题“Φ1 422 mm X80管线钢管应用技术研究”（项目号2012E-2801-09）。

毕宗岳（1962—），男，博士，教授级高工，长期从事油气管材开发及焊接技术研究工作。