Φ1 524 mm×20.3 mm X90钢级螺旋缝埋弧焊管研发

刘成坤，冉轶杰，彭 彬，李晓龙，肖永成，刘 烨，蒲梦雅

（资阳石油钢管有限公司，四川 资阳 641300）

21世纪以来，随着天然气市场需求的不断增长，在天然气长输管线工程建设的带动下，输送钢管的制造技术突飞猛进，高钢级、厚壁、大直径螺旋缝埋弧焊（SAWH）管在长输管线工程建设中得到了广泛应用［1-2］，在未来10～20年，市场对天然气的需求仍会继续保持快速增长的势头［3-4］。

为了提高管道输量、节省管道建设投资，综合考虑管道工程建设成本和运营经济性及安全可靠性［5］，必然会在增大钢管直径和壁厚、提高钢级、增加输气压力等方面做文章。目前，西气东输三线中段、中俄管线东段等长输管线建设已大量采用了Φ1 219 mm×22 mm和Φ1 422 mm×21.4 mm X80钢级螺旋缝埋弧焊管［6］，促进我国大直径、厚壁、高钢级螺旋缝埋弧焊管的制造技术达到国际先进水平。将要陆续启动的西四线、西五线等工程，采用更高钢级、更大直径和壁厚的SAWH钢管进行高压、大输量、长距离输送已成为我国天然气管道建设的发展趋势［7-12］。

因此，进行Φ1 524 mm X90钢级超大直径螺旋缝焊管研发意义重大［6，13］。自 2016 年以来，针对Φ1 524 mm×20.3 mm X90钢级SAWH钢管开发，资阳石油钢管有限公司（简称资阳钢管公司）和宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院联合国内钢厂，开展了大量的工艺试验研究和检测评价工作，2018年10月在资阳钢管公司Φ1 626 mm螺旋缝焊管生产线上进行了产品试制，试制产品经内部检验、型式试验和第三方评价，各项质量指标均满足产品技术条件要求。

1 X90板卷开发及性能分析

联合国内某钢铁集团公司开展了板厚20.3 mm X90钢级热轧板卷的研究开发，提出可行的板卷合金化思路，采用超低C，低P、S、N，增加Ni、Nb、V、Ti等细晶合金元素成分设计，保证可焊性，通过热机械控轧（TMCP）工艺优化和先进技术的应用，获得了超纯净、细晶组织、高强度、高韧性等性能优良的热轧板卷。对开发出的X90热轧板卷，依据QSY GJX 125—2013《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管用热轧板卷技术条件》要求进行了性能分析、验证。

1.1 板卷几何尺寸

X90钢级热轧板卷尺寸见表1。

1.2 板卷化学成分分析

X90钢级热轧板卷化学成分（质量分数）分析结果见表2。

表1 X90钢级热轧板卷尺寸

表2 X90钢级热轧板卷化学成分（质量分数）分析结果%

1.3 板卷力学性能

1.3.1 拉伸性能

X90钢级热轧板卷拉伸性能试验结果见表3。卷板中部的屈服强度、抗拉强度略低于头部和尾部，卷板屈服强度分布在669～736 MPa，平均值695 MPa，接近标准中限值700 MPa，考虑包辛格效应，制管后母管的屈服强度将有所下降，预留了约40 MPa的影响量；抗拉强度分布在760～802 MPa，平均值784 MPa，小于标准中限值约25 MPa，在合理范围；屈强比为0.87～0.92；伸长率为21%～25%。可见，板卷拉伸性能各项指标数据相对集中、性能稳定。

表3 X90钢级热轧板卷拉伸性能试验结果

1.3.2 夏比冲击试验

X90钢级热轧板卷-20℃夏比冲击试验结果见表4。试验结果显示，X90钢级热轧板卷-20℃夏比冲击吸收功集中在317～359 J，断口剪切面积百分比均为100%，卷板头、中、尾部低温冲击性能指 标趋同、稳定、良好。

表4 X90钢级热轧板卷-20℃夏比冲击试验结果

1.3.3 落锤撕裂试验

X90钢级热轧板卷-15℃落锤撕裂试验（DWTT）结果见表5。

表5 X90钢级热轧板卷-15℃落锤撕裂试验结果

试验结果显示，X90钢级热轧板卷头、尾部断口剪切面积百分比最小值分别为88%、91%，头、尾部平均值91%，虽满足了技术条件要求，但出现了一定幅度的波动。落锤撕裂试验结果能否稳定达标是厚壁、X90钢级热轧板卷开发的难点之一，特别是卷板头、尾部位达标难度更大，为以后进一步优化卷板性能指明了方向。

1.3.4 导向弯曲试验

X90钢级热轧板卷导向弯曲试样的拉伸面上未出现目视可见的裂纹，导向弯曲试验结果满足QSY GJX 125—2013标准要求。

1.3.5 硬度试验

X90钢级热轧板卷横向维氏硬度测试点分布如图1所示，维氏硬度试验结果见表6。

图1 板卷横向维氏硬度测试点分布示意

表6 X90钢级热轧板卷维氏硬度试验结果 HV10

从表6可以看出，板卷头部硬度值为230～262 HV10，平均值247 HV10；中部为224～268 HV10，平均值248 HV10；尾部为237～265 HV10，平均值254 HV10；板卷的头、中、尾部的维氏硬度值数据集中、稳定。

1.3.6 金相检验

X90钢级热轧板卷金相检验结果见表7。板卷显微组织如图2～3所示。

以上的性能分析结果显示：X90钢级板卷的所有性能指标完全满足“板卷技术条件”要求。

2 钢管制造工艺设计开发及产品试制

2.1 钢管制造工艺设计开发

工艺设计依据QSY GJX 124—2013《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管技术条件》，钢管规格 Φ1 524 mm×20.3 mm×8～12 m，钢级 X90，板卷公称宽度1 650 mm。

2.1.1 成型工艺设计

成型方式采用三辊弯板、排辊外控、上卷左螺旋MEG成型。

成型主要工艺参数有：板卷工作宽度1 640 mm±0.5 mm，成型角 69°41′，内压辊角度 69°23′，外控辊角度69°58′，螺距长度1 749 mm，调型理论圆直径控制在1 520～1 522 mm。

表7 X90钢级热轧板卷金相检验结果

图2 板卷显微组织

图3 板卷带状组织

三辊弯板机按过压弯曲设计，成型残余应力采用切环法检测，钢管切口张开间距控制在-30～70 mm（“钢管技术条件”要求≤90 mm）。

成型控制的主要质量指标有：管端外径允许偏差-0.5～+2.0 mm；两端平均直径之差≤2.0 mm；管体直径允许偏差-1.83～+4.00 mm；成型缝错边管端≤1.6 mm，管体≤2.0 mm；管端椭圆度允许偏差≤0.6%D，管体椭圆度允许偏差≤1.2%D；钢管全长直度偏差≤钢管长度的0.2%，局部≤3.0 mm/m；成型缝“噘嘴”量≤1.5 mm。

2.1.2 焊接工艺设计

一步法焊接方式，内外焊接均采用双丝埋弧自动焊，前丝直流、后丝交流，先内焊、后外焊，内外焊工位间隔1.5个螺距，内焊点接近6点钟位置，外焊点接近12点钟位置。

焊材匹配：内外焊的1、2号焊丝均采用Φ4.0 mm高强度合金埋弧焊丝，与母材等强度匹配，焊剂采用高韧性高速烧结埋弧焊剂。

焊缝设计：充分考虑壁厚和焊接熔池中焊丝金属与母材合适的熔合比、兼顾低线能量输入原则下的焊接参数优化［14］，结合避免焊接夹杂、气孔、未焊透缺陷的产生，通过反复的焊接试验、对比分析，确定焊缝采用X型坡口，上下坡口角度均采用小角度、钝边尺寸为壁厚的一半，上、下坡口的深度比约为3∶2。

主要焊接参数：依据低线能量输入原则，结合焊缝设计和壁厚，兼顾焊缝外观质量和避免产生内部焊接缺陷，焊接速度变化控制在±0.05 m/min，匹配适宜的焊接电流和电压。

焊接控制的主要质量指标：内外焊道熔合量≥1.5 mm，内外焊道中心偏离量≤3.0 mm，内焊缝余高≤3.0 mm，外焊缝余高≤2.5 mm，还包括焊缝的一系列力学性能指标。

2.2 产品试制及检验

2018年10月，在Φ1 626 mm螺旋缝焊管生产线上进行了产品试制，试制过程中，生产正常，成型、焊接质量稳定，焊接接头性能优良，解决了厚壁、高钢级钢管生产中常见的焊缝及HAZ低温冲击韧性不稳定的问题［15］。对试制产品按“钢管技术条件”进行了外观检验、X射线检验、超声波探伤、水压试验等在线检验，并在检验合格的钢管上截取试验，按“钢管技术条件”要求进行了试验，重点对钢管形体尺寸、外观质量、化学成分、力学性能等进行了检测试验，同时进行了X射线、超声波等无损检验，检验结果显示钢管各项指标完全满足“钢管技术条件”要求。

3 试制产品评价

在试制产品内部检验合格的前提下，截取样品送第三方检验机构按QSY GJX 124—2013进行了质量评价，评价结果如下。

3.1 拉伸性能试验

X90钢级螺旋缝埋弧焊管拉伸试验结果见表8。管体横向屈服强度639～736 MPa、平均值685 MPa，与卷板平均值比下降约10 MPa，包辛格效应影响较小，这与后续水压试验加工强化有关；管体横向抗拉强度730～802 MPa、平均值772 MPa，与卷板平均值784 MPa比，微量下降、变化不明显，且在合理范围。屈强比0.87～0.92，平均值0.89；伸长率21%～25%，平均值22.9%，与卷板比均无明显变化。可见，X90钢级螺旋缝埋弧焊管的拉伸性能各项指标数据集中、性能稳定。

表8 X90钢级螺旋缝埋弧焊管拉伸试验结果

3.2 导向弯曲试验

技术条件中，对焊接接头导向弯曲试验要求不允许存在下列任一情况：①试样完全断裂；②在焊缝金属处出现任何长度大于3.2 mm的裂纹或断裂，无论深度如何；③在母材金属、热影响区或熔合线处出现任何长度大于3.2 mm或深度大于规定壁厚12.5%（即2.53 mm）的裂纹或断裂。

导向弯曲试样取自板卷头、中、尾部生产钢管的焊接接头横向，试样规格500 mm×38 mm×20.3 mm，弯轴直径145 mm，面弯、背弯180°，试验结果显示所有试样均未出现裂纹等。

3.3 夏比冲击试验

X90钢级螺旋缝埋弧焊管-10℃夏比冲击韧性试验结果见表9。

表9 X90钢级螺旋缝埋弧焊管-10℃夏比冲击韧性试验结果

X90钢级螺旋缝埋弧焊管管体横向的冲击功在316～358 J，数据集中，且远高于相关技术条件要求，剪切面积百分比均为100%，焊缝及热影响区的冲击功也均远高于技术条件要求，钢管具有良好的低温韧性。

X90钢级螺旋缝埋弧焊管管体、焊缝、热影响区的0，-10，-20，-30，-45，-60℃系列温度夏比冲击试验结果显示：管体纵向、横向的低温脆性转变温度FATT50CVN低于-60℃，如图4～5所示；焊缝的FATT50CVN约为-60℃，如图6所示；热影响区的FATT50CVN约为-23℃，如图7所示。通过系列温度夏比冲击试验，证明钢管具有良好的低温冲击韧性，韧-脆转变温度极低，管体达到了-60℃以下、焊缝约为-60℃、热影响区约为-23℃。

图5 管体横向冲击韧性系列温度转变曲线

图6 焊缝冲击韧性系列温度转变曲线

3.4 落锤撕裂试验

X90钢级螺旋缝埋弧焊管的-5℃落锤撕裂试验结果显示，管体横向断口剪切面积百分比SA均为100%，满足钢管断口剪切面积百分比SA单个值≥70%、平均值≥85%的技术条件要求。

图7 热影响区冲击韧性系列温度转变曲线

进行X90钢级螺旋缝埋弧焊管管体纵向、管体横向的0，-5，-15，-30，-45℃系列温度落锤撕裂试验。结果显示：管体纵向低温脆性转变温度FATT85DWTT（试样断口剪切面积百分比低于85%且开始急剧下降的温度点，即韧-脆转变温度的拐点）约为-15℃；管体横向FATT85DWTT约为-30℃，如图8所示。

图8 管体DWTT剪切面积系列温度转变曲线

管体落锤撕裂试验结果能否达标是高钢级X90钢级厚壁螺旋缝焊管开发的难点及需要突破的关键技术之一。-5℃时，管体纵向、横向的断口剪切面积百分比均为100%，说明具有优良的DWTT性能。从图8来看，管体纵向试样在约-15℃时断口剪切面积百分比开始低于85%且明显下降，管体横向试样在-30℃时断口剪切面积百分比开始低于85%且明显下降。

3.5 硬度试验

管体母材维氏硬度测试点分布与板卷的相同（图1），管体母材维氏硬度试验结果见表10。焊接接头维氏硬度测试点分布如图9所示，焊接接头维氏硬度试验结果见表11。

卷板头、中、尾部制管后焊接接头维氏硬度值216～278 HV10，平均值237 HV10，数据集中、与技术条件指标比余量较大，比制管前卷板的硬度低，验证了焊接工艺设计的合理性。

3.6 金相分析

焊接接头金相检验结果见表12，低倍宏观形貌如图10所示，焊缝区未见宏观焊接缺陷；焊缝显微组织如图11所示。焊接接头熔合区及细晶区的显微组织如图12～13所示。

表10 管体母材维氏硬度试验结果 HV10

图9 焊接接头维氏硬度测试点分布示意

3.7 水压爆破试验

Φ1 524 mm×20.3 mm×11.7 m X90钢级螺旋缝埋弧焊管水压爆破试验结果见表13。数据显示满足QSY GJX 124—2013要求的钢管实际爆破压力值≥理论爆破压力值的技术条件要求。

表11 焊接接头维氏硬度试验结果 HV10

表12 焊接接头金相检验结果

图10 焊接接头宏观形貌

图11 焊缝显微组织

3.8 试制产品评价

试制产品严格按钢管技术条件进行了拉伸、导向弯曲、夏比冲击、落锤撕裂、硬度、焊接接头宏观形貌、金相组织、水压爆破等一系列的检验与试验，结果显示：试制产品各项质量指标完全满足“钢管技术条件”要求，试制产品合格。

图12 焊接接头熔合区显微组织

图13 焊接接头细晶区显微组织

表13 水压爆破试验结果 MPa

4 结 语

通过Φ1 524 mm×20.3 mm X90钢级螺旋缝埋弧焊管研发试制，在大直径厚壁高钢级SAWH钢管制造方面取得了突破。

（1）联合国内钢铁公司提出了制管用热轧板卷的合金化思路，采用超低C，低P、S、N，增加Ni、Nb、V、Ti等细晶合金元素成分设计，通过优化控制轧制工艺，获得了超纯净、高强度、高韧性、性能良好的热轧板卷。

（2）开发出了钢管制造工艺技术，重点优化设计了制管成型及焊接工艺，成型采用三辊弯板过压弯曲设计，有效控制成型残余应力，合理匹配焊接材料、坡口钝边、焊接速度、电流电压等工艺参数，保持焊接熔池中焊丝与母材金属合适的比例，遵循焊接“低线能量输入”原则，获得了性能优良的焊接接头，有效解决了类似产品生产中常见的焊缝及HAZ低温冲击韧性指标数据不集中、离散度大、性能不稳定的问题。

（3） 研制出的Φ1 524 mm×20.3 mm X90钢级螺旋缝埋弧焊管各项质量指标完全满足产品技术条件要求。目前，资阳钢管公司已具备了批量生产该产品的条件；且该产品的成功研发也为以后超大直径、更高钢级的厚壁SAWH钢管研制开发奠定了基础，提供了工艺设计参考。

（4）下一步改进方向：一是板卷头部及尾部横向DWTT试验结果显示，断口剪切面积百分比指标数据较分散、不集中，其稳定性需进一步提升；二是要加强高钢级厚壁管线钢“由板卷到钢管”的包辛格效应研究，摸索其变化趋势及规律，以精准指导产品研发和批量生产。