韓顯柱

（中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

大直徑高壓輸送及采用高鋼級(jí)管材是國(guó)際管道工程發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。X80已經(jīng)是國(guó)際上成熟和標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼鋼級(jí)，在X80管道的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和運(yùn)營(yíng)等方面的研究已經(jīng)相對(duì)成熟[1-4]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)高鋼級(jí)管材的研究和應(yīng)用速度較快，我國(guó)西氣東輸管線的成功敷設(shè)，大大推進(jìn)了X80級(jí)在陸地上天然氣管道的應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)在高強(qiáng)度管線鋼的研究開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用方面取得了重大突破[5]。螺旋焊管應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，過(guò)去不在油氣管線中使用螺旋焊管的美國(guó)、印度和歐洲一些主要管道業(yè)主都已大量采用。最典型的例子就是從2003年開(kāi)始，北美陸續(xù)新建了3條X80天然氣長(zhǎng)距離輸送管道，均大量采用了螺旋焊管，提高了管道的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。其X80螺旋焊管的應(yīng)用比例都超過(guò)了70%，有的還采用0.8的設(shè)計(jì)系數(shù)，提高了螺旋焊管的應(yīng)力水平[5]。近幾年油氣管道市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)螺旋焊管需求強(qiáng)勁，而提高螺旋焊管質(zhì)量的主要工藝就是采用預(yù)精焊。為了滿足西氣東輸三線管道工程建設(shè)需求，中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司進(jìn)行了X80級(jí)φ1219mm×22 mm螺旋預(yù)精焊鋼管的研制，產(chǎn)品符合《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求，通過(guò)了國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的鑒定。生產(chǎn)φ1 219 mm×22.0 mm鋼管所采用的預(yù)精焊工藝技術(shù)達(dá)到了工業(yè)化產(chǎn)品批量生產(chǎn)的能力和水平。本研究主要對(duì)鋼管試制和檢驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

1 螺旋焊管預(yù)精焊工藝簡(jiǎn)介

預(yù)精焊工藝（二步法）是目前世界上大直徑螺旋焊管生產(chǎn)中較先進(jìn)的技術(shù)。螺旋焊管預(yù)精焊技術(shù)原理如圖1所示。它是預(yù)精焊法螺旋焊管生產(chǎn)的第一步，即鋼帶在三輥成型機(jī)上成型的同時(shí)先用高速氣體保護(hù)焊(MAG)進(jìn)行連續(xù)焊接（預(yù)焊），之后在預(yù)焊進(jìn)行的同時(shí)用等離子切割機(jī)將預(yù)焊后的鋼管切割成規(guī)定長(zhǎng)度，然后將預(yù)焊鋼管輸送到多條精焊生產(chǎn)線進(jìn)行內(nèi)外多絲埋弧精焊（第二步）[6]。

螺旋焊管預(yù)精焊技術(shù)與傳統(tǒng)的一步法（鋼帶在三輥成型機(jī)上成型的同時(shí)進(jìn)行內(nèi)外雙絲埋弧焊接）相比具有較大優(yōu)勢(shì)。螺旋焊管預(yù)精焊法由于擺脫了成型機(jī)的成型速度必須和埋弧焊接速度同步的束縛[7]，將成型和焊接分開(kāi)進(jìn)行，有效解決了成型和焊接之間的相互干擾的問(wèn)題，充分利用了成型和焊接各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高速成型和低速焊接的有機(jī)結(jié)合，降低了生產(chǎn)成本，使得一條預(yù)焊生產(chǎn)線可以同時(shí)供應(yīng)多條精焊生產(chǎn)線，大大提高了生產(chǎn)效率[8]。同時(shí)由于鋼管成型和埋弧精焊分開(kāi)進(jìn)行，預(yù)焊后的鋼管坡口兩側(cè)相對(duì)靜止，容易得到高質(zhì)量的焊縫。

圖1 螺旋焊管預(yù)精焊法原理圖

2 試制X80卷板的性能

2.1 化學(xué)成分

碳當(dāng)量表示碳及合金元素對(duì)焊后開(kāi)裂趨勢(shì)的影響，通常碳當(dāng)量越大，合金的強(qiáng)度就越大，此時(shí)越容易出現(xiàn)焊接裂紋，因此在管線鋼生產(chǎn)時(shí)需要對(duì)碳當(dāng)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂芠9]。本次試制采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X80級(jí)22 mm厚卷板，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 X80卷板的主要化學(xué)成分 %

2.2 拉伸試驗(yàn)

試樣取自試制卷板的料頭、料中和料尾寬度1/2處，取樣方向與最終軋制方向垂直，試樣標(biāo)距為50.8 mm，標(biāo)距內(nèi)寬為38.1 mm，厚度為全壁厚。本次試制的卷板拉伸驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果滿足 《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求。

2.3 彎曲試驗(yàn)

試樣取自試制卷板的料頭、料中和料尾寬度1/4處，取樣方向與最終軋制方向程30°。對(duì)彎曲試樣進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，彎心直徑為220 mm（10 t，t為試樣厚度)，試樣寬度為38.1mm，試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370。彎曲試樣拉伸面上未產(chǎn)生裂紋。

2.4 沖擊韌性試驗(yàn)

在料頭、料中、料尾寬度1/4處，分別取軋制橫向試樣每組3個(gè)，試樣缺口垂直于鋼板軋制表面，試樣表面距板材表面距離小于2mm，試驗(yàn)溫度-20℃，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2014。試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，沖擊韌性較均衡，沖擊功數(shù)值較均勻，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試制X80卷板的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 試制X80卷板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.5 DWTT試驗(yàn)

試樣取自試制卷板的料頭、料中和料尾寬度1/4處，取樣方向與最終軋制方向程30°，試樣尺寸為22 mm×75 mm×300 mm，缺口形式為標(biāo)準(zhǔn)壓制V形缺口，試驗(yàn)溫度-15℃，試驗(yàn)的方法依照SY/T 6476進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試制卷板DWTT試驗(yàn)結(jié)果

2.6 金相及硬度檢驗(yàn)

X80管線鋼母材的金相組織是由貝氏體（B，以B 粒為主)+多邊鐵素體（PF）+珠光體（P）組成， 均為典型的針狀鐵素體（AF)組織。夾雜物為A0.5，B0.5，C0.5，D0.5e；帶狀組織1級(jí)；晶粒度表層12級(jí)，中心11.5級(jí)。硬度220～245 HV10，滿足《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》中關(guān)于硬度≤265HV10的要求。

2.7 檢驗(yàn)結(jié)果

本次試制使用的X80卷板采用超低碳、超細(xì)晶粒高強(qiáng)度合金鋼，在低碳及低硫的基礎(chǔ)上，添加Nb，V，Ti和Mo等微合金化設(shè)計(jì)，并結(jié)合控軋控冷（TMCP）等形變熱處理技術(shù)，達(dá)到細(xì)化晶粒和微合金化元素析出相強(qiáng)化基體的目的，從而獲得組織細(xì)小而強(qiáng)度和韌性很高的管線鋼，理化性能檢驗(yàn)結(jié)果符合《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求。

3 焊接工藝評(píng)定

3.1 自動(dòng)焊工藝評(píng)定

預(yù)焊采用Ar+CO2混合氣體作為保護(hù)氣體的單絲焊接工藝，精焊采用內(nèi)三絲外兩絲的焊接工藝，內(nèi)外焊點(diǎn)位置相差1.5個(gè)螺距。以φ1219 mm×22 mm規(guī)格鋼管為例，根據(jù)自行預(yù)先試驗(yàn)所確定的坡口，坡口形狀及參數(shù)見(jiàn)圖2和表5，預(yù)焊焊接參數(shù)見(jiàn)表6，精焊焊材匹配和焊接參數(shù)見(jiàn)表7。

圖2 焊接坡口的形狀及參數(shù)

表5 φ1 219 mm×22 mm焊管焊接坡口的參數(shù)

表6 預(yù)焊焊接參數(shù)

表7 精焊焊接參數(shù)

對(duì)以上述參數(shù)進(jìn)行焊接的焊接接頭焊縫進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊縫成形良好，內(nèi)外焊縫成形系數(shù)及重合狀況比較理想，焊縫與母材過(guò)渡平滑，邊緣整齊無(wú)粘渣現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8～表10。焊接接頭各項(xiàng)理化性能較好，特別是焊縫低溫沖擊韌性數(shù)據(jù)均勻穩(wěn)定，結(jié)果符合《OD1219mm×22.0mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求，硬度值212～258 HV10。

表8 自動(dòng)焊、自動(dòng)補(bǔ)焊、手工補(bǔ)焊彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表9 自動(dòng)焊、自動(dòng)補(bǔ)焊、手工補(bǔ)焊拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表10 自動(dòng)焊、自動(dòng)補(bǔ)焊、手工補(bǔ)焊沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.2 補(bǔ)焊工藝評(píng)定

螺旋精焊設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋管的自動(dòng)補(bǔ)焊工藝。自動(dòng)補(bǔ)焊相對(duì)于手工補(bǔ)焊，焊縫的沖擊功單值、沖擊功平均值、焊縫的顯微組織更好，補(bǔ)焊效率更高，補(bǔ)焊缺陷較少[10]。本次試制對(duì)焊縫單面的補(bǔ)焊采用自動(dòng)補(bǔ)焊工藝。選用了同精焊一致的焊材匹配，內(nèi)焊焊縫補(bǔ)焊采用三絲焊接工藝，外焊補(bǔ)焊采用雙絲焊接工藝，焊接過(guò)程電弧穩(wěn)定，焊縫邊沿過(guò)渡整齊，脫渣良好，試驗(yàn)接頭各項(xiàng)理化性能良好。

雙面補(bǔ)焊時(shí)采用手工電弧雙面多層焊接工藝。手工補(bǔ)焊按照等強(qiáng)匹配的原則選用一種牌號(hào)低氫管線鋼電焊條進(jìn)行了試焊，焊接過(guò)程電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，試焊接頭各項(xiàng)理化性能良好。

4 預(yù)精焊鋼管質(zhì)量情況

4.1 首批檢驗(yàn)

分別在兩個(gè)不同熔煉的爐批中，每爐各選擇2根鋼管進(jìn)行首批檢驗(yàn)。取樣的4根鋼管經(jīng)過(guò)無(wú)損檢驗(yàn)、精整、外觀檢驗(yàn)后取樣試驗(yàn)，4組試樣的試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）4組試驗(yàn)化學(xué)成分分析均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)。彎曲曲角度180°，彎模直徑220 mm，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

（3）管體橫向拉伸試驗(yàn)、焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

（4）-10℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

（5）DWTT試驗(yàn)4組試樣剪切面積范圍為90%～100%，平均值大于96%，試驗(yàn)結(jié)果合格。

（6）焊縫宏觀及硬度試驗(yàn)。內(nèi)外焊縫熔透深度在1.9～3.0 mm之間，中心偏差0.2～2.2 mm，焊縫硬度最大值為240 HV10，試驗(yàn)結(jié)果均合格。

（7）外觀質(zhì)量及尺寸。首批鋼管內(nèi)焊縫余高范圍是2.0～3.0 mm，外焊縫余高范圍1.5～2.5 mm，錯(cuò)邊量≤0.5 mm，直度≤4 mm。

（8）無(wú)損檢驗(yàn)。 根據(jù)《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求，對(duì)首批檢驗(yàn)鋼管進(jìn)行了水壓前DR全焊縫檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷；水壓后對(duì)焊縫和母材進(jìn)行了超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他超標(biāo)缺陷；對(duì)鋼管管端坡口面進(jìn)行了超聲波分層探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

（9）靜水壓試驗(yàn)。對(duì)試制鋼管按靜水壓試驗(yàn)壓力18.7 MPa、保壓15 s檢查鋼管外表面未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

首批生產(chǎn)的X80級(jí)φ1 219 mm×22 mm螺旋埋弧焊鋼管符合《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求。

表11 預(yù)精焊鋼管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表12 預(yù)精焊鋼管-10℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.2 生產(chǎn)工藝評(píng)定

（1）化學(xué)成分。分別取兩爐共計(jì)4根鋼管，進(jìn)行產(chǎn)品分析試驗(yàn)，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）拉伸試驗(yàn)。焊縫拉伸試樣結(jié)果見(jiàn)表13,母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表14。

表13 預(yù)精焊鋼管焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（3）夏比沖擊試驗(yàn)。在鋼管上距焊縫90°的管體母材上截取橫向夏比沖擊試樣，在焊接頭處分別截取焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊試樣。試樣每組3個(gè)，母材試樣缺口垂直于板卷軋制表面，沖擊試樣的中心位于鋼板壁厚中心，焊縫試樣刻槽軸線位于外焊道中心線上。進(jìn)行20℃，0℃，-10℃，-20℃，-40℃和-60℃系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)結(jié)果符合《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，結(jié)果見(jiàn)表15。

表14 母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（4）DWTT試驗(yàn)。表16所示DWTT試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，剪切面積為85%時(shí)相應(yīng)最低溫度低于-10℃，剪切面積為10%時(shí)相應(yīng)最低溫度為-40℃。

（5）金相分析。在鋼管焊縫及距焊縫180°的位置分別制取鋼焊縫、熱影響區(qū)和管體金相試樣，依據(jù)《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》附錄H“X80M管線鋼鐵素體晶粒度測(cè)定法”進(jìn)行了晶粒度及帶狀組織評(píng)定；依據(jù)附錄B“X80M管線鋼帶狀組織評(píng)定方法”進(jìn)行了非金屬夾雜物評(píng)定，并對(duì)焊縫的宏觀形貌和幾何參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。鋼管焊縫的宏觀形貌幾何參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表17，鋼管的金相分析結(jié)果見(jiàn)表18，焊縫的宏觀形貌如圖3所示，鋼管金相組織見(jiàn)圖4～圖6，橫截面硬度測(cè)試最高值為248 HVl0，小于標(biāo)準(zhǔn)要求280 HVl0，上述檢測(cè)結(jié)果均符合《OD1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求。

表15 系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表16 DWTT試驗(yàn)結(jié)果

表17 預(yù)精焊焊縫幾何參數(shù)測(cè)量結(jié)果

（6）幾何尺寸。鋼管焊道余高≤2.4 mm，錯(cuò)邊量≤0.5 mm，直度偏差≤3.8 mm，檢驗(yàn)結(jié)果均合格。

表18 金相分析結(jié)果

圖3 預(yù)精焊焊縫宏觀形貌

圖4 母材金相組織 (500×)

圖5 110011號(hào)鋼管焊接接頭金相組織 （500×）

圖6 110013號(hào)鋼管焊接接頭金相組織 （500×）

（7）抗HIC性能?？笻IC性能CLR，CTR和CSR均為0，未發(fā)生氫鼓泡。

4.3 鋼管質(zhì)量檢測(cè)

（1）鋼管幾何尺寸及外觀檢驗(yàn)。鋼管幾何尺寸及外觀檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表19，成品鋼管幾何尺寸精度較高，并且各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）鋼管力學(xué)性能。鋼管的力學(xué)性能見(jiàn)表20，可以看出，鋼管力學(xué)性能均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，且性能均勻穩(wěn)定。

（3）殘余應(yīng)力檢測(cè)。采用切環(huán)法進(jìn)行檢測(cè)。分別在預(yù)焊管和精焊后鋼管上選取長(zhǎng)度為200 mm左右的管段進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在距焊縫100 mm處沿鋼管縱向切開(kāi)，測(cè)量管段周向張開(kāi)量分別為-100 mm和-30 mm，縱向張開(kāi)量分別為30 mm和35 mm，徑向張開(kāi)量分別為25 mm和27 mm，測(cè)量結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表19 鋼管幾何尺寸及外觀檢驗(yàn)結(jié)果

表20 鋼管力學(xué)性能

鋼管質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，62根鋼管各項(xiàng)指標(biāo)均合格，完全符合《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求。

4.4 鋼管靜水壓檢測(cè)

全尺寸鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)壓力測(cè)試結(jié)果顯示爆破壓力高于計(jì)算壓力值，起爆于母材，裂口穿過(guò)焊縫100 mm處止裂。

5 結(jié) 語(yǔ)

試制鋼管檢測(cè)結(jié)果表明，中油寶世順 （秦皇島）鋼管有限公司研制的X80級(jí)1219mm×22mm螺旋預(yù)精焊鋼管完全符合 《OD1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求，鋼管制造工藝合理，焊縫及管體理化性能優(yōu)良，成品鋼管外觀質(zhì)量、幾何尺寸控制良好。產(chǎn)品通過(guò)了國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的鑒定，標(biāo)志著X80級(jí)φ1 219 mm×22 mm螺旋預(yù)精焊制管工藝技術(shù)達(dá)到了工業(yè)化產(chǎn)品批量生產(chǎn)的能力和水平。預(yù)精焊良好的性能價(jià)格比必將被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外用戶所接受，從而適應(yīng)管線管向高性能、高鋼級(jí)、大壁厚和高尺寸精度發(fā)展的要求。

［1］陳宏達(dá)，霍春勇，馬秋榮，等.落錘試驗(yàn)異常斷口的評(píng)價(jià)[C]//西氣東輸管道工程技術(shù)論文集.北京：中國(guó)石油工業(yè)出版社，2004：235-240.

［2］李鶴林.天然氣輸送鋼管研究及應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001，13（12）：349-352.

［3］馮耀榮，李鶴林，霍春勇，等.油氣管道失效抗力指標(biāo)與技術(shù)要求探討［J］.石油學(xué)報(bào)， 1999， 20（05）： 62-65.

［4］馮耀榮，莊茁，莊傳晶，等.裂紋嘴張開(kāi)角CTOA及在輸氣管線止裂預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2003,24（4）:99-107.

［5］JAHDE D，A1-SHARIF A M，STARKE M.獨(dú)立輸氣干線（ITP）及超深海惡劣環(huán)境下管線面臨的挑戰(zhàn)［C］//2006石油天然氣管道工程技術(shù)及微合金化鋼國(guó)際研討會(huì)論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：19-24.

［6］張善保，楊永波，郝路平，等.油氣輸送螺旋管預(yù)精焊焊接工藝與設(shè)備[J].金屬加工，2010（S1）：76-80.

［7］李影,李國(guó)義,馬文鑫.我國(guó)油氣管道建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)西部科技，2009（14）:52-59.

［8］李鶴林.中國(guó)焊管50年[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［9］ARISTOTELE R,DIVITO L F,BARSANTI L.Welding X100 steels for gas pipelines[J]．Welding international，2004，18(11):877-882.

［10］高惠臨.管線鋼-組織性能焊接行為[M].西安：陜西科技出版社，1995.