CN101205596B

CN101205596B - 一种x120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺

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Publication number: CN101205596B
Application number: CN2007101853459A
Authority: CN
Inventors: 李延丰; 任景辉; 郑磊; 廖波; 高珊; 张雷; 赵永峰
Original assignee: CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd; Julong Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd; Julong Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: CN101205596A

Abstract

本发明公开了一种X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺。该工艺采用控轧多元低合金高强度的X120钢板，经铣边、预弯、JCO成型、预焊、内焊、外焊、扩径、倒棱等工序制得。采用本发明成型的钢管更接近圆形，其焊接工艺能够兼顾钢板的内在质量和钢管的外观质量，且能够实现高速焊接，大大提高了生产效率。本发明可用于制造输送石油天然气的直缝埋弧焊钢管。

Description

一种X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺

技术领域

本发明属于金属钢铁领域，具体地涉及一种X120管线钢、所制直缝埋弧焊管的制造工艺。

背景技术

管道输送是长距离运输石油天然气最合理的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。因而，世界各国高度重视管道输送技术的发展，许多国家不惜花费大量财力和物力，大力发展管道运输业。管道运输已成为继公路、铁路、水路和航空运输之后的第五大运输业。

管线建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展，对管材的强度要求越来越高；由于从油气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候多变，因此对管线钢的韧性要求也越来越高。目前，国外管线建设普遍采用X70钢级管线钢，部分长距离管线建设开始采用X80管线钢，并积极开发X100-X120管线钢；国内西气东输工程也开始使用X70，并进行了少量X80钢的试验段，但对X120管线钢尚无实际应用。

国内部分钢铁企业已研制出X120钢级管线钢钢板，但并未进行实际钢管生产。

高强度钢管的生产主要过程包括成型和焊接，其中成型方式主要有UOE和JCOE，而焊接方式主要采用埋弧自动焊接。目前尚无采用JCOE方式生产X120高强度钢管的报道；国外有报道称采用UOE成型方式开发出了X120钢管，但存在较多问题，主要表现为焊缝金属及热影响区的强度及韧性降低，达不到规定的技术要求，同时由于成型方式的限制，管材的圆度也不尽人意。因此，在高强度焊管制造过程中，如何控制焊缝的性能同时保证钢管的圆度是急需解决的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种X120管线钢、所制直缝埋弧焊管的制造工艺，采用控轧钢板JCO成型，选择合理焊接材料和工艺，不仅保证焊管性能满足的X120钢级要求，克服UOE成型方式存在的碳当量高，可焊性差的弊病，同时能够保证钢管更接近圆形。本发明所提供的管线钢及制管工艺可用于生产制造石油、天然气管道输送用的X120高强度直缝埋弧焊管。

本发明要解决上述的技术问题是通过以下的技术方案实现的：

一种X120管线钢，它包括以下重量百分比的化学成分：C 0.04～0.06、Mn1.85～1.95、Si 0.20～0.30、P≤0.012、S≤0.0005、Nb+V+Ti 0.06～0.08、Ni+Cr+Cu 1.0～1.2、Cr+Mo+Mn 2.7～3.0、B 0.0010～0.0014。其碳当量为Ceq＝0.48～0.52、其冷裂系数为Pcm＝0.18～0.20。

上述X120管线钢的应用于制造规格为Φ914×16mm直缝埋弧焊管。

上述X120直缝埋弧焊管的制造工艺，采用X120管线钢制控轧钢板按照以下的步骤顺序进行：铣边、弯边、JCO成型、CO₂气体保护预焊、内焊、外焊、扩径、超声波检查I、X射线检查I、水压试验、管端倒棱、超声波检查II、X射线检查II。

上述成型采用JCO成型工艺，三点弯曲成型，下模间距为150mm，上模半径为220mm，且按照以下的步骤顺序进行：在JCO成型机上首先将经弯边的钢板的一半经多次步进冲压至成″J″形；再将钢板的另一半经多次步进冲压至成″C″形，最后将整块钢板冲压成开口的″O″形。

进一步地，在JCO成型工艺中，当焊管管径为Φ914mm时，采用25～29单数的压制次数，每次压下量在8～9mm。

作为本发明的一种改进，上述X120直缝埋弧焊管的制造工艺中，内焊采用四丝串列埋弧自动焊，焊丝间距d＝18～22mm；焊接速度V＝180～190cm/min，其中第一丝为直流，电流I＝800～900A、电压V＝32～36V；第二丝为交流，电流I＝650～750A、电压V＝36～40V；第三丝交流，电流I＝500～600A、电压V＝38～42

作为本发明的另一种改进，在X120焊管的制造工艺中，外焊采用四丝串列埋弧自动焊，焊丝间距d＝18～22mm；焊接速度V＝185～195cm/min，其中第一丝为直流，电流I＝900～1000A、电压V＝32～36V；第二丝为交流，电流I＝750～850A、电压V＝36～40V；第三丝为交流，电流I＝500～600A、电压V＝40～44V；第四丝为交流，电流I＝450～550A、电压V＝40～44V。

本发明与现有技术相比所取得的技术进步是：本发明所提供的上述化学成分的X120管线钢，因采用钢板JCO成型工艺，保证了焊管最终的高强度、可焊性及管型圆度。

在焊管的制造工艺中，钢板备料需按焊管规格要求进行，然后铣边并加工坡口。加工坡口的目的是保证焊接过程能完全焊透，避免高速焊接过程中内部出现未焊透的缺陷。对板厚16mm的钢板，上、下坡口角度均为35°，钝边4mm，下坡口深5.3mm。

弯边是根据管径尺寸要求，利用预弯机进行板边预弯，使板边具有符合要求的曲率。

JCO成型过程中由于钢板强度高，弹性大，即变形后回弹严重，每道次的压下量应采用过压下，以保证经标准变形，而且尽可能采用较多次数的压制工艺，来保证更多的调整空间保证更好的成型性。冲压次数和每道次的压下量根据钢管尺寸确定，如钢管直径为914mm时需采用25～29次变形。

预焊工序是使成型后的钢管合缝，并采用粗丝大功率混合气体保护焊进行连续焊接，以保证在后续的内外焊接时，焊缝尺寸的稳定。

内外焊采用串列四丝焊实现高速焊接，并通过调整串列四丝埋弧焊的焊丝间距，减小焊接过程中的热量集中，从而减小对焊缝热影响区的影响，保证焊缝热影响区的性能。串列四丝焊的特点是：①能够减少单位长度的热输入量，改善高钢级管线钢热影响区弱化；②兼顾内在质量和外观质量；③兼顾了高效率生产和优良质量。四焊丝中，第一丝的作用主要是保证熔透深度，采用大焊接电流、低电弧电压；第二、三丝的作用主要是填充焊缝金属，使第一丝与第四丝较好过度，获得良好的焊缝形状，充分排气和排渣，以获得优良的质量，采用中等焊接电流和电弧电压；第四丝的作用主要是盖面，即获得良好的外观质量，焊缝与母材平滑过度，减少和消除咬边，需要采用小焊接电流和高电弧电压。对焊缝金属组织和性能的控制，根据钢板的成分、焊接工艺，合理选择焊丝和焊剂，控制焊缝的成分为：C 0.04～0.06％，Si 0.3～0.5％，Mn 1.9～2.1％，P≤0.015％，S≤0.010％，V+Nb+Ti 0.04～0.06％，Ni+Cr+Cu 1.3～1.4％。使焊缝获得以针状铁素体+贝氏体为主的组织，从而保证焊缝熔敷金属具有高的强韧性配合。

超声波检验I是对内外焊缝及焊缝两侧母材进行100％的检查。

X射线检查I是对内外焊缝进行100％的X射线工业电视检查，采用图象处理系统以保证探伤的灵敏度。

扩径是对焊管全长进行扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管内应力的分布状态。

水压试验通过在水压试验机上对扩径后焊管进行逐根检验以保证焊管达到标准要求的试验压力。

倒棱是将检验合格后的焊管进行管端加工，达到要求的管端坡口尺寸。

超声波检验II再次对焊管进行逐根超声波检验以检查焊管是否存在因扩径、水压可能产生的缺陷。

X射线检查II对扩径和水压试验后的钢管进行X射线工业电视检查和管端焊缝拍片。

综上，本发明所提供的X120管线钢、所制直缝埋弧焊管及其制造工艺，能够保证焊管性能满足的X120钢级要求，克服UOE成型方式存在的碳当量高，可焊性差的弊病。本发明可用于生产制造石油、天然气管道输送用的X120高强度焊管。

另外，所制焊管还可通过管端磁粉检验以发现管端是否存在缺陷；对合格后的焊管还可根据用户要求进行防腐和涂层处理。

具体实施方式

本发明下面将结合具体实施例作进一步说明。

实施例1

一种X120管线钢，化学成分如下，单位为重量百分比：

C	Mn	Si	P	S	Nb+Ti	Ni+Cr+Cu	Cr+Mo	B	Ceq	Pcm
											0.06	1.90	0.25	0.004	0.0004	0.06	1.0	1.0	0.0012	0.52	0.20

厚度为16mm的上述控轧钢板，屈服强度940Mpa，抗拉强度1000Mpa，延伸率为26％。采用上述控轧钢板制造Φ914×16mm规格的高强度X120直缝埋弧焊管，按照以下的步骤顺序进行：

(1)铣边：坡口角度为35°，钝边4mm，下坡口深5.3mm。

(2)预弯边：利用预弯机进行板边预弯，使板边的曲率符合要求。

(3)JCO成型：在JCO成型机上首先将预弯边后的钢板的一侧进行25次步进冲压，将此侧钢板压成半圆形，即整张钢板成为J型，再将钢板的另一半按同样方法和道次进行弯曲，此时钢板呈C型，然后将钢板的中部进行1次步进冲压，使钢板形成开口的O型，即开口的圆形。上述每弯曲道次的压下量为9mm，这样钢板回弹后形成直径为Φ914mm的开口的圆筒。

(4)预焊：使成型后的钢管合缝并粗丝大功率混合气采用体保护焊方法使圆筒的缝隙对接。

(5)内焊：采用四丝埋弧焊在钢管内侧进行焊接，四丝第一丝为直流，第二到第四丝为交流。其中第一丝电流I＝800A、电压V＝32V；第二丝电流I＝650A、电压V＝36V；第三丝电流I＝500A、电压V＝38V；第四丝电流I＝450A、电压V＝40V；焊丝间距d＝18mm；焊接速度V＝180cm/min。

(6)外焊：采用四丝埋弧焊在钢管外侧进行焊接，第一丝为直流，第二到第四丝为交流。四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流I＝900A、电压V＝32V；第二丝电流I＝750A、电压V＝36V；第三丝电流I＝500A、电压V＝40V；第四丝电流I＝450A、电压V＝40V；焊丝间距d＝18mm；焊接速度V＝185cm/min。

(7)超声波检测I：用超声波探伤仪对内外焊缝及焊缝两侧的母材进行100％探伤检测。

(8)X射线检测I：用X射线探伤仪对内外焊缝进行100％的X射线工业电视检测，采用图象处理系统以保证探伤的灵敏度。

(9)扩径：对钢管全长进行滚圆和扩径，以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管的内应力的分布状态。

(10)水压试验：在水压试验机上对扩径后的钢管进行密封性和承压性检验，以保证钢管达到标准要求的试验压力。

(11)倒棱：将检验合格的钢管进行管端加工，达到要求的管端坡口尺寸。

(12)再次对钢管进行超声波和X射线探伤，以检测钢管在扩径和水压试验时可能产生的缺陷。

(13)管端磁粉探伤，对管端部进行磁粉探伤，以发现管端的缺陷。

经对最终焊管产品进行分析，其焊缝化学成分如下：

C	Mn	Si	P	S	Mo	Ni+Cr+Cu	V+Nb+Ti
								0.05	2.05	0.44	0.009	0.006	0.35	1.35	0.044

焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织，表明焊缝组织控制是适当的。

圆棒拉伸试验的平均值如下：

	屈服强度 (MPa)	抗拉强度 (MPa)	延伸率 (％)	屈强比	焊缝强度 (MPa)
						母材	873	932	0.94	12.5	937
ISO3183	830--1050	915--1145	≤0.99	≥11	≥915

夏比冲击试验结果如下：

缺口位置	试验温度(℃)	冲击功(J)	剪切面积(SA％)
				管体	-20	单个min220，平均223	平均97
焊缝	-20	单个Min140，平均158	平均87
				热区	-20	单个Min65，平均83	平均55
ISO3183	0	单个≥40.5，平均≥54	/

接头平均硬度统计结果如下

硬度HV₁₀

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

结

果

如 298 287 256 254 294 286 315 322 287 288 276 287 311

下

300

ISO3183/FDIS要求：无具体要求

上述钢管实物的性能检测结果表明，钢管的性能达到了X120钢级ISO/DIS3183管线钢管的标准要求。

实施例2

采用厚度为16mm的X120钢板生产直缝埋弧焊管。X120管线钢用控轧钢板的化学成分如下，单位为重量百分比：

C	Mn	Si	P	S	V+Nb+Ti	Ni+Cr+Cu	Cr+Mo	B	Ceq	Pcm
											0.05	1.85	0.30	0.008	0.0003	0.08	1.1	0.85	0.0014	0.5	0.19

钢板的力学性能为屈服强度947Mpa，抗拉强度1014Mpa，延伸率为26.1％。制造工艺按照以下的步骤顺序进行：

(1)铣边：坡口角度为35°，钝边4mm，下坡口深5.3mm。

(3)成型：在JCO成型机上首先将预弯边后的钢板的一侧进行29次步进冲压，将此侧钢板压成半圆形，即整张钢板成为J型，再将钢板的另一半按同样方法和道次进行弯曲，此时钢板呈C型，然后将钢板的中部进行1次步进冲压，使钢板形成开口的O型，即开口的圆形。上述每弯曲道次的压下量为8mm，这样钢板回弹后形成直径为Φ914mm的开口的圆筒。

(4)预焊：使成型后的钢管合缝并采用粗丝大功率混合气体保护焊方法使圆筒的缝隙对接。

(5)内焊：采用四丝埋弧焊在钢管内侧进行焊接，第一丝为直流，第二丝到第四丝为交流。第一丝电流I＝900A、电压V＝36V；第二丝电流I＝750A、电压V＝40V；第三丝电流I＝600A、电压V＝42V；第四丝电流I＝550A、电压V＝44V；焊丝间距d＝22mm；焊接速度V＝190cm/min。

(6)外焊：采用四丝埋弧焊在钢管外侧进行焊接，第一丝为直流，第二到第四丝为交流。第一丝电流I＝1000A、电压V＝36V；第二丝电流I＝850A、电压V＝40V；第三丝电流I＝600A、电压V＝44V；第四丝电流I＝550A、电压V＝44V；焊丝间距d＝22mm；焊接速度V＝195cm/min。

(12)超声波检测II：检测在扩径和水压试验时可能产生的缺陷。

(13)X射线探伤II：检测在扩径和水压试验时可能产生的缺陷。

(14)管端磁粉探伤：对管端部进行磁粉探伤，以发现管端的缺陷。

对合格产品的焊缝化学成分分析结果如下：

C	Mn	Si	P	S	Mo	Ni+Cr+Cu	V+Nb+Ti
								0.042	1.93	0.31	0.012	0.008	0.37	1.32	0.056

经过对焊接接头的金相组织进行分析，焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织，表明焊缝组织控制是适当的。

实物的性能检测结果表明，产品达到了X120钢级ISO/DIS3183管线钢管的标准要求。相关检测结果如下：

接头平均硬度统计：

硬度HV₁₀

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

310 300 290 256 255 295 286 315 325 290 290 280 290 300

ISO3183/FDIS要求：无具体要求

拉伸试验的平均值：

	屈服强度 (MPa)	抗拉强度 (MPa)	延伸率 (％)	屈强比	焊缝强度 (MPa)
						母材	866	926	0.94	13	935
ISO3183	830-1050	915-1145	≤0.99	≥11	≥915

夏比冲击试验结果：

缺口位置	试验温度(℃)	冲击功(J)	剪切面积(SA％)
				管体	-20	单个min220，平均238	平均90
焊缝	-20	单个Min125，平均150	平均63
				热区	-20	单个Min150，平均185	平均67
ISO3183	0	单个≥40.5，平均≥54	/

实施例3

C	Mn	Si	P	S	V+Nb+Ti	Ni+Cr+Cu	Cr+Mo	B	Ceq	Pcm
											0.04	1.95	0.2	0.012	0.0005	0.07	1.2	1.15	0.001	0.48	0.18

钢板的力学性能为屈服强度952Mpa，抗拉强度1019Mpa，延伸率为26.3％。制造工艺按照以下的步骤顺序进行：

(1)铣边：坡口角度为35°，钝边4mm，下坡口深5.3mm。

(3)成型：在JCO成型机上首先将预弯边后的钢板的一侧进行27次步进冲压，将此侧钢板压成半圆形，即整张钢板成为J型，再将钢板的另一半按同样方法和道次进行弯曲，此时钢板呈C型，然后将钢板的中部进行1次步进冲压，使钢板形成开口的O型，即开口的圆形。上述每弯曲道次的压下量为8.5mm，这样钢板回弹后形成直径为Φ914mm的开口的圆筒。

(5)内焊：采用四丝埋弧焊在钢管内侧进行焊接，第一丝为直流，第二丝到第四丝为交流。第一丝电流I＝850A、电压V＝34V；第二丝电流I＝700A、电压V＝38V；第三丝电流I＝550A、电压V＝40V；第四丝电流I＝500A、电压V＝42V；焊丝间距d＝20mm；焊接速度V＝185cm/min。

(6)外焊：采用四丝埋弧焊在钢管外侧进行焊接，第一丝为直流，第二到第四丝为交流。第一丝电流I＝950A、电压V＝34V；第二丝电流I＝800A、电压V＝38V；第三丝电流I＝550A、电压V＝42V；第四丝电流I＝500A、电压V＝42V；焊丝间距d＝22mm；焊接速度V＝190cm/min。

(13)X射线探伤II：检测在扩径和水压试验时可能产生的缺陷。

对合格产品的焊缝化学成分分析结果如下：

C	Mn	Si	P	S	Mo	Ni+Cr+Cu	V+Nb+Ti
								0.056	2.08	0.38	0.006	0.004	0.25	1.38	0.051

接头平均硬度统计：

硬度HV₁₀

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

313 305 292 254 257 285 289 319 328 293 295 287 289 302

ISO3183/FDIS要求：无具体要求

拉伸试验的平均值：

夏比冲击试验结果：

缺口位置	试验温度(℃)	冲击功(J)	剪切面积(SA％)
				管体	-20	单个min218，平均236	平均86
焊缝	-20	单个Min123，平均146	平均65
				热区	-20	单个Min139，平均162	平均65
ISO3183	0	单个≥40.5，平均≥54	/

Claims

1.一种X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺，该X120管线钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.04～0.06、Mn 1.85～1.95、Si 0.20～0.30、P≤0.012、S≤0.0005、Nb+V+Ti 0.06～0.08、Ni+Cr+Cu 1.0～1.2、Cr+Mo+Mn 2.7～3.0、B 0.0010～0.0014、Ceq 0.48～0.52、Pcm 0.18～0.20；该制造工艺按照以下的步骤顺序进行：铣边、弯边、JCO成型、CO₂气体保护预焊、内焊、外焊、扩径、超声波检查I、X射线检查I、水压试验、管端倒棱、超声波检查II、X射线检查II，其特征在于所述成型采用JCO成型工艺，三点弯曲成型，下模间距为150mm，上模半径为220mm，并按照以下的步骤顺序进行：

在JCO成型机上首先将经弯边的钢板的一半经多次步进冲压至成″J″形；

再将钢板的另一半经多次步进冲压至成″C″形；

最后将整块钢板冲压成开口的″O″形。

2.根据权利要求1所述的X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺，其特征在于：所述焊管管径为Φ914mm，采用25～29单数的压制次数，每次压下量在8～9mm。

3.根据权利要求1所述的X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺，其特征在于：所述内焊采用四丝串列埋弧自动焊，焊丝间距d＝18～22mm，焊接速度V＝180～190cm/min，其中第一丝为直流，电流I＝800～900A、电压V＝32～36V；第二丝为交流，电流I＝650～750A、电压V＝36～40V；第三丝为交流，电流I＝500～600A、电压V＝38～42V；第四丝为交流，电流I＝450～550A、电压V＝40～44V。

4.根据权利要求1所述的X120管线钢所制直缝埋弧焊管的制造工艺，其特征在于：所述外焊采用四丝串列埋弧自动焊，焊丝间距d＝18～22mm；焊接速度V＝185～195cm/min，其中第一丝为直流，电流I＝900～1000A、电压V＝32～36V；第二丝为交流，电流I＝750～850A、电压V＝36～40V；第三丝为交流，电流I＝500～600A、电压V＝40～44V；第四丝为交流，电流I＝450～550A、电压V＝40～44V。