焊管技术进步与产品功能化拓展

2021-11-30胡松林

钢管 2021年4期

胡松林

（宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海 201900）

焊管作为一种经济性断面产品，广泛用作结构管、机械管、压力管道、石油专用管和管线管产品，并占据着钢管市场消费量的重要份额。从经济发达的美国钢管表观消费量看，自2009年以来焊管表观消费量占钢管消费量均在72%以上［1］。

近年来，随着焊管制造技术的发展，焊管产品愈来愈多地应用于国民经济的诸多领域，并逐步向无缝管等应用领域渗入，规格已覆盖大、中、小直径钢管范围。伴随国际能源经济的迅速发展和人类对生态环境要求的提高，在新的市场应用中更多面临的是对产品“功能性”的要求。当今，能源、汽车和基础设施已成为世界经济发展的热点领域，在提高油气管道强度以增加管道输送的效率、适应低碳减排在汽车行业中推进高强钢的应用等方面进展较快。市场的功能性需求为焊管制造技术的专业化发展提供了机会。

1 焊管制造技术的专业化

焊管制造技术主要涵盖原材料（钢卷/钢板）制造技术、成型技术、焊接（热处理）、精整检验及焊管二次加工等多方面技术。每一项专业技术的进步都在为焊管功能性拓展制造机会。

1.1 原材料技术

1.1.1 热轧钢卷技术的进步带动HFW产品升级

通过对管线钢采用降碳（表1）和相变控制技术，开发出具有贝氏体+铁素体组织的X80管线钢卷，其厚度达到15.9～20.6 mm，为高强度HFW焊管的拓展提供了原料保障［2］。

经HFW焊接制管及焊缝在线调质热处理（QT）后，商业化生产出X80钢级的HFW焊管。产品在60℃下，管体的夏比冲击功超过300 J，焊缝的夏比冲击功超过200 J；母材剪切面积百分比DWTT（85%SA）满足-20℃时的要求，具有良好的强韧性。

1.1.2 厚板技术进步推动高强度大直径焊管拓展

对大直径焊管来讲，提高钢管强度、减小壁厚以提高管道输送的经济性和运行效率；适用寒冷、地震、深水、酸性等特殊环境地区的功能性要求成为热点，解决焊管原料（厚板）的制造技术成为首选。

通过强化冷却控制水流量实现厚板在线加速冷却，控制相变组织形成，从而获得高强度管线钢［3］。

在线热处理（HOP）技术在厚板生产中的应用，与超速冷却（Supe r-OLAC）技术相结合，能有效控制碳化物析出和二相组织的形成，在提高材料强度的同时，获得较好的耐蚀性、抗应变性能；使板材在厚度方向、纵横向上的性能趋于一致。

1.2 焊管成型技术

焊管成型是通过模具将钢板（卷）弯曲成所需几何形状的过程，通常会要求：良好的表面质量和尺寸精度；较小的残余应力；尽可能宽的t/D（焊管壁厚/直径）范围；经济化的辊型配置。

为适应焊管产品对规格拓展和市场功能性的要求，在HFW成型技术中，从辊式（单半径、双半径、W弯曲成型等）到排辊成型及FFX（Flexible Forming Excellent）成型，都在改善成型的质量和提升生产效率。

（1）辊式成型中，从单半径到双半径改善了小直径焊管成型的稳定性；

（2）W弯曲成型法较好地改善了厚壁管的边部弯曲性能；

（3）排辊成型较好地改善了薄壁管边部成型的质量（鼓包等），提高了轧辊的公用性和规格范围；

（4）FFX成型技术通过仿真技术使成型过程的变形趋于一致，进一步提高了轧辊曲面的公用化和调整过程的数字化以及在初始变形过程的精确化。

日本新日铁公司曾对HikariΦ610 mm ERW机组改造多次。1984年将辊式成型改为排辊成型，产品最大外径从406.4 mm扩展到609.6 mm，改善了薄壁管成型时易出现的鼓包等质量问题，实现了排辊区域轧辊的公用性。2000年将成型机改为FFX钢管成型机，轧辊为包含机组规格的渐开线孔型设计，辊位能够水平及周向旋转调整，可实现不同外径、厚度的最佳曲率弯曲，变形区域的应变分布趋于均一化，可实现Φ609.6 mm×6.0 mm（t/D＝1.0%）薄壁管的稳定化生产。经对比分析距焊缝180°位置管体的应变，FFX钢管成型的塑性应变相对排辊降低了40%左右，制管后的管体屈强比也有所降低［4-5］。

对于大直径焊管以JCOE和UOE成型为典型方式，JCOE成型以生产的经济性、灵活性为引领，UOE成型以高强度、高质量为优势。欧洲钢管公司为北溪管道生产的Φ1 219 mm（48 in）焊管，采用UOE成型的预弯、O模具优化，实现了管端椭圆度控制在5.0 mm内的目标，壁厚30.9 mm的焊管的纵向屈强比均值在0.88（标准差0.014）的较好水平［6］。宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）UOE焊管生产线使用了目前世界成型力最大的O成型机（压力72 000 t），能够实现较大的压缩率，减小管体的残余应力，改善产品质量，已批量生产出尺寸、性能要求较高的Φ610 mm×27 mm X65MOS和Φ1 016 mm×25.4 mm X70MO海管等产品。

1.3 焊接技术

焊接是焊管技术的核心之一，是焊管产品实现市场功能性要求提升的重要环节。以无填充电阻焊（EW）和埋弧焊（SAW）为典型技术。近年来随着电阻焊管外径、壁厚不断增大，电阻焊接技术在改善焊接质量和提高焊缝韧性方面有着较明显的进展。

1.3.1 电阻焊接频率的变化与焊接质量

电阻焊中焊接频率从低频到高频、从电子管焊接到全固态焊接电源的改进，都有效地提高了焊接质量和生产效率。随着对高频焊接加热过程的仿真技术应用与研究，以及对焊接质量（韧性等）要求的提高，焊接热影响区（HAZ）的控制引起行业的关注，再次引发对焊接频率的研究［7］。

为适应机组对不同壁厚、不同材料焊接时对质量的一贯制要求，焊机厂家对焊接频率与焊缝热影响区的影响关系进行了分析研究。美国Thermatool公司研发出HAZ ControlTM焊接技术（HCTTM），并应用在可变频率高频焊机中。在焊接过程中以焊接速度、钢管规格、材质为输入，焊机会匹配出优选功率、频率方案，引导操作较快实现最佳化焊接。在最佳化工艺运行过程保持频率稳定在1%内，以保障焊接热影响区宽度的一致和焊缝性能的稳定，减少了调整过程的废品量［8］。

1.3.2 高性能焊接技术

对使用在低温环境条件下的HFW焊管，低温韧性是满足功能性的指标之一。对高强度焊管来讲，高韧性也成为必要。日本JFE公司通过对高频焊接加热熔合过程中材料的弹塑性变形、电磁场、热传导的综合分析，运用有限元分析技术解析了焊接速度与加热宽度、焊缝应力的关系，焊接速度的增加会使加热宽度减小，周向应力显著增加，进而开发出壁厚加热均匀化、氧化物形状和密度控制最佳化为核心的高性能焊接技术（Mighty SeamTM）。

该技术应用在东日本（京滨）工厂的Φ610 mm中直径焊管机组上，为北美极寒地带提供了Φ323.9 mm×15.9 mm X65M钢级的焊管，焊缝的韧脆转变温度达-90℃，系列冲击试验如图1所示，焊缝低温性能优良。

图1 Φ323.9 mm×15.9 mm X65M焊管系列冲击试验

在对焊接质量要求较高的高频焊接工艺中，为提高焊接质量，采用了焊接区域惰性气体保护、焊接温度精确测量与监控、焊接毛刺形态在线监控等一系列的技术，都在不同程度上改善了焊接质量。

1.3.3 热处理技术

高频焊接后的焊缝存在脆化倾向，通常会采取焊缝在线正火处理改善焊缝的组织和性能。对于高强度焊管，在改善韧性的同时也要提高焊缝强度，开发了焊缝在线调质热处理技术，实现焊缝的超强匹配性。该技术在日本JFE公司、新日铁公司及我国宝钢中直径焊管生产中得到应用，获得了焊管焊缝的拉伸强度高于母材，试验断裂在母材区域的效果。

1.3.4 埋弧焊接技术

多丝焊接技术的应用，以及焊材匹配、线能量控制、起弧熄弧延迟等技术的综合运用为高钢级大壁厚焊管的焊接质量改善提供保证。宝钢采用独有的埋弧焊接工艺及控制技术，实现了Φ1 219 mm×33 mm X80M，Φ711 mm×20 mm X100M高强度厚壁焊管的商业化生产。

2 焊管的功能化拓展

2.1 具有较好加工性能的HFW焊管

为了适应汽车轻量化、低排放的发展，开发应用于汽车零部件制作的易加工、耐用、性能稳定等功能化产品成为机遇。日本JFE公司开发了2种用于汽车零部件的780 MPa强度级别的焊管，具有良好的成形性、韧性、耐疲劳性和涂覆性。

其一是满足汽车悬架和底盘等部件对成形性、疲劳性、韧性、涂覆性等要求的新型780 MPa级别的HFW焊管。该产品具有铁素体+贝氏体的微观组织，满足强韧性要求，减小两相间的硬度差，防止在成形过程中的应变集中在软相区。结合高纯净冶炼、高精度控轧控冷技术及高精确焊缝在线热处理工艺的运用，实现高加工性焊管的制造。该焊管能够满足弯曲成形过程半径小于2D。

其二是开发成形性更为优良的780 MPa强度级的HISTORY（high-speed tube welding and optimum reducing technology）焊管。HISTORY焊管采用了焊接后热张力减径技术，使组织进一步细化和均匀，降低弯曲加工过程中壁厚减薄的不利影响，保持弯曲区域良好的强韧性，从而获得高的延伸率和r值（Lankford值，用来衡量减壁难度）。HISTORY焊管制造流程如图2所示，HISTORY焊管的强度-延伸率关系及r值如图3所示。

图2 HISTORY焊管制造流程示意

图3 HISTORY焊管的强度-延伸率关系及r值

新开发的2种焊管的优良性能主要体现在：

（1）疲劳性。通过4点弯曲疲劳试验，2种焊管在2×106频次交变载荷下，疲劳强度与拉伸强度之比高达0.8。HISTORY管具有较高加工硬化性和抑制裂纹扩展性能，不随成形应变增加而增加。

（2）韧性。2种焊管通过对成分和组织的控制，获得良好的低温韧性。产品在0℃、纵向和周向方向的1/4尺寸夏比冲击韧性均超过120 J/cm2，韧脆转变温度低于-70℃，具有优良的抗冲击性和低温韧性。

（3）涂覆性。2种焊管在吸附能力、耐蚀性等方面均较370 MPa级别常规ERW钢管优良。

（4）可加工变形性。通常对用于液压成形管，材料强度为290～440 MPa相对较为容易成型。成形性会随材料强度的增加而变得困难。新开发的2种780 MPa级别钢管具有较好的成形性，HISTORY管最小弯曲半径达到了1.1D左右。在压缩性方面，一道次可获得20%的减径率（Φ76.3 mm×2.9 mm→Φ60.5 mm）。在膨胀加工性方面，利用轴向进给和模具约束，成功地将780 MPa级别Φ63.5 mm×3.2 mm规格HISTORY管的膨胀率提高到35%，而不产生任何裂痕和起皱。

2.2 小直径厚壁焊管的延伸

汽车零部件高强度、轻量化的要求，为厚壁焊管的应用拓展提供了机会。日本新日铁公司采用热张力减径工艺生产Φ13.8～60.5 mm厚壁焊管，并将最大壁厚从7.5 mm提高到9.0 mm，且通过对热张力减径机架和轧辊辊位的改进提高了内径的圆度，如图4所示；可制造焊管的t/D从原来的最大值26%提高到33%，并有Φ34 mm×7 mm、Φ50 mm×10 mm等厚壁焊管进入商业化应用。

图4 热张力减径机架和轧辊辊位改进前后内圆度对比

2.3 中直径厚壁焊管的市场化

日本JFE公司在中直径HFW焊管生产中采用了独特的厚壁成型技术和焊缝在线调质热处理技术，以及防止表面过热的温度测量和多通道超声波检测技术和方法，建立了完整的厚壁焊管制造和质量控制技术，制造出符合API Spec 5L《管线钢管规范》标准的Φ660 mm×25.4 mm X56M厚壁管，低温韧性性能优良（图5），满足了市场对厚壁、低温韧性产品的功能化要求。APL Spec 5L要求Φ660 mm×25.4 mm X56M焊管管体冲击功为27 J。

图5 Φ660 mm×25.4 mm X56M焊管冲击韧性

2.4 适用功能化需求的大直径焊管

日本JFE公司运用超速冷却及在线热处理（HOP）技术，为大直径焊管在高强度、大应变和耐酸管开发方面提供了品质优良的厚板。2002年，在世界上首次制造了满足加拿大标准（Canadian Standards Association）的CSA 690级（相当于API X100级）高强度管线管，用于加拿大管道项目的试验段铺设［3］。CSA 690级管线管力学性能见表2。

表2 CSA 690级管线管力学性能

此外，日本JFE公司还开发了2种适用于地质滑移等环境的高应变管（JFE-HIPER）：一种是采用控轧和超速冷却技术，获得铁素体-贝氏体组织钢，材料具有圆弧型应力-应变曲线和较高的n值（加工硬化指数）特性；其二是利用在线热处理（HOP）工艺，获得马氏体-奥氏体组织的抗应变性能更优的管线钢。材料具有较高的n值和较低的屈强比，JFE-HIPER高应变管的力学性能见表3。