劉 斌， 韋 奉， 趙 勇， 牛 輝， 王 琴

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院， 陜西 寶雞721008；2. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；3. 中國石油西部管道公司， 烏魯木齊830000）

0 前 言

我國天然氣產(chǎn)業(yè)目前已進(jìn)入快速發(fā)展階段，市場需求也邁入快速增長階段， 預(yù)計(jì)2025 年天然氣消費(fèi)量將達(dá)到4 500 億m3/a， 需要輸送的天然氣流量越來越大。 與此同時(shí)， 由于受到土地、環(huán)境的限制及對輸送效率提高的要求， 天然氣長輸管道的單管輸量、 管徑及壁厚也隨之增大[1-3]。 西氣東輸一線采用X70 鋼級(jí)Φ1 016 mm×14.7 mm 焊管， 輸送能力最高可達(dá)170 億m3/a。 西氣東輸二線、 三線提高了鋼管的鋼級(jí)和管徑， 采用X80 鋼級(jí)Φ1 219 mm×18.4 mm、 Φ1 219 mm×22 mm 和Φ1 422 mm×21.4 mm 焊管， 設(shè)計(jì)輸量提高到250～300 億m3/a 及以上[4-6]。 而根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃， 西氣東輸后續(xù)管道工程將采用X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm 焊管， 壁厚最大將達(dá)到38.5 mm， 用于3 類地區(qū)的大中型穿越地段。

近年來， 隨著中俄東線天然氣管道工程建設(shè)需要， 國內(nèi)制管企業(yè)聯(lián)合國內(nèi)大型鋼廠開發(fā)出X80鋼級(jí)Φ1 422 mm 直縫焊管， 壁厚21.4～32.1 mm[7-8]。但是X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管的開發(fā)， 由于鋼級(jí)高、 壁厚大， 制管設(shè)備已接近能力極限， 前期尚無該規(guī)格產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。本研究以西氣東輸四線用X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管開發(fā)為目標(biāo)， 介紹了X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5mm 直縫埋弧焊管的試制情況，并對其各項(xiàng)性能進(jìn)行了分析， 對比分析了不同壁厚取樣位置對管體拉伸性能、 夏比沖擊韌性、 落錘撕裂性能的影響， 為以后的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)的確定及新產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 板材性能

1.1 化學(xué)成分

X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用熱軋鋼板采用超低C、 Mn-Mo-Ni-Cu 合金體系的成分設(shè)計(jì)， CEPcm控制在0.19%以內(nèi)[9-10]， 其主要化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚鋼板的主要化學(xué)成分

1.2 顯微組織

X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用熱軋鋼板組織主要以粒狀貝氏體+多邊形鐵素體為主， 由于壁厚較大， 鋼板上下表層與壁厚1/4 位置、 壁厚3/4 位置及壁厚中心處顯微組織在均勻性上存在一定的差異， 但壁厚中心處晶粒組織較細(xì)小、 均勻。 壁厚方向上各位置顯微組織如圖1 所示。

1.3 板材力學(xué)性能

對X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管用38.5 mm×4 320 mm×12 500 mm 規(guī)格熱軋鋼板進(jìn)行了不同壁厚位置的拉伸試驗(yàn)、 夏比沖擊試驗(yàn)、 HV10硬度試驗(yàn)及落錘試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表2 和表3。

由表2 和表3 可見， 38.5 mm 壁厚鋼板在不同壁厚位置試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)均小于10 MPa， 表明38.5 mm 壁厚鋼板在壁厚方向上的拉伸性能較均勻； 同時(shí)， 鋼板厚度截面不同位置-20 ℃夏比沖擊功均大于400 J，在-37 ℃時(shí)的DWTT 單面和雙面減薄試樣剪切面積均大于85%， 表明鋼板具有優(yōu)異的低溫?cái)嗔秧g性。

圖1 X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚鋼板顯微組織

表2 X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚熱軋鋼板主要力學(xué)性能

表3 -37 ℃時(shí)38.5 mm 壁厚熱軋鋼板DWTT 剪切面積

2 焊接工藝研究

對于大壁厚熱軋鋼板的埋弧焊接， 由于壁厚的增大， 易出現(xiàn)焊縫成形不良、 熔深不足的問題。 同時(shí)隨著壁厚的增大， 焊接熱輸入量也變大， 焊接缺陷產(chǎn)生的概率也隨之增加[11-12]。 此外， 大熱輸入量將造成熱影響區(qū)的軟化， 易出現(xiàn)反彎不合格。 因此， 需要對大壁厚熱軋鋼板的埋弧焊接工藝進(jìn)行研究， 避免出現(xiàn)熔深不足、未熔透等焊接缺陷及焊接接頭出現(xiàn)軟化、 脆化的現(xiàn)象。

針對38.5 mm 大壁厚熱軋鋼板化學(xué)成分特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了兩種焊材匹配及焊接工藝的焊接試驗(yàn)方案（見表4）。

表4 焊接試驗(yàn)方案

采用上述方案按照焊速1.1 m/min 進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 焊后鋼管不同壁厚位置焊縫及熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖2 和圖3 所示。 由圖2 和圖3 可以看出， 采用方案二進(jìn)行焊接時(shí)， 不同壁厚位置焊縫及熱影響區(qū)沖擊功高于方案一， 在試制時(shí)確定采用方案二的焊材匹配及焊接工藝進(jìn)行埋弧焊接。焊接后的焊縫宏觀形貌如圖4 所示。

圖2 鋼管不同壁厚位置焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 鋼管不同壁厚位置熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 采用方案二焊接后的焊縫宏觀形貌

采用方案二進(jìn)行埋弧焊接， 可以保證X80 Φ1 422 mm×38.5 mm 厚壁直縫埋弧焊管焊接接頭力學(xué)性能的優(yōu)異， 焊后焊縫形貌良好， 焊縫與母材過渡平滑， 未出現(xiàn)明顯的焊縫缺陷。焊縫宏觀金相檢測結(jié)果見表5。

表5 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊縫宏觀金相實(shí)測結(jié)果

3 擴(kuò)徑工藝研究

機(jī)械擴(kuò)徑是直縫埋弧焊管制造過程中的重要工序， 它可以消除焊管成型以及焊接過程中形成的殘余應(yīng)力， 提高焊管幾何尺寸精度及強(qiáng)度[13-15]。 在機(jī)械擴(kuò)徑過程中存在不可避免的變形不均勻性， 為提高成管質(zhì)量， 需嚴(yán)格控制擴(kuò)徑率。 在生產(chǎn)線上對X80 Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管進(jìn)行了0.6%、 0.7%擴(kuò)徑率的擴(kuò)徑試驗(yàn)， 確定最佳擴(kuò)徑工藝， 保證管材各項(xiàng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

試驗(yàn)后在管體距焊縫180°位置處、 壁厚中心位置取橫向圓棒拉伸試樣， 試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6 可以看出， 隨著擴(kuò)徑率由0.6%增加到0.7%時(shí)， 屈服強(qiáng)度平均值由602 MPa 上升到623 MPa， 抗拉強(qiáng)度平均值由682 MPa 上升到685 MPa， 屈強(qiáng)比也隨擴(kuò)徑率上升， 平均值由0.88 增加到0.91。

0.7%擴(kuò)徑率下， X80 Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管壁厚中心橫向拉伸屈強(qiáng)比已有單值接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限0.93， 擴(kuò)徑率進(jìn)一步增加的空間較小， 因此， 在實(shí)際生產(chǎn)中選擇0.7%左右的擴(kuò)徑率較為合適。

表6 擴(kuò)徑率對X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體拉伸性能的影響

4 產(chǎn)品性能

對試制的X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管進(jìn)行了金相組織、 拉伸性能、 夏比沖擊韌性、 DWTT、 硬度等性能檢測， 結(jié)果如下。

4.1 金相組織

對X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體和焊接接頭進(jìn)行了金相組織觀察，如圖5 和圖6 所示。 由圖5 和圖6 可見， 管體組織為粒狀貝氏體+多邊形鐵素體， 外焊焊縫組織為晶內(nèi)針狀鐵素體+粒狀貝氏體+多邊表鐵素體， 熱影響區(qū)組織為粒狀貝氏體， 具有較明顯的晶粒邊界， 細(xì)晶區(qū)組織為多邊形鐵素體+少量細(xì)小的M-A 組元。

圖5 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體金相組織形貌

圖6 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭金相組織形貌

4.2 拉伸性能

為了全面了解不同取樣位置對大壁厚直縫焊管管體拉伸性能的影響， 同時(shí)也為后期“西氣東輸四線管道工程用X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管技術(shù)條件” 的制定提供技術(shù)支撐，分別在距焊縫180°位置處的焊管內(nèi)表面、 壁厚中心、 焊管外表面取圓棒拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 試樣標(biāo)距長50 mm、 直徑12.7 mm， 試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5305 型300 kN 萬能試驗(yàn)機(jī)。 在焊接接頭處取橫向全壁厚矩形試樣進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)， 試樣標(biāo)距長50 mm、 寬38.1 mm， 試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為SHT5106 型1 000 kN 拉力試驗(yàn)機(jī)。 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—18， 試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7 可以看出， 焊管內(nèi)表面、 壁厚中心、外表面處管體屈服強(qiáng)度單值為560～694 MPa，平均值為619～643 MPa， 抗拉強(qiáng)度單值為635～758 MPa， 平均值為692～701 MPa， 屈強(qiáng)比單值為0.87～0.94， 平均值為0.89～0.92。 焊接接頭抗拉強(qiáng)度單值為650～701 MPa， 平均值675 MPa，均符合Q/SY XG 0120.4—2019 《西氣東輸四線天然氣管道工程用X80 級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》 （以下簡稱“西氣東輸四線用X80 直縫焊管技術(shù)條件”） 和 《D1 422 mm×38.5 mm 管材單爐試制程序及要求》 （以下簡稱 “試制程序”） 的要求。 從表7 還可看出， 從內(nèi)表面到外表面，拉伸試樣的屈服強(qiáng)度、 屈強(qiáng)比呈上升趨勢。 焊管在成型過程中內(nèi)表面受壓應(yīng)力， 外表面受拉應(yīng)力， 外表面由于塑性變形的影響， 強(qiáng)度略高于內(nèi)表面。

表7 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 沖擊韌性

分別在距焊縫90°位置處的管體和焊接接頭取管體橫向、 焊縫中心、 熱影響區(qū)的夏比沖擊試樣樣坯， 為全面了解不同取樣位置對大壁厚直縫焊管管體沖擊韌性的影響， 在靠近焊管內(nèi)表面、 壁厚中心、 外表面處加工成10 mm×10 mm×55 mm 的沖擊試樣， V 形缺口沿壁厚方向垂直焊管表面。試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為NI750F， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—18， 試驗(yàn)結(jié)果見表8。

由表8 可以看出， X80 Φ1 422 mm×38.5 mm直縫埋弧焊管在-10 ℃時(shí)管體橫向沖擊功單值為316～488 J， 平均值為401 J； 焊縫沖擊功單值為101～263 J， 平均值為165 J； 熱影響區(qū)沖擊功單值為116～489 J， 平均值為294 J， 均符合西氣東輸四線用X80 直縫焊管技術(shù)條件和試制程序的要求， 并有較大的余量， 焊管內(nèi)表面、 壁厚中心、 外表面沖擊韌性值變化不大， 表明試制的X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

表8 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管夏比沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

4.4 DWTT 性能

在距焊縫90°位置處管體取橫向DWTT 試樣， 試樣尺寸為305 mm×76 mm×19 mm， 采用單面和雙面減薄的方法對試樣進(jìn)行加工。 缺口型式為標(biāo)準(zhǔn)壓制V 形缺口， 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為JL-50000J， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 6476—2017， 試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9 可見， -22 ℃時(shí) （相當(dāng)于全壁厚試樣試驗(yàn)溫度為-5 ℃時(shí)）， 管體落錘撕裂試驗(yàn)單面減薄試樣剪切面積單值為90%～100%， 平均值為94%， 雙面減薄試樣剪切面積單值為80%～100%， 平均值為90%， 均滿足西氣東輸四線用X80 直縫埋弧焊管技術(shù)條件和試制程序的要求。

表9 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管DWTT 性能試驗(yàn)結(jié)果

X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管在-60 ℃、 -47 ℃、 -32 ℃、 -22 ℃、 3 ℃系列溫度下DWTT 剪切面積韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖7所示， 試樣為雙面減薄。

圖7 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管管體橫向DWTT 剪切面積韌脆轉(zhuǎn)變曲線

管體橫向雙面減薄試樣在-22 ℃ （相當(dāng)于全壁厚試樣在-5 ℃） 下的DWTT 剪切面積大于85%， DWTT 試驗(yàn)FATT85%為-34 ℃ （相當(dāng)于全壁厚試樣DWTT 試驗(yàn)FATT85%為-17 ℃），表明試制的X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管具有良好的低溫抗撕裂韌性， 并存在一定的余量， 可以滿足-5 ℃以下長輸管線的用管要求。

4.5 硬度

在X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭處取全壁厚橫截面試樣， 進(jìn)行10 kg 載荷維氏硬度試驗(yàn)， 試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為HVS-50A， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E92—17， 試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表10 可以看出， 母材區(qū)硬度為206HV10～248HV10， 平 均 值 為222HV10； 焊 縫 處 硬 度 為225HV10～260HV10， 平均值為242HV10； 熱影響區(qū)硬度為213HV10～258HV10， 平均值為230HV10。 由統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看， 焊縫區(qū)域硬度最高， 熱影響區(qū)其次， 母材區(qū)最低， 均符合西氣東輸四線用X80 直縫埋弧焊管技術(shù)條件和試制程序的要求， 焊接接頭未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

5 “鋼板-鋼管”性能變化規(guī)律

X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫埋弧焊管不同壁厚位置制管前后鋼板-鋼管性能變化情況見表11 和表12。

表11 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫焊管制管前后不同壁厚位置屈服強(qiáng)度變化情況

表12 X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 直縫焊管制管前后不同壁厚位置抗拉強(qiáng)度變化情況

由表11 和表12 可見， 制管后不同壁厚位置拉伸試樣的屈服強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度均呈上升趨勢，屈服強(qiáng)度上升幅度較大， 為89～107 MPa， 平均升高99 MPa； 抗拉強(qiáng)度上升幅度較小， 為20～28 MPa， 平均升高25 MPa， 導(dǎo)致制管后屈強(qiáng)比上升較快。 板-管性能變化規(guī)律的掌握有助于了解厚壁焊管在制管過程中的性能變化情況， 可進(jìn)一步優(yōu)化成型和擴(kuò)徑工藝。

6 結(jié) 論

（1） 采用超低C、 Mn-Mo-Ni-Cu 合金體系的成分設(shè)計(jì)， CEPcm控制在0.19%以內(nèi)， 開發(fā)出了以粒狀貝氏體+多邊形鐵素體為主的38.5 mm壁厚X80 熱軋鋼板。

（2） 通過對焊接、 擴(kuò)徑等制管工藝的研究，開發(fā)出了X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm 厚壁直縫埋弧焊管， 通過力學(xué)性能、 斷裂韌性、 維氏硬度等理化性能檢測， 結(jié)果表明， 各項(xiàng)性能均滿足Q/SY XG 0120.4—2019 《西氣東輸四線天然氣管道工程用X80 級(jí)直縫埋弧焊管技術(shù)條件》 和《D1 422 mm×38.5 mm 管材單爐試制程序及要求》 的要求。

（3） 掌握了X80 鋼級(jí)38.5 mm 壁厚板材由鋼板到焊管的性能變化規(guī)律， 為該焊管產(chǎn)品后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。