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        22mm超大壁厚X80熱軋板卷頭、尾性能分析

        2019-04-22 05:39:44高俊星郭曉東王海生
        焊管 2019年3期
        關(guān)鍵詞:鋼廠管體內(nèi)圈

        陳 楠 ,高俊星 ,張 楠 ,郭曉東 ,王海生 ,陳 曦

        (1.渤海裝備華油鋼管公司,河北 青縣 062658;2.渤海裝備第一機(jī)械廠,河北 青縣 062658)

        對(duì)于天然氣輸送管道的設(shè)計(jì)和建設(shè),在不影響其運(yùn)行安全可靠性的前提下,如何最大限度地降低工程投資成本、提高管線(xiàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,一直是管道業(yè)界長(zhǎng)期關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,國(guó)際上主要采用大幅提高單管輸量的方法來(lái)降低管道建設(shè)成本,而提升管輸效率最有效的辦法則是增加鋼管直徑和壁厚[1]。近年來(lái),隨著西氣東輸三線(xiàn)、中俄東線(xiàn)等國(guó)內(nèi)外重大管道工程陸續(xù)開(kāi)工建設(shè),我國(guó)X80 螺旋埋弧焊管產(chǎn)品的最大壁厚已達(dá)22 mm[2]。管材壁厚增加導(dǎo)致厚度方向組織不均勻度增大,同時(shí),由于熱軋板卷在軋制過(guò)程中受壓下量、終軋溫度、冷卻速度、卷取溫度等因素影響,造成板卷頭、尾性能不穩(wěn)定區(qū)域出現(xiàn)。為檢測(cè)不同鋼廠生產(chǎn)的22 mm X80 板卷頭、尾性能,對(duì) X80 鋼級(jí) Φ1 219 mm×22 mm 螺旋埋弧焊管對(duì)應(yīng)的熱軋板卷頭、尾部拉伸性能、沖擊韌性、DWTT 性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析,以期為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

        1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)方案

        采用國(guó)內(nèi) 2 家鋼廠(A 鋼廠、B 鋼廠)生產(chǎn)的 X80 鋼級(jí) 1 550 mm×22 mm 熱軋板卷,分別生產(chǎn)Φ1 219 mm×22 mm 螺旋埋弧焊管。分別抽取兩家鋼廠各6 卷板卷(均不同爐)進(jìn)行制管后,對(duì)板卷頭部(外圈)1~3 m 處和尾部(內(nèi)圈)1.5~5.5 m 處相應(yīng)管段的性能進(jìn)行檢測(cè)[3]。在檢測(cè)區(qū)域內(nèi),按對(duì)應(yīng)板卷長(zhǎng)度方向每間隔1 m進(jìn)行取樣和試驗(yàn),鋼管取樣對(duì)應(yīng)位置及編號(hào)規(guī)則見(jiàn)表1。試驗(yàn)項(xiàng)目包括管體橫向的拉伸(2 組)、沖擊和DWTT 試驗(yàn)。

        表1 Φ1219mm×22mm螺旋埋弧焊管取樣位置

        1.2 試驗(yàn)方法

        拉伸試驗(yàn)采用標(biāo)距內(nèi)直徑為12.7 mm 的圓棒試樣,對(duì)應(yīng)管體橫向試驗(yàn),按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn) 《鋼制品機(jī)械試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》,在室溫下采用CMT5305 微機(jī)控制電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

        夏比沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)V 形夏比沖擊缺口試樣,對(duì)應(yīng)管體橫向試驗(yàn),按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn),在-10℃下采用ZBC2752N-3 微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。DWTT 試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn) V 形DWTT 缺口試樣,對(duì)應(yīng)管體橫向,按照 SY/T6476 標(biāo)準(zhǔn),在 0℃下采用 JL-50000 落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

        2 試驗(yàn)材料

        兩家鋼廠熱軋板卷化學(xué)成分見(jiàn)表2。由表2可以看出,成分設(shè)計(jì)上,兩家鋼廠均采用了低C、高 Mn 和 Mo-Cr-Ni 合金設(shè)計(jì)體系,同時(shí)通過(guò)添加一定量的Nb、V、Ti 等微合金元素實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶粒細(xì)化等作用,控制CEPcm≤0.20%。

        具體來(lái)看,C 含量、碳當(dāng)量分別控制在較低的水平,為材料獲得良好的可焊性奠定了基礎(chǔ);采用高的Mn 含量能一定程度上彌補(bǔ)了低C 的固溶強(qiáng)化損失,并且 Mn 還降低了 γ-α 相變的溫度,促使奧氏體向針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變,提高了X80 鋼的韌性[4];高Nb 設(shè)計(jì)主要是擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū),大量彌散細(xì)小析出的Nb(C,N)為相變提供了形核位置,從而可以顯著細(xì)化晶粒,進(jìn)而使X80 鋼的低溫韌性增加[5];添加適當(dāng)?shù)腗o 可實(shí)現(xiàn)在較寬的冷速區(qū)間內(nèi)均形成針狀鐵素體組織,改善厚壁板材表面及芯部的冷卻均勻性,細(xì)化心部組織[6];鑒于對(duì)鋼材性能的高標(biāo)準(zhǔn)的要求,Ni、Cr、Cu 元素的適量添加,進(jìn)一步增強(qiáng)了 X80 鋼的強(qiáng)韌性;同時(shí),嚴(yán)格控制S、P含量,不僅減少鋼的成分偏析和帶狀組織,而且提高了 X80 鋼的抗 HIC 和抗 SSCC 能力。提供原料的兩家鋼廠在V 的使用上有所差異,A 鋼廠產(chǎn)品成分中含有0.026%的V,而B(niǎo) 鋼廠幾乎沒(méi)有添加V。

        表2 國(guó)內(nèi)兩家鋼廠熱軋板卷化學(xué)成分 %

        3 試驗(yàn)結(jié)果

        兩家鋼廠板卷頭、尾部對(duì)應(yīng)管體橫向拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度點(diǎn)狀分布如圖1~圖2所示。夏比沖擊功點(diǎn)狀分布如圖3所示,兩家鋼廠板卷頭、尾部對(duì)應(yīng)管體橫向-10℃夏比沖擊韌性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。0℃管體橫向DWTT 剪切面積均為100%。

        表3 兩家鋼廠板卷頭、尾對(duì)應(yīng)管體橫向拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖1 管體橫向屈服強(qiáng)度

        圖2 管體橫向抗拉強(qiáng)度

        圖3 管體橫向-10℃夏比沖擊功

        表4 板卷頭、尾對(duì)應(yīng)管體橫向-10℃夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        4 分析與討論

        (1)從表3、表4 可以看出,A 鋼廠板卷制管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度平均值分別比B 鋼廠高 33 MPa 和 28 MPa,而 B 鋼廠-10℃夏比沖擊功平均值比 A 鋼廠高32 J。從表2化學(xué)成分上分析,造成兩家鋼廠產(chǎn)品強(qiáng)韌性匹配差異的原因可能與是否添加微合金元素V 有關(guān)。V 具有顯著的沉淀強(qiáng)化作用,在大量生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上,添加0.025%的V 可以使鋼的強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)[7],但V 又是強(qiáng)烈的碳氮化物形成元素,V 的析出不利于管線(xiàn)鋼的低溫韌性,兩家鋼廠在V 的使用上應(yīng)該是鋼強(qiáng)韌性匹配綜合考慮的結(jié)果。

        (2)以上力學(xué)性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,A、B 兩家鋼廠板卷制管后對(duì)應(yīng)板卷頭、尾部的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)條件的規(guī)定,板卷在制管后整體性能優(yōu)良。從圖1~圖3點(diǎn)狀分布來(lái)看,板卷頭、尾部個(gè)別區(qū)域的強(qiáng)度、韌性存在一定的離散度,但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看,距標(biāo)準(zhǔn)要求均具有較大的安全裕度,這種離散度是可以接受的。

        (3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在板卷強(qiáng)度、韌性離散處與性能穩(wěn)定處取樣進(jìn)行金相檢測(cè)分析,具體取樣位置為距板頭(外圈)1.0 m,距板尾(內(nèi)圈)1.5 m,距板尾(內(nèi)圈)2.5 m,距板尾(內(nèi)圈)3.5 m,顯微組織形態(tài)如圖4所示。通過(guò)顯微組織評(píng)級(jí),板頭主要以GB+QF+M/A 為主,晶粒度 12.0級(jí);板尾 1.5 m 處主要以 QF+PF+P 為主,晶粒度 10級(jí);板尾 2.5 m 處主要以 GB +QF+M/A 為主,晶粒度 11.5級(jí);板尾3.5 m 處組織主要以GB+QF+M/A 為主,晶粒度為 12.0級(jí)[8-10]。

        圖4 板卷不同位置處顯微組織

        從各位置組織分析可知,距板尾1.5 m 處的組織形態(tài)為QF+PF+P 與其他區(qū)域以GB 為主的組織形態(tài)有明顯差異。這是由于軋后控冷階段采用高效冷卻噴水裝置,對(duì)卷板上、下表面進(jìn)行精準(zhǔn)強(qiáng)制冷卻,以達(dá)到合適的冷卻速度。但在板卷尾部(內(nèi)圈)為了便于卷取,采用不噴水以降低冷卻速度的方式,造成了板卷尾部(內(nèi)圈)存在一定長(zhǎng)度的 “干頭”,使該區(qū)域組織中多邊形鐵素體含量偏高,并出現(xiàn)退化珠光體,晶粒粗化,板卷表面與芯部組織均勻度下降,并且由于相變溫度較高,殘余奧氏體大部分分解為塊狀的退化珠光體[8-10],降低了材料強(qiáng)度和韌性水平。因此,體現(xiàn)在力學(xué)性能上,靠近板卷尾部(內(nèi)圈)處性能略有偏低,并出現(xiàn)了一定的數(shù)值離散。

        5 結(jié) 論

        兩家鋼廠生產(chǎn)的X80 鋼級(jí)1 550 mm×22 mm超大壁厚熱軋板卷在制成Φ1 219 mm×22 mm螺旋埋弧焊管后,板卷頭部(外圈)1~3 m 及尾部(內(nèi)圈)1.5~5.5 m 范圍對(duì)應(yīng)的鋼管管體強(qiáng)度、夏比沖擊韌性及DWTT 性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,且各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。批量化生產(chǎn)過(guò)程中,建議鋼廠應(yīng)持續(xù)優(yōu)化軋制工藝,完善板卷強(qiáng)韌匹配,減小性能離散度。尤其嚴(yán)格控制板卷尾部(內(nèi)圈)“干頭” 長(zhǎng)度,保證性能均勻性,防止屈服強(qiáng)度離散度過(guò)大造成鋼管形變、管徑超差等缺陷。

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