中俄东线工程用Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管研发

2020-09-03巩忠旺赵志伟陈跃华杜国强白福良

钢管 2020年3期

巩忠旺，赵志伟，陈跃华，杜国强，白福良

（巨龙钢管有限公司，河北青县 062658）

中俄东线天然气管道工程（简称中俄东线工程）是我国继西气东输及中缅管线后又一重大高压长输管道工程，是我国规划建设的四大能源通道的重要构成部分［1］，也是中国石油天然气集团公司规划中的第三代大输量天然气输送管道［2］；其干线设计应用Φ1 422 mm X80钢级钢管，管径和壁厚较西气东输二线及三线都有很大提升。与上述干线连接的线路及站场用弯管，其规格同样为Φ1 422 mm X80钢级，特别是黑河-长岭段站场用弯管设计为裸露服役，取消了传统的保温伴热等措施，弯管最低服役环境温度为-45℃。现主要介绍该Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管的研发过程。

1 研发过程

1.1 总体研发方案

巨龙钢管有限公司为了研发出符合中俄东线工程标准要求的Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管产品，设计了“钢板化学成分→低温焊接材料及焊接工艺→母管制造工艺→弯管成型及热处理工艺”研究方案，并按照预定的方案展开了系列工作。

1.2 弯管母管化学成分研究

先后选择国内外多个钢厂生产的X80钢级（或相当于X80钢级）钢板，通过热模拟试验研究化学成分与机械性能之间的关系，并在此基础上初步设计钢板化学成分及合金体系。经过两轮试制发现：Mn、Nb含量较高，增加了厚壁弯管的淬透性和强度。但Mn含量过高容易导致钢的过热敏感性和回火脆性增加，使冲击性能下降；且Mn含量较高时，钢在奥氏体时的变形阻力加大，不利于弯管的成型。Nb虽然具有细化晶粒和弥散强化的作用，但含量太高对钢的强化贡献将不再显著，形成碳化物时反而会影响钢的淬透性。在第3轮试制时，适当降低Mn、Nb等合金元素含量，通过增加Mo和Ni的含量提高厚壁弯管的淬透性和回火稳定性；适当增加V含量，以提高弯管在回火时的析出强化性能。3轮试制母管主要化学成分对比见表1。

表1 3轮试制母管主要化学成分（质量分数）对比 %

通过多轮研究，优化确定了钢板化学成分的控制目标值，同时与钢厂协商，要求其严格控制轧制工艺，保证原始钢板具有很细的晶粒。

1.3 弯管母管制造工艺研究

与普通钢管相比，弯管的母管在强度、壁厚、合金含量等方面均有较大提高，焊接难度加大［3］。前期试制时，母管焊缝受热后，晶粒明显粗化，出现较多的大尺寸多边形铁素体及贝氏体。焊缝的这种组织形态会造成冲击试验时焊缝的断裂单元大，断口形貌较平，裂纹扩展阻碍小，从而导致冲击试验不合格［4］。这是因为制造母管时为了保证焊缝金属填充量和焊接速度，焊接热输入量较大，导致焊缝中存在柱状晶或局部大晶粒；弯管热成型过程中，大尺寸晶粒会随温度升高而在局部迅速长大。

通过大量模拟试验，设计开发出了专用低温焊丝，采取三丝焊工艺，并将其与某品牌焊丝搭配使用（1号和3号为专用焊丝，2号为某品牌焊丝），另外合理配比使用一些低Mn高碱度的焊剂。为保证焊缝整体化学成分和性能均匀一致，内焊完成后，将预焊焊缝及钝边通过特殊处理方式彻底清除，然后再采取与内焊相同方式进行外焊，同时在保证焊缝形貌及熔合要求的基础上调整焊接坡口形式，优化焊接参数，控制焊接线能量。通过以上措施，细化了焊缝组织，有效改善了焊缝和热影响区的强度和韧性，使其组织成分适用于后期的弯管热处理。焊接热影响区是整个焊接接头最薄弱的地带，钢板强度水平越高，焊接后热影响区的软化现象就越明显。根据低强匹配的原则，合理调整钢板强度，使焊接热影响区的强度同焊缝基本接近，改善了焊缝热影响区在扩径、冷弯试验中的受力情况。不同焊接工艺下母管焊缝性能及组织见表2和图1所示。

表2 不同焊接工艺下母管焊缝性能及组织

图1 不同焊接工艺下母管焊缝金相组织

1.4 弯管煨制工艺研究

试制前，加热线圈的椭圆度控制在4 mm以内，同时严格控制加热线圈与母管间隙的均匀性；另外，调整中频感应加热设备二次电容器布局，提高中频感应加热的透射厚度，尽量降低弯管壁厚截面上的温度梯度。

1.4.1 确定中频感应加热温度

弯管的生产工艺是一个闭环系统，采取控制变量法研究弯管的煨制工艺。首先，初步设定弯制速度及冷却水压力，进行系列温度煨制试验，以确定最佳的加热温度。弯制温度与弯管理化性能曲线如图2所示。

图2 弯制温度与弯管理化性能曲线

由图2可知，随着感应加热温度的升高，弯管管体的强度逐渐增大；煨制温度高于T4时，管体强度满足X80钢级弯管的技术要求。弯管的-45℃冲击性能在加热温度小于T4时维持在较高的水平，基本没有变化。这说明在T4以下温度试验时，随着煨制温度升高，组织奥氏体化也越来越充分，奥氏体晶粒度随温度升高变化不明显，奥氏体组织经过淬火+回火热处理转变为贝氏体组织。加热温度高于T4时，奥氏体晶粒度开始明显变化，低温冲击性能逐渐降低。弯制温度高于T5时，奥氏体晶粒迅速长大，晶粒粗大导致冲击性能迅速下降，温度T6时冲击性能已经不能满足X80钢级弯管的技术要求。因此，要获得满足相关标准要求的力学性能，煨制温度应控制在T4～T5。

1.4.2 确定冷却水压力

采用与确定感应加热温度相同的研究方法，确定冷却水压力。煨制温度选定T5，煨制速度选定V，调整冷却水压力。冷却水压力与弯管理化性能曲线如图3所示。

图3 冷却水压力与弯管理化性能曲线

从图3可以看出，弯管强度随水压升高逐渐增大。冷却水压力高于P5时，管体强度满足X80钢级弯管的技术要求，而压力从P6升高到P7时，弯管强度反而有小幅度的下降。原因是：冷却水压力低于P5时，由于冷却能力不够导致淬透效果偏低，有较多的残余奥氏体存在，导致强度偏低；压力高于P5时，冷却能力已经满足弯管淬火需求；压力高于P6时，由于水压过大导致冷却水喷淋到管体表面时向加热带的返水增多，一定程度上降低了加热温度，导致弯管强度反而有小幅度的下降。因此，要获得满足相关标准要求的力学性能，宜控制冷却水压力在 P5～P6。1.4.3确定煨制速度

煨制温度选定T5，冷却水压力选定P6，进行煨制速度试验。通过多次试验，发现煨制速度对弯管的力学性能影响不大，煨制速度在V2～V6时，均能得到满意的弯管力学性能和几何尺寸。综合考虑弯管机组的中频感应加热能力、负荷能力及生产效率需要，最终确定煨制速度V5。

1.5 弯管回火热处理工艺研究

在确定弯管煨制成型工艺后，煨制了一根完整弯管，并进行系列温度的回火热处理工艺研究。回火热处理温度与弯管理化性能曲线如图4所示。

从图4可知，回火温度控制在H3～H4时，弯管可以得到理想的机械性能。原因是：在回火温度下，碳化物（主要为Nb、V、Ti的碳化物和氮化物）以细小的粒状从饱和的固溶体中析出，并均匀地弥散分布于晶界之间，较好地发挥了微合金碳化物和氮化物的沉淀强化作用。随着回火温度的升高，析出微合金碳化物和氮化物的量越来越多，所以强度随着回火温度的升高逐步得到提高。另外，回火也可以在一定程度上消除弯管成型时残余在管体内部的部分应力，使得材料的韧性有所提高。回火温度进一步提高，MA等岛状组织在回火温度下发生部分溶解而形成更加细化均匀的晶粒组织，细晶强化使弯管母体的强度和韧性进一步得到提高，改善了MA做为硬化相的有害作用，同时也使硬度降低［8］。

图4 回火热处理温度与弯管理化性能曲线

另外，贝氏体和针状铁素体板条在回火热处理时发生部分回火再结晶，从而细化了组织，进一步发挥了细晶强化的效应，使得弯管的强度和韧性得到改善。回火温度高于H5时，由于微合金碳化物和氮化物已经充分析出，MA作为硬化相也充分溶解，沉淀强化和细晶强化的作用不再明显。由于有害物质在高温回火时的析出，反而产生了高温回火脆性倾向，并伴随有二次硬化产生，所以管线钢的强度和韧性呈明显下降趋势［9-10］。综合考虑，弯管回火热处理温度最终确定为H3。

2 产品主要性能

Φ1 422 mm X80钢级大直径感应加热弯管主要用于高压长距离油气输送管道，用来改变传输介质的运动方向。Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管的主要力学性能见表3，外观几何尺寸见表4。该产品壁厚为25.7～35.2 mm，可适用于-45～80℃工作环境中，额定工作压力可达12 MPa；产品抗震性好、强度和韧性高、性能稳定可靠、使用寿命长，各项性能指标均达到或优于Q/SYGD 0503.5—2016 及 ISO 15590-1∶2009（E）《石油和天然气工业用管道输送系统的感应弯管、管件和法兰第1部分：感应弯管》、SY/T 5257—2012《油气输送用感应加热弯管》等相关标准的要求。

表3 Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管的主要力学性能

表4 Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管的外观几何尺寸

3 产品验证性试验

巨龙钢管有限公司委托国家石油管材质量监督检验中心对所试制的Φ1 422 mm×35.2 mm X80钢级弯管抽样进行理化性能检测及静水压爆破验证性试验，试验温度 29 ℃［11-13］。

在进行弯管爆破试验时，当试验压力达到30.2 MPa，弯管膨胀均匀；随着压力的增加，弯管管体变形均匀，试验压力达到34.72 MPa时，距注水端环焊缝2 035 mm处弯曲区的管体出现明显的膨胀突起，随着压力的进行，突起变形加剧，最终弯管在此处爆破。由此得到以下结论：①测试最高压力34.72 MPa，大于理论计算的最小爆破压力28.16 MPa；②试验管实际爆破压力为34.15 MPa，爆破口位于距注水端环焊缝2 035 mm处弯曲区外弧侧母材处，距焊缝中心距离为2 485 mm，爆破口为韧性断裂。Φ1 422 mm X80钢级感应加热弯管爆破试验曲线如图5所示。