王紅偉 吉玲康 張驍勇 王海濤 唐家睿

(1.西安石油大學 陜西 西安 710065;2.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

管道輸送是石油天然氣最經(jīng)濟、合理的運輸方式。尤其隨著天然氣需求的日益增加，大口徑、高壓力長輸管線建設迅速發(fā)展，加拿大的統(tǒng)計分析表明，鋼管每提高一個鋼級可減少管線建設成本7%［1～3］。西氣東輸二線工程中已經(jīng)大規(guī)模采用了大口徑、大壁厚的X80 鋼管，繼續(xù)開發(fā)應用X90 及以上鋼級管線鋼是輸送天然氣管道提高輸送能力和經(jīng)濟性的重要方式之一。由X80鋼管大規(guī)模的應用經(jīng)驗來看，高鋼級管道的鋼管拉伸性能及其波動范圍對管道服役性能起著至關重要的作用［4、5］。本文對國內(nèi)批量試制的X90 鋼管及板材拉伸性能進行研究，分析了X90 鋼管及板材拉伸性能問題及產(chǎn)生原因。

1 試樣制備與試驗方法

國內(nèi)11 家鋼鐵公司和8 家石油管制造公司參與了本次小批量試制，實驗材料為本次小批量試制X90 螺旋埋弧焊管及板卷和直縫埋弧焊管及鋼板，鋼管規(guī)格為Φ1 219 mm×16.3 mm。

為了更好地比較板材和鋼管的性能變化情況，避免試樣形狀對拉伸強度的影響，在板材和鋼管上均取棒樣。管體拉伸試樣在距焊縫180°位置截取橫向試樣;板卷拉伸試樣在板寬1/2 處沿30°成型方向截取試樣;鋼板拉伸試樣在板寬1/2 處截取橫向試樣;焊接接頭拉伸試樣為橫向矩形試樣。管體拉伸試樣規(guī)格為Φ8.9 mm×35 mm，板材拉伸試樣規(guī)格為Φ12.7 mm×50 mm，焊接接頭拉伸試樣規(guī)格為38.1 mm×50 mm。

拉伸試驗在UTM5303、SHT4106 試驗機上進行，試驗標準為ASTM A370 -2013《鋼鐵產(chǎn)品力學性能標準試驗方法和定義》?；瘜W成分檢驗在ARL 4460 直讀光譜儀和LECO TC600 氧氮分析儀上進行。

2 試驗結果與討論

2.1 管體元素分析

螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的典型化學成分見表1 和表2。螺旋埋弧焊管的C 元素含量高于直縫埋弧焊管，Mo 等合金元素的含量也比直縫埋弧焊管偏高，因而CEPcm和CEIIW也偏高。這種成分設計的主要原因是由于高鋼級板卷在制造過程中經(jīng)高溫卷曲工藝，會使屈服強度一定程度下降，略高的化學成分設計保證了板卷強度的需求。

2.2 管體拉伸分析

圖1 為螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的抗拉強度、屈服強度以及屈強比分布。圖1 中虛線為API Spec 5L《管線鋼規(guī)范》對X90 管線鋼管屈強比的臨界要求(≤0.95)，可見X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管屈強比除個別外均符合要求，但直縫埋弧焊管屈強比更接近臨界值，按式(1)分別對兩種管體的屈強比裕量進行計算:X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的管體屈強比裕量分別為9.5%和4.2%，螺旋埋弧焊管屈強比裕量比直縫埋弧焊管裕量要高出一倍。

表1 X90 螺旋埋弧焊管化學成分 %

表2 X90 直縫埋弧焊管化學成分 %

式中，(Y/T)ave為平均值;(Y/T)crit為對管線鋼屈強比最低要求。

圖1 X90 埋弧焊管拉伸性能測試結果

圖2 為X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸強度頻率分布情況，表3 為X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的試樣拉伸性能分析對比結果。如表3 所示，對于X90 螺旋埋弧焊管，管體的抗拉強度范圍為700 MPa ～815 MPa，屈服強度范圍605 MPa ～725 MPa;板卷的抗拉強度范圍698 MPa ～825 MPa，屈服強度586 MPa ～690 MPa。管體抗拉強度平均值與板卷一樣，屈服強度平均值橫向上升16 MPa。板卷拉伸強度離散性略小于管體，較穩(wěn)定。對于X90 直縫埋弧焊管，管體的抗拉強度范圍為700 MPa ～814 MPa，屈服強度范圍635 MPa ～763 MPa;鋼板的抗拉強度范圍715 MPa ～807 MPa，屈服強度539 MPa ～617 MPa。管體抗拉強度平均值比鋼板低5 MPa，屈服強度平均值比鋼板高97 MPa。板材拉伸強度離散性略小于管體，較穩(wěn)定。

圖2 X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸頻率分布

X90 螺旋埋弧焊管與直縫埋弧焊管相比較，螺旋埋弧焊管管體抗拉強度與直縫埋弧焊管相當，但屈服強度低30 MPa，所以，螺旋埋弧焊管的屈強比更優(yōu)。兩者的拉伸強度離散性幾乎一致。

表3 X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管拉伸性能結果對比

由此可見，在制管過程中，強度因為形變強化的作用而提高。螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管的抗拉強度提高都不顯著，但屈服強度明顯提高。直縫埋弧焊管的屈服強度變化遠大于螺旋埋弧焊管，螺旋埋弧焊管為30°方向(成型角)卷曲成型，而直縫埋弧焊管為橫向卷曲成型，特別是比螺旋埋弧焊管增加了擴徑工序，形變強化更大。板材由于橫向織構的影響，其橫向強化作用更明顯［6］。

螺旋埋弧焊管屈服強度有個別數(shù)據(jù)低于X90 鋼級強度要求，其原因是板卷頭、尾切除較少，性能不穩(wěn)定部位剩余較多，由此制成的螺旋埋弧焊管局部屈服強度較低。

2.3 焊接接頭拉伸分析

圖3 是X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣斷裂位置統(tǒng)計結果。X90 螺旋埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)斷裂最多，其次為熔合線，共計超過65%，管體處和焊縫處斷裂在其之后，分別占20.6%和12.7%;直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)和熔合線斷裂最多，共計超過85%，其次為管體，占12.8%，沒有試樣在焊縫處斷裂。

X90 螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣在熱影響區(qū)和熔合線斷裂較多，而且兩者所占比例相近。X90 螺旋埋弧焊管拉伸試樣超過65%的斷裂位置和X90 直縫埋弧焊管拉伸試樣更超過85%的斷裂位置都在熱影響區(qū)和融合線處。直縫埋弧焊管焊接接頭試樣在熱影響區(qū)和熔合區(qū)斷裂的比例比螺旋埋弧焊管高。

圖3 X90 埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣斷裂位置統(tǒng)計

表4 為此次批量生產(chǎn)X90 埋弧焊管焊接接頭各區(qū)域硬度統(tǒng)計分布，從表4 中可以看出，X90 埋弧焊管管體硬度均值為247HV10，熱影響區(qū)硬度均值為226HV10，焊縫金屬硬度均值為243HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低17HV10和21HV10;X90 螺旋埋弧焊管管體硬度均值為255HV10，熱影響區(qū)硬度均值為234HV10，焊縫金屬硬度均值為246HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低12HV10和21HV10;X90 直縫埋弧焊管管體硬度均值為238HV10，熱影響區(qū)硬度均值為218HV10，焊縫金屬硬度均值為240HV10，熱影響區(qū)硬度比焊縫金屬和管體分別低22HV10和20HV10。

焊接接頭硬度從焊縫金屬/管體到熱影響區(qū)有一個明顯的下降，存在一定的軟化現(xiàn)象，直縫埋弧焊管的熱影響區(qū)比螺旋焊管的軟化現(xiàn)象更為嚴重。螺旋埋弧焊管的碳元素、合金元素以及碳當量均比直縫埋弧焊管高，高的化學元素含量對熱影響區(qū)軟化有著更好的抑制作用。

表4 X90 埋弧焊管硬度和測量位置關系圖

圖4 為X90 鋼管焊接接頭各區(qū)域典型顯微組織照片，X90 管線鋼管體具有典型的粒狀貝氏體(B粒)組織特征。熔合區(qū)為B粒+馬氏體奧氏體(MA)組織，MA 分布于原奧氏體晶界。與管體相比，熔合區(qū)的晶粒明顯粗大。細晶區(qū)為多邊形鐵素體(PF)+MA 組織，規(guī)則亮白色區(qū)域為PF 組織，間隔著黑色硬質MA 組元，PF 為軟相組織，所占比例較大。熔合區(qū)晶粒粗化是熱影響區(qū)軟化的主要原因。軟化區(qū)是拉伸性能薄弱部位，造成焊接接頭拉伸斷裂位置集中于熔合線和熱影響區(qū)。

圖4 X90 焊接接頭各區(qū)域金相照片

3 結 論

1)小批量試制的X90 管線鋼管強度總體滿足X90鋼級的強度要求，X90 螺旋埋弧焊管抗拉強度范圍700 MPa ～815 MPa，屈服強度范圍605 MPa ～725 MPa;直縫埋弧焊管抗拉強度范圍為700 MPa ～814 MPa，屈服強度范圍635 MPa ～763 MPa。螺旋埋弧焊管與直縫埋弧焊管抗拉強度相當，而屈服強度明顯低于直縫埋弧焊管，其屈強比較低。

2)螺旋埋弧焊管板卷成型過程中屈服強度提高了16 MPa;直縫埋弧焊管鋼板成型過程中屈服強度提高了97 MPa。故應注意控制板卷和鋼板的屈服強度水平。

3)對于X90 鋼管焊接接頭拉伸斷裂位置的統(tǒng)計表明，焊接接頭在熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生斷裂所占比例最大。熔合區(qū)晶粒粗化和軟化是造成焊接接頭在熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生拉伸斷裂的主要原因。

［1］李鶴林.天然氣輸送管研究中的幾個熱點問題［J］.中國機械工程，2001，12(13):349 -352.

［2］王曉香.當前管線鋼管研發(fā)的幾個熱點問題［J］. 焊管，2014，37(4):5 -12.

［3］張小立.X80 高鋼級管線鋼和鋼管組織與力學性能［J］.中原工學院學報，2010，21(4):9 -13.

［4］李為衛(wèi)，王亞龍，李 洋，等.小批量試制X80 級板卷及焊管的拉伸性能分析［J］.焊管，2008，31(5):16 -19.

［5］李 洋，張偉為，吉玲康，等.屈強比對X80 鋼性能的影響［J］.機械工程材料，2010，34(10):31 -35.

［6］李 洋，林冠發(fā)，吉玲康，等.退火對熱軋X80 管線鋼織構和斷口分離的影響［J］. 機械工程材料，2010，34(10):14-18.