X90钢级大直径螺旋埋弧焊管的研制

2017-10-11孙志刚李建一周书亮谷海龙王海生

焊管 2017年4期

关键词：钢级管体弧焊

陈楠，孙志刚，李建一，周书亮，王洋，谷海龙，王海生

（渤海装备华油钢管公司，河北青县062658）

X90钢级大直径螺旋埋弧焊管的研制

陈楠，孙志刚，李建一，周书亮，王洋，谷海龙，王海生

（渤海装备华油钢管公司，河北青县062658）

为了响应管道建设向高强度、高压力的发展趋势，采用低C、高Mn和Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti合金设计体系和控轧控冷技术，开发出以粒状贝氏体为主，辅之少量板条状贝氏体铁素体的X90管线钢。通过对低应力成型技术及焊接技术等制管工艺的研究，成功开发出X90钢级Φ1 219 mm×16.3 mm超高强度螺旋埋弧焊管。按照标准对该产品进行了组批性能检测，结果显示，钢管管体横向屈服强度625～740 MPa，抗拉强度715～835 MPa，焊缝抗拉强度770～825 MPa；焊接接头最大硬度小于270HV10；-10℃下管体横向平均冲击功大于340 J，热影响区平均冲击功大于197 J，焊缝平均冲击功大于133 J；0℃下管体横向DWTT剪切面积均为100%。结果表明，开发的钢管具有优异的强度、塑性及韧性匹配，焊接性能良好。

螺旋埋弧焊管；X90；超高强度；低应力

Abstract:In response to the trend of high strength，high pressure pipeline construction development requirements，adopting low C，high Mn，Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti alloy design system and controlled rolling and controlled cooling technology，it developed X90 pipeline steel which consists of most granular bainite and less strip bainite ferrite.Through research on low stress forming technology，welding technology and so on，the ultra-high strength X90 steel grade 1 219 mm×16.3 mm SAWH pipe was successfully developed.The group batch performance test was conducted in accordance with relevant technical standard，and the test results showed that the transverse yield strength of pipe body is 625～740 MPa，the tensile strength is 715～835 MPa，the tensile strength of weld seam is 770～825 MPa；the hardness of welded joint is less than 270HV10；the average transverse impact energy of pipe body is higher than 340 J under-10℃，the average impact energy of HAZ is higher than 197 J，the average impact of weld seam is higher than 133 J；and the transverse DWTT shear area of pipe body is 100%under 0℃.It is concluded that the developed steel pipe has excellent strength，plasticity，toughness and toughness matching，the weldability is good.

Key words:SAWH pipe；X90；ultra-high strength；low stress

随着我国能源结构的优化调整和对雾霾治理力度的不断加大，天然气作为高效清洁的能源，市场需求日益增长，如何将天然气安全、经济地输送到消费市场一直是业界关注的焦点之一。为了提高管道输送效率，降低铺设成本，采用更高压力和强度的管道已成为未来天然气长输管道发展的必然选择。目前，我国管线钢使用的最高钢级为X80，而美国、加拿大等国家已成功开发应用了更高钢级的焊管。为进一步挖掘管材潜能，中石油立项开展了 “第三代大输气量天然气管道工程关键技术研究”，其中包括X90超高强度油气管材产品开发[1-3]。

渤海装备华油钢管公司响应管道建设需求，进行了X90钢级Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管的研制，并通过鉴定。本研究重点对X90超高强度热轧卷板成分设计、钢管低应力成型技术、焊接工艺技术研究以及产品实物性能进行了介绍，以期为日后批量工业化生产提供更多的技术支撑。

1 X90超高强度热轧卷板化学成分与显微组织

X90超高强度热轧卷板的技术特征在于高强度、高韧性和优良的可焊性。单炉试制阶段，为保证强度达标，板卷中合金含量整体较高，碳当量Ceq达到0.57%，冷裂纹敏感系数Pcm达到0.22%。较高的Ceq和Pcm保证了高强度要求，但材料的焊接性随之降低，淬硬倾向增大，造成焊缝和热影响区冲击韧性偏低且离散度较大，同时管体硬度偏高。在深入总结单炉试制结果的基础上，优化了X90超高强度热轧卷板小批量试制目标成分设计，化学成分见表1。

表1 X90超高强度热轧卷板化学成分

从表1可以看出，成分设计上采用低C、高Mn和Mo-Cr-Ni-Cu-Nb-Ti合金设计体系。C的质量分数接近超低碳水平，由初期0.052%降至0.044%，Ceq降至0.53%，Pcm降至0.20%，为材料获得良好的可焊性打下了基础。采用高Mn设计，一定程度上弥补了低C固溶强化损失，并且降低了γ-α相变温度，促使奥氏体向针状铁素体/贝氏体转变，提高了钢的韧性；中Nb设计体现在固溶Nb使γ再结晶温度显著提高，可采用较高轧制温度，提高了生产效率，同时Nb具有显著的细化晶粒作用，使钢的低温韧性增加，韧脆转变温度降低；V具有较高的沉淀强化和一定的细化晶粒作用，但对焊缝金属的韧性有不利影响。研究表明，含V钢比含Nb和含Ti钢韧脆转变温度都高，当w（V）＞0.005%时，将使韧脆转变温度升高，结合单炉试制结果最终采用无V成分设计[4]；Mo和Cr是较强的碳化物形成元素，在γ-α相变中能够阻碍元素扩散，使先共析铁素体和珠光体转变曲线右移，从而抑制先共析铁素体的形成与长大，促进奥氏体中温转变，增加钢中针状铁素体/贝氏体的比例，对提高钢的强韧性发挥了重要作用；Ni和Cu是重要的固溶强化元素，Ni可以有效提高钢的低温韧性，Cu可以有效提高钢的抗腐蚀性；严格控制S和P含量，减少成分偏析和带状组织，保证钢材组织的均匀性，避免断口分离等情况的出现。

对开发出的X90管线钢进行了多视域显微组织分析。板材中心未见明显偏析带，带状组织0.5级。夹杂物尺寸、形态控制合理，未见明显夹杂物聚集分布区。金相组织如图1所示，由图1可以看出，X90热轧卷板组织以粒状贝氏体为主，辅之少量的板条形贝氏体铁素体，粒状贝氏体中的M-A呈岛状弥散分布于铁素体基体上，贝氏体铁素体中的M-A呈短棒状沿板条束分布，平均晶粒度达到12级[5]。

图1 X90热轧卷板显微组织

2 制管残余应力控制

低应力成型技术是螺旋埋弧焊管获得较低残余应力（弹复张开量较小或负弹复）的一种成型方法。此次研制的X90钢级Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管实物屈服强度高达625 MPa以上，如果仍采用传统的成型工艺，易造成板边受力不均匀，成型合缝状况差，成型后钢管残余应力较大，对钢管产品质量有较大影响。

为降低钢管残余应力，在成型过程中，2#辊压下采用直线导轨控制方式，适当增加其压下量，形成过变形和负弹复量[6]。基于成型参数数据库的优化修正系数，在调型过程中重新校准各成型辊的位置与角度，使每个辊对钢板的作用力一致，不产生分力，内成型辊角度65°39″，外成型辊角度 66°14″，1#辊包角 20°26″，开档为 125.2 mm，3#辊包角24°42″，开档为 185.4mm，确保了钢管充分的塑性变形，成型后得到较低的残余应力。按照标准要求的试验频次采用切环法现场测量残余应力（如图2所示），所有钢管试样均符合标准要求，且试样环向、轴向及径向尺寸偏差均较小，实现了钢管的柔性成型。

图2 切环法测量试样残余应力

采用日本JFE公司的计算方法对水压前、水压后钢管进行残余应力测算，计算结果见表2和表3。

式中：S—周向残余应力，MPa；

E—杨氏模量，E=2.1×105MPa；

t—钢管平均壁厚，沿钢管圆周方向均布测量3个点，取平均值，mm；

υ—泊松比，υ=0.3；

D—钢管外径，mm；

M1—钢管管段割开前两点间的距离，mm；

M2—钢管管段割开后两点间的距离，mm。

表2 Φ1 219 mm钢管水压前环向残余应力计算结果

表3 Φ1 219 mm钢管水压后环向残余应力计算结果

从表2和表3可以看出，无论是水压前还是水压后，钢管环向开口错开量均较小，都远小于标准要求的90 mm。水压试验前、试验后钢管的环向开口错开量发生了一定的变化，说明采用较高环向应力的水压试验对螺旋埋弧焊管的残余应力分布有一定的影响。水压后钢管周向残余应力平均值约为X90规定最低屈服强度的2%，若与钢管实际屈服强度相比则更低，试制的X90螺旋埋弧焊管整体残余应力控制在较低水平。

3 焊接工艺研究

焊接热影响区是焊接接头相对薄弱的区域，其组织与性能关系到整个焊接接头的质量，是高钢级管线钢焊接工艺研究的重点之一[7]。前期试制中，发现热影响区存在冲击韧性偏低、数据离散的情况，为此专门进行了分析研究。图3是热影响区性能较差试样的内焊热影响区金相组织。从图3可以看出，内焊热影响区疑似有少量马氏体组织出现，后经硬度验证为板条马氏体，而外焊热影响区则未发现类似组织。分析认为，内焊过程中因焊前无预热，冷却速度相对较快，且母材中加入了含量相对较高的Cr、Mo、Mn、Ni等合金元素，淬透性显著提高，二者结合是内焊热影响区形成少量淬硬组织的主要原因。此外，内焊和外焊中均发现有准多边形铁素体组织出现，而这种组织也是在较快冷却速度下形成的，更进一步证明冷却速度相对偏快。热影响区出现的准多边形铁素体不是造成韧性恶化的主要因素，而内焊热影响区出现的少量板条马氏体才是关键所在。该组织在合金含量偏高、焊接热输入偏低（冷却速度偏快）的情况下形成，虽然低碳马氏体板条间的残余奥氏体是一种韧性相，但由于马氏体的过饱和固溶以及较快冷却速度造成的晶格畸变和内应力均使韧性受到损害[8]，当冲击试样刻槽位置接近该区域时，冲击韧性必然较低且离散。

图3 热影响区性能较差试样的金相组织

针对上述问题，一方面在小批量试制阶段适当降低卷板中合金元素含量；另一方面对焊接参数进行优化，在避免奥氏体晶粒过度长大的情况下，适当增大焊接热输入，延缓t8/5冷却时间，防止淬硬组织的出现。选取不同焊接线能量进行了多次匹配试验，根据组织性能确定了最优工艺方案，见表4。

表4 优化工艺参数

工艺调整后，对焊接接头热影响区组织进行了金相分析，结果如图4所示。从图4可看出，主要组织为粒状贝氏体，原奥氏体晶界清晰可见，M-A岛状组织细小且弥散分布。研究指出，裂纹在通过粒状贝氏体时行迹曲折，扩展的平均自由路径减小，消耗能量较大，对裂纹具有阻止作用，即表现为韧性提高[9]。小批量试制中，-10℃热影响区平均夏比冲击功达到了197 J，较标准要求的80 J有较大的安全裕度，表明在该工艺下获得的组织形态赋予了焊接热影响区优良的冲击韧性。

图4 工艺调整后热影响区金相组织

4 钢管产品性能

按标准试验频次要求对工业试制的X90钢级Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管进行了组批力学性能试验。

4.1 拉伸及弯曲性能

距焊缝180°对应管体横向取Φ8.9 mm圆棒试样，在焊接接头取垂直焊缝38.1 mm矩形板状试样进行拉伸试验，试验结果见表5。从表5可看出，管体横向及焊缝强度均符合标准要求[10]，焊缝强度匹配系数适中。对焊缝进行导向弯曲试验，弯心直径185 mm，弯曲角度180°，试验后母材、热影响区和焊缝均未见裂纹或断裂，符合标准要求。

表5 拉伸性能试验结果

4.2 断裂韧性

钢管管体横向、热影响区、焊缝-10℃夏比冲击韧性及0℃管体横向DWTT性能试验结果见表6。从表6可以看出，-10℃下母材、热影响区和焊缝夏比冲击性能远高于标准要求。对管体横向、热影响区、焊缝进行系列温度夏比冲击试验，试验结果如图5所示。从图5可以看出，管体横向FATT50低于-60℃，热影响区FATT50约-50℃，焊缝中心FATT50约-20℃，呈现出了优良的低温韧性；DWTT性能方面，0℃剪切面积均为100%；对管体横向和纵向进行系列温度DWTT试验，FATT85均低于-60℃。