兩種不同成分X70M管線鋼在HFW焊管中的應(yīng)用

胡松林，肖光成

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200940）

隨著中直徑高頻焊接（HFW）管線管越來越多地應(yīng)用到油氣輸送等領(lǐng)域，較高鋼級HFW管線管的開發(fā)應(yīng)用也進(jìn)入到規(guī)模化的商業(yè)運(yùn)作階段。近年來，隨著管線鋼制造技術(shù)的發(fā)展和使用中不斷對提高輸送效率的要求，中直徑X70以上較高鋼級HFW管線管得到市場的青睞［1-3］。

對于X70鋼級管線鋼，由于使用的制管工藝不同，在成分和軋制技術(shù)方面往往會采取不同的措施來實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求。掌握各類產(chǎn)品的性能變化，是管線管制造的核心技術(shù)之一。本文將介紹兩種不同成分的X70M鋼級管線鋼，在同一HFW焊管工藝中進(jìn)行的生產(chǎn)性應(yīng)用，分析其在制管過程中的力學(xué)性能變化和控制，為建立HFW管線管的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制和管線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

1 制管用原材料

目前，對于X70鋼級高韌性管線鋼，在批量性商業(yè)化制造中，采取的成分設(shè)計(jì)是基于C-Mn-Si的合金化發(fā)展而來的。其一是通過添加少量的Nb、V、Cr等合金元素，采取合適的控制軋制和冷卻工藝獲得鐵素體/珠光體組織，滿足X70鋼級管線鋼的強(qiáng)度和韌性要求；其二是添加少量的Cu、Ni、Cr和合金元素Mo等，獲得鐵素體/針狀鐵素體組織，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌性能的需要［4-7］。通常，采取第1種成分體系具有相對較強(qiáng)的制造成本優(yōu)勢，而第2種成分體系更具有良好的韌性性能。

對于HFW焊管來講，由于制管過程存在加工硬化和包辛格效應(yīng)的雙重作用，在確定加工材料性能時(shí)，依照經(jīng)驗(yàn)，鐵素體/珠光體組織管線鋼在制管后屈服強(qiáng)度會有所降低，而針狀鐵素體組織管線鋼的會有所增加；兩種鋼在抗拉強(qiáng)度上的變化相對較小。由于各制管機(jī)組成型工藝和控制技術(shù)等的不同，這種變化存在一定的差異。掌握特定材料及工藝條件下的這一變化規(guī)律，對控制及實(shí)現(xiàn)HFW焊管的最終成品性能尤為必要［8-9］。寶山鋼鐵股份有限公司分別采用兩種成分的X70 M鋼級管線鋼，以同一成型、焊接和熱處理等工藝技術(shù)［10-11］，在HFW制管機(jī)組上進(jìn)行了制管，并制造出外徑610 mm、壁厚12.7 mm的HFW焊管。兩種不同成分的X70M管線鋼的熔煉成分見表1。A鋼主要添加Mo、Cu、Ni等合金元素，為鐵素體/針狀鐵素體（F/AF）組織鋼；B鋼主要添加Cr、V等合金元素，為鐵素體/珠光體（F/P）組織鋼。對應(yīng)兩種鋼所使用的鋼卷力學(xué)性能見表2。

表1 兩種不同成分X70M管線鋼的熔煉成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 兩種鋼卷的力學(xué)性能（平均值）

2 制管后的成分及性能

對A、B兩種管線鋼制管后的鋼管，按照API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)和分析［12-13］，結(jié)果如下。

2.1 成品成分

兩種成分的HFW焊管的化學(xué)成分見表3。

表3 兩種成分的HFW焊管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 制管過程材料的力學(xué)性能變化

2.2.1 拉伸性能

A、B鋼在制管前、后的拉伸性能如圖1所示。與制管前相比，制管后A鋼的管體屈服強(qiáng)度下降約7.7 MPa，抗拉強(qiáng)度相近，無明顯性能變化；焊縫的抗拉性能接近管體性能。制管后B鋼的管體屈服強(qiáng)度下降約34.4 MPa，抗拉強(qiáng)度無明顯變化；焊縫的抗拉性能與管體相近。

圖1 A、B鋼制管前、后的拉伸性能

A、B鋼制管后的拉伸性能均滿足技術(shù)規(guī)范的要求。相對而言，A鋼制管前后的管體性能變化不大，而B鋼制管后的管體性能呈現(xiàn)明顯的變化，如圖2所示。

2.2.2 沖擊韌性

對制管后的兩種鋼對應(yīng)鋼管的管體和焊縫進(jìn)行了沖擊韌性比較，如圖3所示。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-10℃。結(jié)果表明：兩種鋼所制造的焊管的沖擊功均滿足技術(shù)規(guī)范的要求；相對而言，B鋼的沖擊功均值高于A鋼，這與B鋼冶煉的純凈度、夾雜物控制及控軋技術(shù)等密切相關(guān)；A鋼的沖擊功值表現(xiàn)得更為穩(wěn)定。

圖2 A、B鋼制管前、后的性能變化

圖3 A、B鋼焊管沖擊性能對比（平均值）

2.2.3 DWTT試驗(yàn)

對A、B鋼制管后的管體進(jìn)行了落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT），其剪切面積百分比如圖4所示。A、B鋼均表現(xiàn)出良好的DWTT性能；相對而言，A鋼的DWTT性能更顯穩(wěn)定。

2.3 對接性能

為了保障焊管在工程使用中的安全性，對A、B鋼焊管做了對焊焊接性試驗(yàn)，對接試驗(yàn)結(jié)果見表4，結(jié)果表明：A、B鋼焊管對焊的環(huán)焊性能滿足技術(shù)要求。

圖4 A、B鋼焊管DWTT試驗(yàn)性能（平均值）

表4 A、B鋼對焊焊接試驗(yàn)結(jié)果

注：①對接坡口均為V型；②根焊采用AWS A5.1 E6010焊絲，填充/蓋面采用AWS A5.5 E8018-G焊絲；③焊絲規(guī)格均為Φ4 mm；④導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)條件為彎曲直徑d=90 mm，彎曲角度α=180°；⑤沖擊試驗(yàn)條件為試驗(yàn)溫度-10℃，試樣尺寸7.5 mm×10 mm×55 mm。

2.4 HFW焊管的綜合性能評價(jià)

對兩種鋼經(jīng)HFW工藝焊接制成的鋼管進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合評價(jià)，各項(xiàng)力學(xué)性能結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：無論是管體還是焊縫，其綜合性能均符合API Spec 5L及用戶技術(shù)規(guī)范的要求［12-13］。

3 結(jié) 語

采用兩種不同成分的X70M管線鋼的HFW焊接制管，其產(chǎn)品性能滿足API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)及用戶技術(shù)規(guī)范的要求。A種鋼在制管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)較小的變化；B種鋼在制管后屈服強(qiáng)度有明顯下降，抗拉強(qiáng)度無明顯變化。兩種鋼在強(qiáng)度、韌性和焊接性方面均滿足HFW制管工藝的要求。A鋼表現(xiàn)出明顯的質(zhì)量穩(wěn)定性，而B鋼具有相對經(jīng)濟(jì)的制造成本優(yōu)勢。對高鋼級HFW焊管來講，選取質(zhì)量安全可靠、制造運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的材料是追求的目標(biāo)所在。

圖5 制管后HFW焊管的力學(xué)性能分布

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