孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658）

對于穿越永久凍土和不連續(xù)凍土區(qū)域的管道，需要特別關注凍脹和融沉可能會施加給管道的應力和應變。另外，地震和地質災害等也會造成過量塑性變形并引發(fā)管道災難性事故。北美的陸上管道已經開始啟用基于應變設計。我國從西氣東輸二線開始在地震和地質斷層區(qū)已經采用了基于應變的管線設計方法。除了周向載荷外，基于應變設計還必須考慮鋼管運動所造成的縱向應力。

管線鋼具有較高的強度、塑性和韌性，但縱向應變量一般較小。連續(xù)加工硬化會導致應變的非均勻分布，同樣環(huán)焊縫和相關聯(lián)的熱影響區(qū)的應變也會有所變化，因為這些區(qū)域的延性和韌性會小于管體。此外，為了保持鋼管周圍的永凍層，管道的運行溫度將低于0℃并考慮-20℃的設計。對于基于應變設計的管道，國內外已經做了大量的工作，開發(fā)并應用了大量的抗大變形鋼管，但基本上均為直縫鋼管。本研究應用基于應變設計的X80螺旋焊管，研究內容為：①縱向拉伸性能特性；②通過夏比沖擊試驗和CTOD試驗測定熱影響區(qū)的性能；③通過弧形寬板試驗評估鋼管的缺陷容量；④評估現(xiàn)場焊接工藝對環(huán)焊縫熱影響區(qū)（HAZ）性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

對于鋼管管體和焊接熱影響區(qū)的低溫斷裂韌性要求，為了獲得細小的針狀顯微組織，基于應變設計的X80鋼采取了低碳（w（C）≤0.06%），Ti-Nb微合金化的設計方案，主要化學成分見表1。利用Ti和Nb來實現(xiàn)得到細小的扁平奧氏體組織，在加速冷卻后轉變?yōu)獒槧铊F素體組織，Mn和Mo能促進組織從奧氏體轉變?yōu)獒槧罱M織，如圖1所示。通過提高鋼的潔凈度，盡可能減少夾雜物來提高鋼的韌性。嚴格控制Ti和N的含量以減少對斷裂韌性有害的TiN，這就需要研究特殊的熔煉工藝，將w（N）降到0.006%以下。

表1 試驗鋼的化學成分 %

圖1 試驗用X80管線鋼的顯微組織

1.2 鋼管生產

鋼管的制造采用螺旋成型工藝，制管后為了研究鋼管環(huán)氧涂覆時熱循環(huán)對鋼管性能的影響，對整根鋼管進行涂敷工藝中的感應加熱，加熱溫度為240℃，將鋼管在不超過100 s的時間內均勻加熱到峰值溫度后立即開始空冷。

為評價現(xiàn)場焊接性，在埃德蒙頓的RMS進行了GMAW環(huán)縫焊接。環(huán)焊縫采用了兩種焊接工藝，即雙焊炬焊接和改進的單焊炬焊接。所有試驗用鋼管均經過了涂敷熱循環(huán)，后期少量的環(huán)焊試驗由休斯敦的CRC-EVANS公司完成。

1.3 材料評價

由于采用壓平板狀試樣測得的結果一般低于鋼管的實際強度，因此，采用了CSA Z245《鋼管規(guī)范》規(guī)定的12.7 mm圓棒拉伸試樣。試樣盡可能靠近鋼管的內表面，從而使拉伸圓棒試樣可以涵蓋鋼管表面和中心的組織。縱向性能評價采用的是全壁厚板狀拉伸試樣。斷裂韌性通過鋼管的夏比沖擊試驗和落錘撕裂試驗評價。

對螺旋焊縫和現(xiàn)場GMAW焊縫進行了評價。包括硬度試驗和使用取自焊縫中心（縱向）的直徑5 mm的圓棒拉伸試樣對焊縫拉伸性能進行了評價。同時，還進行了全壁厚焊縫橫向拉伸試驗。

通過-20℃夏比沖擊試驗對焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的斷裂韌性進行評價，缺口位于焊縫中心、熔合線以及距熔合線1 mm和3 mm處。在-20℃進行了CTOD試驗，試樣缺口位于焊縫的中心線以及熔合線和鋼管壁厚中心交叉點。所有的CTOD試驗均由在休斯頓的鮑迪克檢測實驗室進行，采用寬厚比為2的試樣進行檢測。-20℃的弧形寬板（CWP）試驗在比利時根特大學進行，試樣缺口位于熔合線，缺口尺寸為3 mm×50 mm。

2 試驗結果

2.1 鋼管性能

2.1.1 拉伸性能

優(yōu)化了化學成分和軋制工藝的X80螺旋焊管的典型拉伸性能見表2。對于焊后狀態(tài)，管體縱向屈服強度比橫向約大40 MPa。

表2 X80螺旋焊管管體的拉伸性能

2.1.2 夏比沖擊性能

圖2 不同溫度下的試驗鋼管夏比沖擊性能（焊后狀態(tài)）

不同溫度下試驗鋼管的夏比沖擊性能如圖2所示。由圖2可以看出，試驗鋼管的夏比沖擊性能和DWTT性能都非常優(yōu)異，DWTT的轉變溫度低于-30℃，-20℃的夏比沖擊功達到了250 J。

2.2 焊縫性能

X80螺旋焊管焊縫形貌如圖3所示，硬度試驗的結果見表3。由圖3可以看出，緊鄰焊縫的部分熱影響區(qū)有軟化的現(xiàn)象。焊縫的拉伸性能見表4，焊縫拉伸試驗保留焊縫余高。

圖3 X80螺旋焊管焊縫形貌

表3 X80螺旋焊管硬度試驗結果 HV10

表4 X80螺旋焊管焊縫的拉伸性能（焊后狀態(tài)）

應該指出的是，所有焊縫金屬拉伸性能與管體縱向性能相當。焊縫處更大的壁厚保證了焊縫的承載能力將超過管體，這樣塑性應變將轉向管體。橫向焊縫拉伸試樣可能會在硬度最低的熱影響區(qū)斷裂。狹窄的“軟化”區(qū)與焊縫的組合，加上更厚的焊縫和強度更高的母材所帶來的約束使得載荷轉向母材，導致最終失效。

-20℃時X80螺旋焊管焊縫的韌性見表5，從表5可以看出，焊縫和熱影響區(qū)均表現(xiàn)出了良好的韌性?；⌒螌挵澹–WP）試樣的方向為鋼管的縱向，方向約為40°，試樣在失效前能夠承受很高的應變（＞5%），焊縫失效時的實物照片見圖4。

表5 X80螺旋焊管焊縫-20℃的韌性（焊后狀態(tài)）

圖4 弧形寬板試驗焊縫失效實物照片

2.3 涂敷熱循環(huán)

為了確定涂敷熱循環(huán)對力學性能的影響，將整根鋼管送入涂敷車間。該處理使管體橫向及縱向的屈服強度提高了大約40 MPa。涂敷熱循環(huán)前后管體應力-應變曲線如圖5所示。值得注意的是，盡管強度提高，但是沒有出現(xiàn)不連續(xù)屈服的現(xiàn)象。

圖5 涂敷熱循環(huán)前后管體縱向應力-應變曲線

2.4 現(xiàn)場GMAW焊接

X80焊管GMAW環(huán)焊縫硬度試驗結果見表6。由表6可看出，沒有進行熱影響區(qū)軟化，其原因是多道次GMAW工藝具有相對較高的冷卻速率。另外還進行了全焊縫金屬拉伸試驗，結果見表7。

表6 X80焊管GMAW環(huán)焊縫硬度試驗結果 HV10

表7 X80焊管環(huán)GMAW環(huán)焊縫拉伸性能

環(huán)焊縫及其熱影響區(qū)的性能至關重要。為了獲得這些性能，根特大學開展了弧形寬板（CWP）試驗。優(yōu)化合金成分和工藝后的GMAW環(huán)焊縫韌性性能見表8。遠端應變與管體母材的縱向屈服強度之間的關系如圖6所示。由圖6可看出，隨著屈服強度的降低，遠端應變顯著提高。這是由于采用了常規(guī)的焊接工藝和焊材，所以基本上實現(xiàn)了焊縫的過匹配。管體縱向的屈服強度越低，過匹配越大。數(shù)據的線性回歸表明，如果要實現(xiàn)2%的目標，管體縱向的屈服強度應小于675 MPa。

表8 優(yōu)化合金成分后-20℃的GMAW環(huán)焊縫韌性

圖6 遠端應變與管體縱向屈服強度之間的關系

3 分析討論

3.1 環(huán)焊縫的CTOD性能

為了研究焊接工藝對CTOD性能的影響，進行了焊接試驗。除了標準的雙焊炬工藝外，還試驗了單焊炬和串列焊接工藝，結果見表9。對每個焊縫在2點鐘和10點鐘位置進行了3個CTOD試驗。

在CRC Evans也進行了焊縫的夏比沖擊系列溫度試驗。夏比沖擊轉變曲線如圖7所示。由圖7可以看出，串列焊和單焊炬焊接的轉變溫度遠低于-30℃，而雙焊炬焊接的韌脆轉變溫度在-20℃。其顯微組織表明，低韌性值的雙焊炬焊接焊縫的熱影響區(qū)的晶粒更加粗大。由于對串聯(lián)焊接工藝的研究比較有限，CRC Evans和RMS對3次試制的鋼管進行了單焊炬焊接試驗，所有試驗結果均達到了0.1 mm的最低目標值，說明選擇合適的焊接工藝對環(huán)焊縫熱影響區(qū)韌性有著至關重要的影響。

表9 焊接工藝對CTOD性能的影響

3.2 性能檢測

第二個關注的問題通過環(huán)焊縫和管體縱向的過匹配得到了解決。試驗結果表明，采用弧形寬板試驗測得的鋼管的性能取決于環(huán)焊縫過匹配的程度。對于焊接屈服強度大于690 MPa的焊縫將很難確定焊材和工藝，需要使鋼管的縱向屈服強度小于650 MPa以保證足夠的過匹配。如上所述的焊接狀態(tài)條件下，管體縱向的屈服強度比管體橫向大約大40 MPa。因此，可以預計屈服強度560 MPa的管體縱向屈服強度約為600 MPa。涂敷工藝會使鋼管兩個方向的屈服強度都提高40 MPa，即管體縱向的屈服強度達到640 MPa。

在螺旋成型過程中，鋼管的外表面受到的是拉應力，而內表面則受到壓應力。因為螺旋焊管沒有整圓的冷擴徑工藝，管體橫向的強度會額外提高。圓棒拉伸試樣取自接近鋼管內表面的位置，該位置在成型時受到壓縮，由于包辛格效應將導致較低的屈服強度，但這并不代表鋼管的真實強度。圖8為脹環(huán)試驗、圓棒拉伸試驗和壓平板狀拉伸試驗的結果對比。從圖8中可以看出，壓平板狀拉伸試驗的平均屈服強度為512 MPa，圓棒拉伸試驗的平均屈服強度為595 MPa，脹環(huán)試驗的平均屈服強度為640 MPa。這表明圓棒拉伸試驗測得的鋼管強度非常保守。

圖8 3種試樣的試驗結果對比

為了解鋼管在制造過程中性能發(fā)生的變化，對焊后、水壓試驗后和涂敷熱循環(huán)后的狀態(tài)進行了試驗。鋼管在3種不同狀態(tài)的管體橫向屈服強度如圖9所示。焊后狀態(tài)鋼管的屈服強度大約為520 MPa， 隨后進行了 SMYS 95%（522.5 MPa）水壓試驗，當水壓試驗壓力接近鋼管實際屈服強度時，鋼管屈服強度提高（約為545 MPa），鋼管涂敷作業(yè)預期能使鋼管屈服強度提高40～50 MPa，從而使管體橫向最終的屈服強度平均達到了595MPa。

鋼管焊接后的屈服強度不能準確反映實際鋼管的最終性能，利用涂敷熱循環(huán)以及使用脹環(huán)試驗，能夠使管體橫向最低屈服強度達到要求，同時還能確保管體縱向的屈服強度小于650 MPa。

圖9 3種不同狀態(tài)下鋼管管體橫向屈服強度（圓棒試樣）

4 結 語

（1）基于應變設計的螺旋焊管應解決兩個關鍵問題：①環(huán)焊縫的韌性，特別是CTOD試驗；②環(huán)焊縫和管體縱向之間適當?shù)倪^匹配。研究表明，X80鋼級螺旋焊管能夠滿足應用于北極地區(qū)的基于應變設計的苛刻要求。

（2）雙焊炬焊工藝可以達到韌性要求，焊接工藝的選擇對焊接熱影響區(qū)韌性有顯著的影響，修改焊接工藝可以改進焊縫性能。

（3）建議依據抗大變形鋼管相關技術條件對高鋼級螺旋埋弧焊管進行分析研究，以研究用于基于應變設計的可行性。