CN101205597B - 一种x100管线钢直缝埋弧焊管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X100管线钢直缝埋弧焊管制造方法，它应用于制造输送石油天然气的直缝埋弧焊钢管。该方法包括使用化学成分为C 0.02～0.08％，Si0.10～0.30％，Mn 1.60～2.10％，P≤0.02％，S≤0.005，V+Nb+Ti 0.06～0.1％，Ni+Cr+Cu 0.6～1.0％，Cr+Mo+Mn 2～2.6％的X100控轧钢板；钢管的工艺过程包括：下料、对钢板进行铣边、预弯、成型、预焊、内焊、外焊、扩径、倒棱工序，成型过程是在JCO成型机上经过多次冲压将上述钢板依次弯曲成J型、C型、以及开口的O型；内焊及外焊工序采用四丝埋弧焊对钢管内侧及外侧进行焊接。采用本发明的方法进行钢板成型能使钢管更接近圆形，其焊接工艺能够兼顾钢板的内在质量和钢管的外观质量；并且能够实现高速焊接，大大提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种直缝埋弧焊管的制造技术，尤其是涉及一种用X100钢材制造输送石油天然气的管道的成型、焊接的制造方法。
背景技术
长距离输送石油天然气时用管道输送是最合理的运输方式。管道建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径方向发展。因此管道的强度要求越来越高；另外由于石油天然气的输送管路往往长达数千千米，沿途地质条件复杂、气候多变，因此对输送管路的韧性也具有非常高的要求。目前，国外输送管路的材料普遍采用X70钢级的管线钢，部分长距离管道采用X80管线钢，并正在积极开发X100～X120的管线钢。而我国的西气东输工程开始使用X70钢，并进行了X80钢的试验段，对X100～X120的管线钢尚无实际产品。
高强度钢管的生产主要过程包括成型和焊接，其成型方式主要有UOE和JCOE两种，焊接主要采用埋弧自动焊接。目前国外部分企业声称已经能够用UOE的成型方式生产X100钢的钢管，而采用JOCE方式生产X100钢的高强度钢管尚无类似的报道。上述UOE成型方法是指将钢板分二次冲压成U和O型；JCOE成型方法是指将钢板分多次冲压成J、C、O型。生产钢管的工艺过程包括对钢板进行铣边、制坡口、预弯边等预处理工序，再经过成型、预焊、内焊、外焊、扩径、倒棱、防腐和涂层、探伤检验等工序。所谓成型是指在成型机上经过多次冲压将钢板依次弯曲成J型、C型或U型、O型等形状。
X100管线钢是一种多元合金高强度钢，其强度高、弹性大，成型很困难；高强度焊管在制造过程中，最难解决的还是焊缝金属及热影响区的强度及韧性的降低，如何控制焊缝及热影响区的性能是高强度焊管开发急需解决的问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种采用JCO成型方式制造规格为Φ813×14.3mm的X100管线钢钢管的技术。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
1.采用化学成分为C 0.02～0.08％，Si 0.10～0.30％，Mn 1.60～2.10％，P≤0.02％，S ≤0.005，V+Nb+Ti 0.06～0.1％，Ni+Cr+Cu 0.6～1.0％，Cr+Mo+Mn 2～2.6％的14.3mm厚的X100控轧钢板。
2.铣边，加工坡口，对板厚为14.3mm的钢板，坡口尺寸为，角度为40°，钝边4mm，下坡口深6mm。加工坡口的目的是保证焊接过程中能完全焊透，避免高速焊接过程中焊缝底部出现未焊透缺陷，实现优质高产。
3.预弯边，利用预弯机进行板边预弯，根据管径尺寸要求，使板边具有符合要求的曲率。
4.JCO成型，在JCO成型机上首先将预弯后的钢板的一半经过多次步进冲压，将钢板压成J型，再将钢板的另一半用同样的方法和冲压次数进行弯曲，使钢板成C型，最后进行一次冲压形成开口的O型。压制工艺，即压制道次和每道次的压下量根据管径的尺寸确定，钢管直径为Φ813mm时采用17～21中的单数次压制变形，即两侧采用相同道次的压制弯曲次数，中间再进行一次压制成型。冲压模具分为上模和下模，下模又有两个支撑模，支撑模的间距为150mm，上模压头的半径为240mm，每次压下量在12～16mm。由于钢板的强度高、弹性大，即变形后回弹严重，每道次的压下量应采用过量压下，以保证回弹后达到标准形状，而且尽可能采用较多次数的压制工艺。
5.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进行连续焊接。
6.内焊，采用四丝埋弧焊在钢管内侧进行焊接，四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二到第四丝为交流。四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为800～900A、电压为32～36V；第二丝电流为650～750A，电压为36～40V；第三丝电流为500～600A，电压为38～42V；第四丝电流为450～550A，电压为40～44V；焊丝间距为18～22mm，焊接速度为170～180mm/min。
7.外焊，采用四丝埋弧焊在钢管外侧进行焊接，采用四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二到第四丝为交流。四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为900～1000A、电压为32～36V；第二丝电流为700～800A，电压为36～40V；第三丝电流为500～600A，电压为40～44V；第四丝电流为450～550A，电压为40～44V；焊丝间距为18～22mm，焊接速度为180～90mm/min。
8.扩径，对钢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。
9.倒棱，将检验合格后的钢管进行管端加工，达到要求的管端坡口尺寸。
在6步和7步之间设置超声波和X射线探伤两道检测工序，在7步和8步之间设置水压试验工序，在8步和9步之间再设置超声波、X射线、磁粉探伤三道检验工序。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明所采用的JOC成型工艺，是制造大直径、高强度钢管中最简单快捷的工艺。采用此方法制造X100管线钢的Φ813×14.3mm规格的钢管，生产效率高，成型质量好，其圆度准确，钢板对接尺寸偏差小，使后续的焊接等易于加工，各钢管间对接容易。
由于本发明所用钢板的强度高、弹性大，即压制变形后回弹严重，因此本发明采用17～21道次的单道次压制弯曲工艺，以保证钢管的圆度并提高生产效率。每道次的压下量都采用过量压下，以保证回弹后达到标准形状。采用单道次的弯曲压制次数，能使钢管更接近圆形。下支撑模间距为150mm，上模半径为240mm，每次压下量在12～16mm，是经过计算和试验所得的模具的主要尺寸以及成型的主要工艺参数，只有这样的工艺参数，才能保证得到钢管的最佳形状。
本发明的焊接工艺，是针对X100管线钢的Φ813×14.3mm规格的钢管进行开发制定的。采用四丝埋弧焊的方法和装置，其特点是能够减少单位长度的热输入量，使热影响区减小，提高X100管线钢焊接区域的性能；采用这种焊接方法还可以兼顾钢板的内在质量和钢管的外观质量；并且能够实现高速焊接，大大提高了生产效率。四根焊丝之间的间距的合理设置，减小了焊接过程中的热量集中，从而减小了焊接热量对焊缝热影响区性能的影响，如果再通过选择合理的焊接材料，控制焊缝金属的成分，就可提高焊缝的机械性能。
采用本发明所示的焊接工艺参数，其第一丝均采用低电压大电流，是为了增加熔透深度，保证在壁厚方向能够焊透；第二丝、第三丝主要是为了填充焊缝，使第一丝形成的底层与第四丝形成的盖面层能够很好的过渡，以获得优良的焊缝形状，此两层所采用的焊接工艺参数，能保证此两层在焊接过程中能够充分排气和排渣，获得优质的焊缝；第四丝的作用主要是盖面，选用上述的高电压小电流的焊接工艺参数能够获得良好的外观质量，焊缝和母材能够平滑过渡，减少或消除咬边。采用四丝焊能够实现高速焊接，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。对焊缝金属组织和性能的控制，根据钢板的成分、焊接工艺，合理选择焊接材料(焊丝和焊剂)，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。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
本实施例的制造方法包括如下步骤：
1.采用化学成分为C 0.06％，Si 0.30％，Mn 2.0％，P≤0.005，S≤0.0003，V+Nb+Ti 0.06％，Ni+Cr+Cu 0.6％，Cr+Mo+Mn 2％的14.3mm厚的X100控轧钢板。
2.铣边，坡口尺寸为，角度为40°，钝边4mm，下坡口深6mm。
3.预弯边，利用预弯机进行板边预弯，使板边的曲率符合要求。
4.JCO成型，在JCO成型机上首先将预弯边后的钢板的一侧进行9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。成型时采用的冲压模具分为上模和下模，下模又有两个支撑模，支撑模的间距为150mm，上模压头的半径为240mm，上述每弯曲道次的压下量为14mm，这样钢板回弹后形成直径为Φ813mm的开口的圆筒。
5.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。
6.内焊，采用四丝埋弧焊在钢管内侧进行焊接，四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二丝到第四丝为交流。四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为900A、电压为36V；第二丝电流为750A，电压为40V；第三丝电流为600A，电压为42V；第四丝电流为550A，电压为44V；焊丝间距为22mm，焊接速度为180mm/min。
7.外焊，采用四丝埋弧焊在钢管外侧进行焊接，采用四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二到第四丝为交流。四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为1000A、电压为36V；第二丝电流为800A，电压为40V；第三丝电流为600A，电压为44V；第四丝电流为550A，电压为44V；焊丝间距为22mm，焊接速度为190mm/min。
8.超声波检测，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。
9.X射线检测，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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
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。
表1给出的是本实施例的焊缝化学成分分析结果。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。表2、3、4给出了钢管实物的性能检测结果。由表可见，达到了X100钢级ISO/DIS3183管线钢管的标准要求。
表1 焊缝金属化学成份 单位：％
| C | Mn | Si | Mo | Ni |
| 0.052 | 1.98 | 0.32 | 0.33 | 0.297 |
表2 拉伸试验的平均值
| 试样类型 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) | 屈强比 | 焊缝强度(MPa) |
| 钢板横向 | 764 | 934 | 28 | 0.82 | 867 |
| 管体横向矩形压平 | 824 | 949 | 28 | 0.87 | |
| 管体横向圆棒 | 894 | 971 | 14 | 0.92 | |
| IS0/DIS 3183 | 760～990 | 690～840 | 矩形样≥17； 圆棒样≥12 | ≤0.97 | ≥690 |
表3 夏比冲击试验
| 缺口位置 | 试验温度(℃) | 冲击功(J) | 剪切面积(SA％) |
| 管体 | -20 | 200 | 80 |
| 焊缝 | -20 | 170 | 67 |
| 热区 | -20 | 160 | 67 |
| ISO/DIS 3183 | 0 | 54 | / |
表4 接头平均硬度统计
| 母材 | 内焊缝 | 内焊热区 | 外焊缝 | 外焊热区 |
| 289 | 290 | 279 | 258 | 260 |
| ISO/DIS 3183 | 无具体规定 |
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
步骤4中的冲压次数采用21次冲压，即分别对钢板的一半进行各10道次的冲压，然后在钢板的中间进行一次冲压，使钢板成开口的O型；
步骤6中的四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为800A、电压为32V；第二丝电流为650A，电压为36V；第三丝电流为500A，电压为38V；第四丝电流为450A，电压为40V；焊丝间距为18mm，焊接速度为170mm/min。
步骤7中的四丝埋弧自动焊的工艺为：第一丝电流为900A、电压为32V；第二丝电流为700A，电压为36V；第三丝电流为500A，电压为40V；第四丝电流为450A，电压为40V；焊丝间距为18mm，焊接速度为180mm/min。
表5给出的是本实施例的焊缝化学成分分析结果。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。表6、7、8给出了钢管实物的性能检测结果。由表可见，达到了X100钢级ISO/DIS3183管线钢管的标准要求。
表5 焊缝金属化学成份 单位：％
| C | Mn | Si | Mo | Ni |
| 0.05 | 2.06 | 0.30 | 0.34 | 0.31 |
表6 拉伸试验的平均值
| 试样类型 | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) | 屈强比 | 焊缝强度(MPa) |
| 钢板横向 | 765 | 935 | 28 | 0.82 | 879 |
| 管体横向矩形压平 | 755 | 950 | 28 | 0.80 | |
| 管体横向圆棒 | 895 | 970 | 14 | 0.92 | |
| ISO/DIS 3183 | 760～990 | 690～840 | 矩形样≥17； 圆棒样≥12 | ≤0.97 | ≥690 |
表7 夏比冲击试验
| 缺口位置 | 试验温度(℃) | 冲击功(J) | 剪切面积(SA％) |
| 管体 | -20 | 195 | 95 |
| 焊缝 | -20 | 135 | 80 |
| 热区 | -20 | 180 | 83 |
| ISO/DIS 3183 | 0 | 54 | / |
表8 接头平均硬度统计
| 母材 | 内焊缝 | 内焊热区 | 外焊缝 | 外焊热区 |
| 295 | 295 | 285 | 275 | 265 |
| ISO/DIS 3183 | 无具体规定 |
Claims (2)
1.一种X100管线钢直缝埋弧焊管制造方法，采用化学成分为C 0.02～0.08％、Si 0.10～0.30％、Mn 1.60～2.10％、P≤0.02％、S≤0.005、V+Nb+Ti 0.06～0.1％、Ni+Cr+Cu 0.6～1.0％、Cr+Mo+Mn 2～2.6％的X100控轧钢板，钢管的工艺过程包括铣边、预弯、JCO成型、预焊、内焊、外焊、扩径、倒棱工序，其特征在于所述成型工序采用JCO成型工艺，即在JCO成型机上首先将预弯后的钢板的一半经多次步进冲压使钢板成″J″形，再将钢板的另一半以同样的方法弯曲使钢板成″C″形，最后在钢板的中间压制一次使钢板成开口的″O″形；下支撑模间距为150mm，上模半径为240mm，冲压次数采用17～21单数的压制次数，每次压下量在12～16mm；
所述内焊时的采用的四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二到第四丝为交流；内焊的工艺参数为：第一丝电流为800～900A、电压为32～36V；第二丝电流为650～750A，电压为36～40V；第三丝电流为500～600A，电压为38～42V；第四丝电流为450～550A，电压为40～44V；焊丝间距为18～22mm，焊接速度为170～180mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种X100管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于所述外焊时的采用的四丝埋弧自动焊的第一丝为直流，第二到第四丝为交流；外焊的工艺参数为：第一丝电流为900～1000A、电压为32～36V；第二丝电流为700～800A，电压为36～40V；第三丝电流为500～600A，电压为40～44V；第四丝电流为450～550A，电压为40～44V；焊丝间距为18～22mm，焊接速度为180～90mm/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CNPC BOHAI PETROLEUM EQUIPMENT MANUFACTURING CO., Free format text: FORMER OWNER: NO.1 MACHINERY WORKS, NORTH-CHINA PETROLEUM ADMINISTRATION Effective date: 20100819 Owner name: JULONG STEEL TUBE CO., LTD. |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 062658 MAILBOX 102, QING COUNTY, HEBEI PROVINCE TO: 300457 BUILDING 3, TIANJIN BINHAI SERVICE OUTSOURCING INDUSTRIAL PARK, NO. 19, XINHUAN WEST ROAD, DEVELOPMENT AREA, TIANJIN CITY |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20100819 Address after: 300457 building 3, Tianjin Binhai service outsourcing industry park, No. 19 West Ring Road, Tianjin Development Zone Applicant after: CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co., Ltd. Co-applicant after: Julong Steel Pipe Co., Ltd. Address before: 102 box 062658, Hebei, Qingxian County Applicant before: No.1 Machinery Works, North-China Petroleum Administration |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200930 Address after: 100007 Beijing, Dongzhimen, North Street, No. 9, No. Patentee after: CHINA NATIONAL PETROLEUM Corp. Patentee after: CNPC Bohai Petroleum Equipment Manufacturing Co.,Ltd. Patentee after: JULONG STEEL PIPE Co.,Ltd. Address before: 300457 building 3, Tianjin Binhai service outsourcing industry park, No. 19 West Ring Road, Tianjin Development Zone Patentee before: CNPC Bohai Petroleum Equipment Manufacturing Co.,Ltd. Patentee before: JULONG STEEL PIPE Co.,Ltd. |