X65MO鋼級高性能直縫埋弧焊管的研制*

路廣平，張志明，吳強，田鵬

（1.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司研究院，河北 青縣 062658）

海底油氣通過管道向陸地輸送，由于海洋環(huán)境較陸地更惡劣，對海底管線的施工和運營安全性的要求遠高于陸地管線，有高強度、高韌性、良好焊接性的要求。國外海底管線發(fā)展較快，目前國外海底管道工程最長的朗格勒得北海管道用焊管管徑1 016 mm，壁厚34.1 mm，鋼級X70；最深的美國墨西哥灣東部灣的獨立管道用焊管管徑610 mm，壁厚34.3 mm，鋼級X65，工作壓力25 MPa；最大壁厚的穿越波羅的海的輸氣管道用焊管壁厚最大為41 mm；非酸性環(huán)境用焊管的最高鋼級為X70，酸性環(huán)境用焊管的最高鋼級為X65[1]。受裝備和技術(shù)的限制，我國海洋管線發(fā)展起步晚，目前我國最長的一條海底管線是從海南島近海某氣田至香港的一條Φ711 mm海底管線；壓力最高、壁厚最厚的海底管線是南海荔灣3-1氣田Φ762 mm×28.6～31.8 mm海底管線，設(shè)計壓力23.9 MPa[2-11]。南京巨龍鋼管有限公司結(jié)合國家“一帶一路”倡議框架下的某海管項目，依據(jù)項目技術(shù)規(guī)格書，開發(fā)出性能遠高于API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》及DNVGLST-F101《海底管道系統(tǒng)》要求的X65MO（M代表熱機械軋態(tài)交貨，O代表海洋用管）鋼級Φ711 mm×19.1 mm直縫埋弧焊管?，F(xiàn)重點從原材料的管控、制管過程工藝及理化制樣等方面，對X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的各項性能進行介紹。

1 試制鋼板情況

針對某海管項目用鋼的技術(shù)要求，南京巨龍鋼管有限公司與國內(nèi)某鋼廠共同進行了鋼板組織優(yōu)化和化學成分體系設(shè)計，通過低夾雜物、低偏析等控制技術(shù)，杜絕層片狀的珠光體偏析帶的存在；通過優(yōu)化鋼板成分，尤其是Nb等元素控制，改善了熱影響區(qū)的軟化，提高了焊接接頭的沖擊韌性。試制的X65MO鋼級鋼板的化學成分見表1，金相組織如圖1所示。該鋼板的碳當量為0.15%，較低；組織以多邊形鐵素體、針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主，無珠光體偏析帶存在，晶粒細小均勻，彼此交錯排列，提高了鋼板的低溫沖擊韌性和材料的形變強化能力[12]，力學性能良好。

表1 X65MO鋼級鋼板的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

圖1 X65MO鋼級鋼板的金相組織

在鋼板寬度1/2處取縱向/橫向全壁厚板狀拉伸試樣，試樣尺寸38.1 mm×50 mm；在鋼板寬度1/4處取橫向夏比沖擊試樣，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口；在鋼板寬度1/4處測試硬度。X65MO鋼級鋼板的力學性能見表2和如圖2所示。試驗發(fā)現(xiàn)：該鋼板的縱向和橫向屈服強度均滿足項目技術(shù)規(guī)格書要求，橫向屈服強度較縱向屈服強度高15 MPa；伸長率較高；-20℃沖擊功≥400 J，在-60℃未發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變，說明該鋼板具有良好的低溫沖擊韌性。

表2 X65MO鋼級鋼板的力學性能

圖2 X65MO鋼級鋼板的沖擊功和剪切面積百分比

2 焊管技術(shù)要求

該海管項目技術(shù)規(guī)格書要求：焊管全焊縫屈服強度≥450 MPa，焊縫的抗拉強度與母材相當或略高于母材；沖擊試樣制備于焊管壁厚中心[13]；焊縫和熱影響區(qū)的剪切面積百分比平均值≥50%。這不同于一貫的沖擊試樣“應(yīng)盡可能接近鋼管的外表面”要求，即試樣距離外表面≤2 mm，且熱影響區(qū)沖擊功取熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm中最低值。

3 制管工藝

采用JCOE制管工藝進行X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的成型焊接。基于該海管項目技術(shù)規(guī)格書要求的夏比沖擊試樣取自焊管壁厚中心，同時要求焊縫和熱影響區(qū)的剪切面積百分比平均值≥50%，而壁厚中心是埋弧焊管內(nèi)外焊縫的重合區(qū)域，會經(jīng)歷兩次熱循環(huán)，是壁厚范圍韌性最薄弱的區(qū)域；同時，要求焊縫抗拉強度與母材相當或略高于母材，為了高質(zhì)量控制焊縫質(zhì)量，提高焊縫鑄態(tài)組織和熱影響區(qū)（粗晶區(qū)）的沖擊韌性，試制時重點對高性能焊絲、焊劑及焊接工藝技術(shù)進行試驗研究。

采用多絲埋弧焊接技術(shù)，內(nèi)外焊均為四絲焊接，對3種焊絲和4種焊劑進行匹配，并配以優(yōu)化的成型和擴徑工藝進行焊接評定試驗，焊接評定試驗結(jié)果見表3?？梢钥闯觯捎梅桨?和方案4焊接時焊管的力學性能良好，均滿足項目技術(shù)規(guī)格書要求。

表3 焊接評定試驗結(jié)果

4 試制產(chǎn)品性能

檢測試制的X65MO鋼級焊管的金相組織、拉伸性能、低溫夏比沖擊韌性和硬度等。金相試樣取自焊接接頭，使用BX51FR金相顯微鏡進行檢驗，試驗標準為ASTM E 112—2013《平均晶粒度測定的試驗方法標準》；拉伸試樣取自距焊縫180°的管體，使用DDL300電子萬能試驗機進行試驗，試驗標準為ASTM A 370—2020《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》；沖擊試樣取自焊接接頭，使用ZBC2502-3擺錘沖擊試驗機進行試驗，試驗標準ASTM A 370；硬度試樣取自焊接接頭，使用FV-ARS9000自動硬度計進行檢驗，試驗標準ASTM E 92—2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標準試驗》。

4.1 金相檢驗

X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管焊接接頭組織形貌如圖3所示。其中，焊縫組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體，組織均勻細??；熱影響區(qū)組織主要是粒狀貝氏體，存在較明顯的晶粒邊界，保證了焊管在低溫服役時的硬度[14]。

圖3 X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管焊接接頭組織形貌

4.2 拉伸性能

X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的拉伸性能見表4。從表4可以看出，母材橫向板狀試樣的屈服強度為538 MPa，抗拉強度為625 MPa，屈強比為0.86，伸長率為45%；全焊縫縱向棒狀試樣的屈服強度為610 MPa，均滿足項目技術(shù)規(guī)格書要求，其抗拉強度與表3的焊縫抗拉強度相當。

表4 X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的拉伸性能

與表2比較后發(fā)現(xiàn)，母材橫向板狀試樣的屈服強度較制管前上升26 MPa，抗拉強度上升31 MPa；縱向板狀的屈服強度較制管前上升26 MPa，抗拉強度上升25 MPa。這主要是因為鋼板經(jīng)過制管過程中的成型及擴徑后會發(fā)生加工硬化，從而提升了材料的強度。

4.3 沖擊韌性

材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料韌-脆轉(zhuǎn)變傾向的重要指標，決定了材料的低溫性能。在焊管管體外壁≤2 mm處取夏比沖擊試樣，檢測試制的X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的沖擊性能，試驗結(jié)果見表5。由表5可知，制備于Φ711 mm×19.1 mm焊管的壁厚中心的焊縫試樣的0℃沖擊功平均值為158 J，剪切面積百分比平均值為63%；0℃時熔合線處的沖擊功平均值為284 J，剪切面積百分比平均值為99%；-40℃時熱影響區(qū)未發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變。由此可見，Φ711 mm×19.1 mm焊管具有優(yōu)異的沖擊韌性。

表5 X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的沖擊性能

4.4 硬 度

在試制焊管焊接接頭處取樣，檢測管體母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度，打點位置如圖4所示，結(jié)果見表6?？梢钥闯觯耗覆膮^(qū)的最大硬度為217 HV10，焊縫區(qū)的最大硬度為221 HV10，熱影響區(qū)的最大硬度為203 HV10，均滿足項目技術(shù)要求（要求≤270 HV10），熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

表6 焊接接頭硬度試驗結(jié)果HV10

圖4 焊接接頭硬度打點位置示意

5 結(jié)語

焊接評定試驗結(jié)果表明，采用方案一（AB+D）和方案四（AB+G）制備的X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管的焊縫具有良好的綜合性能。對于試制的X65MO鋼級Φ711 mm×19.1 mm焊管，其母材橫向板狀試樣的屈服強度為538 MPa，抗拉強度為625 MPa，屈強比為0.86，伸長率為45%；全焊縫縱向棒狀試樣的屈服強度為610 MPa，滿足技術(shù)條件要求，其抗拉強度與母材抗拉強度相當。試制焊管壁厚中心焊縫的0℃沖擊功平均值為158 J，剪切面積百分比平均值為63%；熔合線處的0℃沖擊功平均值為284 J，剪切面積百分比平均值為99%；-40℃時熱影響區(qū)未發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變，沖擊韌性優(yōu)異。熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。