超大厚径比螺旋缝埋弧焊管的研制

张晨鹏，胡 涛，王天法，阮希然，周书亮，李建一

（华油钢管有限公司，河北 青县 062658）

某重点输气管道沿线气候属于典型的大陆性干旱气候，具有冬季寒冷、夏季炎热、昼夜温差大等特点；该地区管道铺设土壤类型多以戈壁石、板结地和戈壁滩为主。因此，这对管道用钢管的规格及性能等参数提出了很高的要求，经综合考虑，最终选用L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 规格螺旋缝埋弧焊管。笔者统计了行业内常用的50 余种规格螺旋缝埋弧焊管的厚径比（壁厚/直径），发现均小于0.023，平均值在0.020 左右［1-15］。Φ610 mm×18 mm规格螺旋缝埋弧焊管的厚径比达到0.029 5，厚径比超大，在国内实际生产工作中尚属首次。在该钢管试制过程中遇到了不易成型、焊接缺陷等问题，承担钢管生产任务的公司遇到了前所未有的极大挑战。某公司选用B 钢厂生产的1 200 mm 宽度板卷，按照项目技术条件的相关要求，在没有可借鉴技术的条件下，最终成功研制并批量生产出各项指标均符合要求的L290M 钢级Φ610 mm×18 mm规格螺旋缝埋弧焊管。现重点介绍该Φ610 mm×18 mm 规格螺旋缝埋弧焊管的研制情况。

1 焊管试制过程

1.1 卷板原材料质量控制

因L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 规格螺旋缝埋弧焊管的厚径比超大且钢级较低，为了减轻成型和焊接等过程的生产难度，首先要求原材料特别是卷板的理化性能均匀稳定、板形良好。为此，事先与钢厂沟通协调，通过严格控制板坯质量和轧制工艺，确保卷板出厂理化性能均匀稳定、板形良好。

在研制焊管前，提前做好卷板入厂的理化性能取样检验以及外观尺寸检查工作，杜绝理化性能不合格卷板上料生产；研制时，在拆卷、矫平、对头生产工序，重点做好卷板板形（主要是镰刀弯、波浪弯）和板边缺欠（主要是凸凹不均、氧化铁皮）状况的严格控制，杜绝不符合要求的卷板继续上料生产。

1.2 成型、焊接设备及工艺

用于生产的螺旋缝埋弧焊管机组已为西气东输、陕京管线等国内重要管线生产了几十万吨X70、X80 等钢级螺旋缝埋弧焊管，具有很强的矫平、成型及焊接能力，但Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的厚径比超大，在该机组生产也尚属首次。B 钢厂提供的板卷，采用锰（Mn≤1.40%）、低碳低硫（C≤0.12%，S≤0.015%），加铌（Nb≤0.03%）的微合金化成分设计，金相组织为珠光体+铁素体，硬度在160 HV10 左右。

该Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的成型和焊接难点主要如下。

（1）厚径比反映了钢管成型应变量的大小。理论上讲，钢管厚径比越大、钢级较低，造成钢管应变量越大，产生的冷作硬化效应越强，成型难度就越大，越容易产生钢带弯曲变形不充分的现象，从而导致焊前板材合缝困难，管型不好控制、辊痕较重，且成型质量直接影响后续的焊接质量。

（2）此次试制焊管的厚径比超大，在该机组也尚属首次，且没有可借鉴技术；因此，先从板厚考虑，按常规18 mm（一般对应直径1 219 mm）板厚钢板的正常坡口、钝边和焊接速度焊接时，发现焊接缺陷主要集中在气孔和凹坑两种类型。

（3）针对（1）中成型难点，首先对成型参数进行调整。为保证变形曲率，适当加大1 号和3 号成型辊辊座与成型中心线的距离（图1 所示A和B）。由于成型管径610 mm 小，但是壁厚却达到了18 mm，带钢在进入成型器发生形变时，如果还是把1 号和3 号成型辊辊座与成型中心线的距离分别调整到往常数值，则2 号成型辊下压机臂的强度无法满足形变需求。因在成型时，2 号成型辊下压机臂下压过程中，其挠度变形过大，且在成圆过程中由于变形导致下压力不足，无法保证成型的稳定性。根据力学知识可知，力和力臂的乘积称为力矩。在力矩不变的情况下，力臂增加时力就会减小。由图1 所示1～3 号成型辊受力可知：F1cosβ+F3cosα=F2。若增加1 号成型辊的A、3 号成型辊的B，则会导致α、β增大，则F2相应减小。由此可知，在生产中适当增大1 号和3 号成型辊的A与B，可以有效减小2 号成型辊下压机臂的受力F2。在此次钢管试制过程中，经过多次调整和检测，发现以比610 mm 大且邻近直径钢管所对应的A和B为基础，再以此计算其他成型参数，既能满足2 号成型辊下压机臂下压钢板变形的需求，且成型过程稳定可控。

图1 螺旋缝埋弧焊管机组1～3 号成型辊受力示意

其次，针对Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管，由于所用钢板板厚过大，为保证成型稳定、管型合适，需要对2 号成型辊边缘与临近板边的距离（图2 所示的C）、焊垫辊边缘与临近板边的距离（图2 所示的D）作适当调整。经过多次调整和检测，发现C、D分别取50～100 mm、10～50 mm 范围内的一个数值时，生产出的钢管的变形完全、合缝稳定，且没有“噘嘴”现象的发生。焊垫辊采用平辊形式；2 号成型辊的C较以往同直径但壁厚小于18 mm 钢管生产时稍大，既能保证成型咬合点的稳定，又使得2 号成型辊下压机臂在点头过程中的形变阻力变小，有利于成型稳定和管径、管型的调节，且辊痕较重现象也得到了较好地解决。

图2 螺旋缝埋弧焊管机组2 号成型辊和焊垫辊相对位置示意

（4）针对上述（2）中焊接难点，对钢带铣边及焊接速度参数做了调整。分析认为产生气孔和凹坑类型焊接缺陷的原因是：焊接速度过快，导致坡口处焊接金属未充分填充，形成了凹坑焊接缺陷；焊接速度过快，熔池内气体来不及逸出时熔池就已凝固，而且焊接速度过快也导致焊渣渣皮的冷却速度过快，逸出的气体被阻碍在焊渣与焊缝熔池表面，从而形成气孔焊接缺陷。经过多次调整和测量，将焊接速度降低0.1 m/min 后，未在焊接焊缝处发现气孔和凹坑缺陷，但存在焊缝熔深过大的焊接问题。将成型钝边量加大至0.5～1.3 mm，上述焊接问题得到解决，焊管的焊接质量明显提升。

严格控制铣边工序中的钝边量和上、下坡口角度等参数，杜绝板边局部未铣到或铣边不均匀等情况的发生；严格控制错边、噘嘴、焊偏和熔合量、钢管弹复量等成型参数；在焊接过程中，控制焊接电流、焊接电压、焊接速度及其与生产效率间的关系，确保成型、焊接质量的稳定，保证焊缝及热影响区有足够的强度、合格的塑性和冲击韧性。

经过研究并结合前期试制较大直径、壁厚18.4 mm 钢管已有经验，制定出L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管试制方案。首先对焊接试制参数进行匹配试验，再根据各试验数据进行综合分析，选出如下最佳方案并按照该方案试制：采用双面埋弧焊，焊剂采用SJ101 型，焊丝为H08Mn，焊接速度1.3～1.9 m/min，内焊焊接线能量为15～29 kJ/cm，外焊焊接线能量为17～32 kJ/cm；内、外焊均为2 丝，一丝直径4.0 mm，二丝直径3.2 mm。

2 焊管质量检测结果

对成型焊接后的L290M 钢级Φ610 mm×18 mm螺旋缝埋弧焊管的化学成分、金相组织、力学性能、外观尺寸等进行检验，并进行无损检测及静水压试验，具体检测结果如下。

2.1 化学成分分析

在L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的焊缝及母材处取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析。Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的化学成分见表1，结果均达到API Spec 5L—2018《管线钢管规范》的要求。

表1 L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的化学成分（质量分数） %

2.2 金相检验

检测L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管母材、焊缝、热影响区的金相组织，同时测量焊缝宏观形貌尺寸，结果均符合技术条件要求。母材组织为珠光体+多边形铁素体；A 类非金属夹杂物粗系为0.5 级，其余非金属夹杂物等级均为0；带状组织等级为1 级；试样厚度1/4 处的晶粒度为11 级，试样厚度中心的晶粒度10.5 级。焊缝组织为晶内成核针状铁素体+多边形铁素体+珠光体，热影响区组织为粒状贝氏体+珠光体。焊缝内外焊道熔深2.0～2.5 mm，熔深良好；内外焊道中心偏差均≤0.7 mm，满足技术条件≤3.0 mm 的要求。

2.3 力学性能检验

（1）拉伸试验。在母材和焊接接头处取宽度为38.1 mm 的板状横向试样，在1 000 kN 微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸试验结果见表2，均满足技术条件要求。

表2 Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的横向拉伸试验结果

（2）导向弯曲性能试验。对焊接接头分别进行180 °导向正弯和反弯试验，弯心直径为177 mm，未发现裂纹，拉伸面完好，这表明焊接接头具有良好的塑性。

（3）夏比冲击试验和落锤撕裂试验（Drop-weight Tear Test，DWTT）。在试制的两炉中各抽取2 根焊管，分别在0 ℃进行夏比冲击试验及DWTT。夏比冲击试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm、V 型缺口（缺口深度2 mm，摆锤刀刃半径2 mm），DWTT 试样尺寸为305 mm×76 mm×18 mm（V 型缺口，缺口深度5 mm），试验结果见表3，发现该焊管的断裂韧性远优于技术条件要求。

表3 L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管的冲击试验及DWTT 结果最小值

2.4 无损检测及静水压试验

依据该项目的技术条件，对抽取的10 根钢管的焊缝进行X 射线检测，未发现超标缺陷；采用手工及自动超声波探伤，对钢管和焊缝两侧进行分层检查，未发现分层及其他缺陷。

对抽取的不同炉批的2 根钢管进行了100%规定的最小屈服强度的静水压试验，试验压力17.1 MPa，保持时间不小于10 s。试验后钢管外表面均未出现渗漏现象，并对静水压试验后的钢管焊缝进行100%超声波检查，未发现裂纹和其他缺陷。

2.5 外观尺寸及质量检验

在试制的2 炉钢中，抽取5 根钢管进行外观尺寸及质量检验（表4），结果均符合技术条件要求。

表4 Φ610 mm×18 mm 螺旋缝埋弧焊管外观尺寸检验结果 mm

3 结语

研制的L290M 钢级Φ610 mm×18 mm 规格螺旋缝埋弧焊管完全符合相关技术条件的要求，其成型与焊接质量合格，外观质量良好，焊缝和热影响区强度、冲击断裂韧性、金相组织满足要求，其中某些检测数据优于相关技术条件要求。本次试制为以后类似超大厚径比螺旋缝埋弧焊管的研制积累了经验，为所有焊管的成型、焊接等过程控制提供了借鉴经验。在该规格钢管试制成功的基础上，该公司正式生产了合同量吨位的螺旋缝埋弧焊管，并已应用于相应重点输气管道工程。