X80级大口径直缝埋弧焊管的开发_李中平.pdf

2023年第1期X80级大口径直缝埋弧焊管的开发李中平1，昌发祥2，代志健2，肖甜2，陈礼貌3，罗天宝2，谢平2（1.湘潭钢铁集团有限公司，湖南 湘潭 411101；2.湖南胜利湘钢钢管有限公司，湖南 湘潭 411101；3.中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430000）摘要：采用超低碳、Nb+Ti+Mo+Ni 微合金化、配合适当的控轧控冷工艺，成功开发了板厚 32.1 mm、宽度 4 343 mm X80M钢板，钢板具有高强度、良好的低温韧性及优良的可焊性；钢板按照JCOE工艺制管，采用合理的坡口尺寸、焊接工艺参数、扩径率等，保证管体几何尺寸、焊缝、焊缝余高、错边、内外焊道中心线偏移量及头部内外焊道熔合量符合天然气输送管道用OD 1 422 mm X80直缝埋弧焊管技术条件的要求，管体屈服强度605630 MPa，抗拉强度680720 MPa，屈强比0.880.92；在-20度冲击试验下，焊缝冲击吸收能量150200 J、热影响区冲击吸收能量250300 J。关键词：大口径；X80；埋弧焊管中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：2095-5014（2023）01-0015-05Development of Grade X80 Large Diameter LongitudinalSubmerged Arc Welded PipeLI Zhongping1，CHANG Faxiang2，DAI Zhijian2，XIAO Tian2，CHEN Limao3，LUO Tianbao2，XIE Ping2（1.Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Xiangtan 411101，China；2.Hunan Shengli Xianggang Steel Pipe Co.，Ltd.，Xiangtan 411101，China；3.Wuhan Branch ofChina Classification Society，Wuhan 430000，China）ABSTRACT：X80M steel plate with wall thickness of 32.1 4 343 mm has been successfullydeveloped by using ultra-low carbon，Nb+Ti+Mo+Ni microalloying and proper controlled rolling andcontrolled cooling process.The steel plate has high strength，good low temperature toughness andexcellent weldability；The steel plate is manufactured according to the JCOE pipe manufacturingprocess，and the reasonably designed groove size，welding process parameters，diameterexpansion rate，pipe body，weld，weld reinforcement，misalignment，offset of inner and outerweld bead center line and fusion amount of head inner and outer weld bead all meet the requirementsof OD 1 422 mm X80 LSAW pipe for natural gas transmission pipeline.The yield strength of the pipebody is 605630 MPa，the tensile strength is 680720 MPa，the yield ratio is 0.880.92，theimpact of welding seam is 150200 J，and the impact of heat affected zone is 250300 J.KEY WORDS：large diameter；X80；submerged arc welded pipe收稿日期：2022-12-16第一作者简介：李中平（1983），男，学士，高级工程师，主要从事油气管线用钢的研究与开发。金 属 材 料 与 冶 金 工 程Metal Materials And Metallurgy Engineering第51卷第1期2023年2月Vol.51 No.1Feb.2023金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期随着国内油气输送项目的陆续开工，管线钢的市场需求量越来越大，如年初开建的山东管网东干线、西三线、西四线、川气东送复线等，每年公里数突破5 000公里1。大壁厚、大口径、高压长输管线已成为油气输送管线主要发展趋势。这一发展趋势主要通过提高管线的壁厚、钢级、管径来实现，如中俄东线采用大口径1 422 mm32.1 mm X80管线，西四线试验段首次采用大口径1 422 mm38.5 mm X80管线以及正在设计阶段“西伯利亚力量-2”也将采用大口径厚壁高钢级管线2。随着管线壁厚和管径的增加，管线钢板的生产难度越大，如落锤性能指标等，同时厚壁钢管的焊接越难保证，如焊接接头脆化、反弯开裂等3。本文采用超低碳、Nb+Ti+Mo+Ni微合金化、配合适当的控轧控冷工艺成功开发了厚度 32.1 mm、宽度 4 343mm X80M钢板，该钢板具有高强度、良好的低温韧性及优良的可焊性，同时开发了配套的JCOE直缝埋弧焊管的生产方法，解决了现有大壁厚大口径钢板生产过程的瓶颈与钢管制造过程焊接难题。1钢板试制及性能检测1.1钢板试制实验材料来自湘钢五米宽厚板厂生产的断面305 mm2 298 mm X80M铸坯，化学成分见表1，利用 JmatPro 软件绘制试验钢板的静态 CCT曲线，见图1。通过CCT曲线确定了钢板控轧控冷工艺，阶段终轧温度大于980，阶段开轧温度860，终轧温度780800，开始冷却温度720750，返红温度300380。试验钢轧制工艺参数见表2。表1 实验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of experimental steel（wt%）C0.0400.060Si0.220Mn1.680P0.010S0.012Nb0.053Ti0.012Cr+Ni+Mo+Cu0.540Fe余量表2 试验钢的轧制及冷却参数Table 2 Rolling and cooling parameters of tested steel在炉时间/min260300出钢温度/1 1601 200中间坯/mm80开轧温度/980入水温度/720760返红温度/320380图1 试验钢板的静态CCT曲线Fig.1 Static CCT curve of tested steel plate由试验钢的静态CCT曲线可以看出，钢种的A3转变温度为835，A1转变温度为675；随着冷却速度的提高，铁素体转变温度逐渐下降；冷却速度为 0.01、0.1、1、10、100/s 时铁素体开始转变温度依次为 830、810、800、760、700；冷却速度0.011/s时存在少量珠光体转变，相变组织主要以铁素体为主；冷却速度2/s开始珠光体转变消失，铁素体组织明显细化；冷却速度提高至30/s时钢中开始出现贝氏体组织，相变组织主要为针状铁素体+少量板条贝氏体4，为了确保钢板的强度与韧性达到良好的匹配，实验钢的冷速确定在1015/s。1.2性能检测按照技术协议和标准，对钢板分别进行拉伸、夏比冲击、落锤试验及金相分析，在钢板宽度1/2处取横向拉伸试样，试样为全壁厚矩形162023年第1期李中平，等：X80级大口径直缝埋弧焊管的开发试样，平行段尺寸为38 mm50 mm；在钢板宽度1/4处取横向冲击试样，缺口类型为V型，试样尺寸为10 mm10 mm55 mm；在钢板宽度1/4处取落锤试样，采用 V 型缺口，试样尺寸 76mm305 mm，试验结果如表3所示。表3 钢板力学性能Table 3 Mechanical properties of steel plate2928N38300头中尾屈服强度/MPa518532523抗拉强度/MPa7306897000.710.770.75351354388343353360358329366939293939492冲击吸收能量（-30）/J落锤撕裂试验断口剪切面积（-20）/%钢板号位置屈强比技术条件Rt0.5：500635；Rm：635750单180，均220单75，均85由表3可见，钢板的屈服强度均在510540MPa之间，抗拉强度在680730 MPa之间，屈强比均小于 0.85，母板长度方向性能均匀稳定，同板差不到40MPa；在-20 夏比冲击试验下，夏比冲击值均大于300 J，可见钢板具有良好的低温冲击韧性；图 2给出了钢板的落锤断口形貌，在-20 的落锤试验下，落锤断口剪切面积均大于90%；图3为母板头部、中部、尾部壁厚1/4处的扫描电子显微镜照片。图2 32.1 mm L555M落锤断口形貌Fig.2 Fracture morphology of 32.1 mm L555Mdrop hammer test piece（a）头部-1/4-4 000；（b）中部-1/4-4 000；（c）尾部-1/4-4 000图3 钢板头、中、尾扫描电子显微镜照片Fig.3 SEM photos of steel plate head，middle and tail由图3可知，显微组织主要由铁素体、粒状贝氏体和马奥岛构成，组织细小均匀，晶粒度在10级以上。结合轧制工艺分析，低温开轧有利于钢板内部累积更多的形核能与形成大量的变形带、亚晶、位错等晶体缺陷3，这些缺陷在后续的相变中大幅度细化钢板组织晶粒，可以改善钢板的冲击韧性与落锤性能4。2钢管试制及性能检测2.1钢管试制采用 JCOE 工艺制管，主要步骤为铣边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、扩径。焊接坡口如图4所示，铣边上坡口高度为10.7511.25 mm，钝边厚度为8.759.25 mm，成型压制道次27道，每次压下量为580590 mm。气保焊丝采用BHG-17金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期2M，埋弧焊丝采用 CHW-SG4；埋弧焊剂采用CHF102GX，四丝埋弧自动焊的焊接速度V=120140 cm/min，线能量为 4560 kJ/cm，扩径率0.6%0.8%。2.2钢管性能检测分别在管体和焊接接头上取管体横向和焊接接头拉伸试样。拉伸试样形式包括矩形试样和园棒试样两种。矩形试样为标距内长50 mm、宽38.1 mm的全壁厚试样，并在SHT4106材料试验机上进行试验。圆棒拉伸试样标距内直径12.7 mm、标距长50 mm，试验在UTM5305材料试验机上进行。在管体和焊缝处取管体横向和焊缝、热影响区的夏比V型缺口冲击试样，靠近钢管外表面加工成10 mm10 mm55 mm的冲击试验，V型缺口垂直钢管表面，试验标准为ASTM A370。在距焊缝90处的管体上取横向落锤试样，试样尺寸为305 mm76 mm32.1 mm，缺口型式为标准压制V型缺口，试验设备型号为JL-50000，试验按SY/T 6476进行，试验结果见表4。图4 焊接接头示意图Fig.4 Schematic diagram of welded joint在焊缝上取全壁厚横截面试样，进行10 kg载荷维氏硬度试验，试验机型号为KB 30BVZ-FA，硬度测试点分布见图5，试验结果见表5。在焊缝和距焊缝180的管体上取样加工全壁厚金相试样，进行金相检验，结果见图6，焊缝显微组织主要为针状铁素体+弥散分布的马奥岛；焊接接