CN102330032B - 一种抗酸性x70ms钢级螺旋焊管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗酸性X70MS钢级螺旋焊管及其制造方法，螺旋焊管采用X70MS钢级板卷，其加工工序包括：开卷、矫平、铣边、预弯、成型、内焊、外焊、管端扩径、母材分层超声波检查、焊缝X射线检查、水压试验、焊缝超声波检查、管端倒棱、成品检查；本发明的X70MS钢级螺旋缝埋弧焊管强度高，耐酸性能好，适合输送酸性油气介质使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊管及其制造方法，尤其是一种抗酸性X70MS钢级螺旋焊管及其制造方法。
背景技术
石油、天然气是国民经济发展的重要能源，在能源消费中的比重日益增加；而管道输送成为石油、天然气的一种最为经济、安全、不间断的长距离输送工具。当输送管道暴露在含湿硫化氢的流体介质中时，容易发生硫化氢酸性腐蚀，造成管道突然失效。其中氢致开裂（HIC）和硫化物应力开裂（SSC）是硫化氢酸性腐蚀的主要形式。
氢致开裂产生的原因一般认为是，硫化氢溶于水形成的酸性溶液与管壁金属通过电化学反应产生氢原子，氢原子通过金属表面进入管体内部，在内部缺陷（如非金属夹杂、元素偏析、带状组织等）处大量聚集形成氢分子，并在该处产生内应力；当氢浓度升高到一定程度时，氢压力超过了聚集处界面的弹性变形能力而产生永久变形，形成氢致裂纹。硫化物应力开裂与氢致开裂有相同之处也有不同之处，它是外加应力、残余应力和氢压力共同作用引起的氢聚集区开裂，具有开裂方向垂直于管面并有迟延的特征。
中东、非洲等地区由于净化设备与技术方面的问题，很多管道直接输送酸性油气，因此对抗酸管的需求量较大。我国油气田中含有的硫化氢浓度较高，干线管道输送的大多是经过净化处理的非酸性油气，但仍有一部分集输管线属于酸性腐蚀环境，使用的钢管主要是低强度抗酸管，因此开发酸性腐蚀环境用高强度钢管势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供具有高强度、耐酸性能等优点的一种的抗酸性X70MS钢级螺旋焊管及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种抗酸性X70MS钢级螺旋焊管，其母材采用X70MS钢级板卷，其化学成分的重量百分比为：C：0.02～0.05%, Mn：1.10～1.40%, Si：0.10～0.20%, P：≤0.013%，S：≤0.0013%, Cr：0.10～0.25%, Ni：0.10～0.25%, Cu：0.10～0.25%,Mo：0.05～0.15% ，Nb：0.020～0.060%, V：0.030～0.060%，Ti：0.010～0.020%, N：≤0.005%，B：≤0.0005%, Ca：0.0020～0.0050%, Ca/S:≥2.0，余量为Fe；
本发明还提供了抗酸性X70MS钢级螺旋焊管的制造方法，包括：开卷、矫平、铣边、预弯、成型、内焊、外焊、管端扩径、母材分层超声波检查、焊缝X射线检查、水压试验、焊缝超声波检查、管端倒棱、成品检查；
所述内焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1050～1200A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝10～14mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min；
所述外焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1150～1300A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝12～16mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min；
所述内焊、外焊工艺均采用高韧性埋弧焊焊剂和焊丝，并采用跟踪精度达到0.25mm的激光焊缝自动跟踪装置；
所述铣边工序的工艺为双铣边工艺：先粗铣I型坡口；然后精铣X型坡口，钝边7.0～8.0mm，坡口角度60～80°；
所述预弯工序的工艺为：采用预弯机对卷板的递送边和自由边进行预弯边，预弯边的尺寸为半径840mm、长度100～130mm；
所述管端扩径工序的工艺为：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差≤2mm。
本发明的抗酸性X70MS钢级螺旋焊管采用超低C、低Mn成分设计，添加一定量的Cu和Ni，严格控制P、S杂质元素含量，并通过Ca处理使条状硫化物夹杂转化为球状，以降低材料中非金属夹杂、元素偏析、带状组织等内部缺陷，减少氢原子聚集形核质点，达到提高抗H2S腐蚀能力的目的。
本发明的加工工艺在于对板卷的铣边设计、预弯边工艺、成型残余应力控制、焊接工艺、管端扩径工艺、无损检测技术的优化和改进。
优选的铣边工序的工艺为双铣边工艺：先粗铣I型坡口；然后精铣X型坡口，钝边7.0～8.0mm，坡口角度60～80°。开坡口的目的是保证板卷在焊接过程中能够焊透，并提高焊接速度，改善焊缝形貌，减小焊接线能量，降低焊接残余应力和焊接热输入对焊接热影响区组织和性能的影响，提高焊缝热影响区的性能。
优选的预弯工序的工艺为：采用预弯机对卷板的递送边和自由边进行预弯边，预弯边的尺寸为半径840mm、长度100～130mm。
在高钢级螺旋焊管的成型过程中，合口对缝两侧带钢的边部通常以圆弧曲线过渡或微内张口较为适宜；钢带在成型器中，尤其是递送边一侧，机臂需给内焊装置预留空间，端头成型辊距板边至少50mm。若不使用弯边辊，将造成带钢边缘变形不充分，生产中容易造成成型咬合时出现噘嘴、成型缝内紧外松、错边等缺陷，严重影响钢管外观质量和以后的焊接工序，甚至会造成焊缝微裂纹等致命缺陷，无法在以后的工序予以消除，严重影响钢管的质量，造成钢管合格率下降。因此针对F914×13.7mm高强度X70MS钢级管线钢的屈服强度，通过放样、弹性力学分析等手段，对带钢边缘进行充分预弯，能有效消除噘嘴、错边等成型缺陷，使钢管成型焊接质量得到明显提高。
成型残余应力控制工艺为：采用三辊变形、外控式成型方式，精密测量控制各成型辊的位置与角度，1#辊开档尺寸28.0mm，3#辊开档尺寸109.0mm，根据卷板实物屈服强度水平来调整2#辊压下量。成型残余应力直接影响酸性腐蚀结果，对管道失效起着非常不利的影响，需要严格控制。通过环切法现场测量，钢管周向开口尺寸小于35mm，轴向、径向错开量均小于25mm。
优选的内焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1050～1200A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝10～14mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min。优选的外焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1150～1300A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝12～16mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min。所述内焊、外焊工艺均采用低S、P杂质含量的高韧性埋弧焊焊剂和焊丝，并采用跟踪精度达到0.25mm的激光焊缝自动跟踪装置。
焊接过程中，为控制焊接接头的性能和焊接质量，通过实验研究，确定了内焊和外焊均采用双丝串列埋弧自动焊接工艺。选择上述焊接工艺参数的主要作用是：第一丝的作用主要是保证熔透深度。需要采用大焊接电流、较低电弧电压；第二丝的作用主要是盖面，即获得良好的外观质量，焊缝与母材平滑过渡，减少和消除咬边，需要采用小焊接电流和较高电弧电压；第一丝与第二丝配合，充分排气、排渣，获得良好的焊缝形状，优良的质量。采用上述工艺，综合母材、焊丝和焊剂化学成分焊接接头性能要求科学合理匹配，控制焊缝的成分在如下的范围（重量）：C：0.03～0.06%, Si：0.10～0.25%, Mn：1.10～1.45%, P：≤0.015%， S：≤0.0020%, Mo：0.10～0.25%, Ti：0.010～0.030%, N：≤0.006%，B：0.0005～0.0015%，余量为铁。焊接后焊缝获得的金相组织以针状铁素体＋铁素体为主，从而保证焊缝熔敷金属具有高的强韧性配合以及内在质量和理化性能。
优选的管端扩径工序的工艺为：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差小于等于2mm；扩径段与未扩径段应平滑过渡。钢管管端的尺寸稳定性直接影响到现场管线施工的效率，本发明在优化钢管成型工艺的同时，优化钢管管端扩径工艺，对钢管管端进行整圆，较好地控制了钢管管端尺寸精度，达到了管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差小于等于2mm的水平，大大提高了钢管现场的对接效率，方便了现场施工作业。
针对焊缝中气孔、夹渣、裂纹等缺陷的出现，本发明采用先进的无损检测技术实现了对焊缝内在质量的有效检测。通过采用焊缝缺陷判断计算机专家系统，对焊缝X射线探伤的图像进行实时扫描分析，完成缺陷的自动识别、标记、报警、记录的功能，实现X射线探伤的自动化；在超声波系统上采用激光自动跟踪技术、同时改进其机械装置，在保证探头架刚性的前提下，探头与钢管柔性接触，从而提高自动超声波探伤的准确性和可靠性。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1. 采用超低C、低Mn成分设计，添加一定量的Cu和Ni，严格控制P、S杂质元素含量，并通过Ca处理使条状硫化物夹杂转化为球状，以降低材料中非金属夹杂、元素偏析、带状组织等内部缺陷，减少氢原子聚集形核质点，达到提高抗H2S腐蚀能力的目的。
2.本发明的抗酸性X70MS钢级螺旋焊管的技术中，与制造普通螺旋焊管相比，以抗酸性X70MS热轧卷板和低S、P焊丝焊剂为原材料，加强成型残余应力控制和焊接工艺参数控制，工艺步骤中优化了双铣边工序、预弯边工序、管端扩径工序，成功的解决了抗酸性X70MS钢级螺旋焊管难以满足抗酸性技术要求的难题；尤其适用于酸性腐蚀环境用X70MS钢级F914×13.7mm螺旋焊管制造；焊接工艺和铣边工序及其中坡口尺寸的确定也是基于特制的X70MS钢的化学成分板材、经过认真计算并实验研究确定的，在实际生产具有很强的实用性。依据NACE标准对钢管进行抗HIC、SSCC试验，结果均满足NACE及API标准要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例耐酸性X70MS钢级螺旋焊管所用板卷的化学成分如表1所示，力学性能如表2所示，钢板的厚度为13.7mm，钢管的外径为F914mm。本耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的制造工艺步骤如下：
1、板卷经开卷、矫平；
2、铣边：先粗铣，将板边宽度铣削掉10～20mm，以保证去除卷板因钢坯及轧制过程中的板边缺陷、月牙弯；然后精铣X型坡口，即将钢板卷两个对接的板边分别开出钝边尺寸为7.5mm、坡口角度为35°的坡口，钢板的两个边对接后形成70°的X形坡口；
３、预弯：在二辊弯边机上对卷板的递送边和自由边进行预弯边，半径尺寸为840mm、长度130mm；
４、成型：将经过上述预弯边的带钢在三辊成型器卷制成外径为F914mm的螺旋状圆筒，精密测量控制各成型辊的位置与角度，1#辊开档尺寸28.0mm，3#辊开档尺寸109.0mm，根据卷板实物屈服强度水平来调整2#辊压下量，并通过环切法现场测量残余应力，钢管周向开口尺寸小于35mm，轴向、径向错开量均小于25mm。
5、焊接：沿钢管圆筒的接缝进行内焊和外焊，焊接工艺参数如表3，焊丝和焊缝的化学成分如表4和表5；
6、管端扩径：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差≤2mm；扩径段与未扩径段应平滑过渡；
7、对母材进行分层超声波检查；
8、对焊缝进行X射线检查；
9、静水压试验；
10、对焊缝进行超声波自动探伤和管端超声波手探；
11、管端倒棱：对钢管的端部棱边进行倒钝；
12、成品检查。
表1 板卷的化学成分（余量为Fe） (wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Cu |
| 0.02 | 1.35 | 0.20 | 0.006 | 0.0007 | 0.25 | 0.10 | 0.10 |
| Mo | Nb | V | Ti | N | B | Ca | Ca/S |
| 0.05 | 0.040 | 0.060 | 0.017 | 0.0033 | 0.0001 | 0.0020 | 2.9 |
表2 板卷（轧制方向30°）拉伸试验值
表3 双丝焊参数
表4 焊丝的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Mo |
| 0.08 | 1.55 | 0.15 | 0.010 | 0.003 | 0.35 |
| Ti | B | Cu | Ni | Cr | Fe |
| 0.05 | 0.007 | 0.10 | 0.09 | 0.07 | 余量 |
表5焊缝金属的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni |
| 0.04 | 1.42 | 0.20 | 0.009 | 0.0013 | 0.19 | 0.09 |
| Cu | Mo | Nb | V | Ti | N | B |
| 0.10 | 0.17 | 0.028 | 0.034 | 0.024 | 0.005 | 0.0012 |
表6 钢管力学性能
表7 钢管耐腐蚀性能
表6、表7给出的是本实施例钢管实物的主要性能检测结果和X70MS钢级抗酸性螺旋焊管的主要性能要求，由表可见，利用本发明的技术制造的抗酸性螺旋焊管达到了耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的技术要求。
实施例2：
本实施例耐酸性X70MS钢级螺旋焊管所用板卷的化学成分如表8所示，力学性能如表9所示，钢板的厚度为13.7mm，钢管的外径为F914mm。本耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的制造工艺步骤如下：
1、板卷经开卷、矫平；
2、铣边：先粗铣，将板边宽度铣削掉10～20mm，以保证去除卷板因钢坯及轧制过程中的板边缺陷、月牙弯；然后精铣X型坡口，即将钢板卷两个对接的板边分别开出钝边尺寸为7.0mm、坡口角度为30°的坡口，钢板的两个边对接后形成60°的X形坡口；
３、预弯：在二辊弯边机上对卷板的递送边和自由边进行预弯边，半径尺寸为840mm、长度100mm；
４、成型：将经过上述预弯边的带钢在三辊成型器卷制成外径为F914mm的螺旋状圆筒，精密测量控制各成型辊的位置与角度，1#辊开档尺寸28.0mm，3#辊开档尺寸109.0mm，根据卷板实物屈服强度水平来调整2#辊压下量，并通过环切法现场测量残余应力，钢管周向开口尺寸小于35mm，轴向、径向错开量均小于25mm。
5、焊接：沿钢管圆筒的接缝进行内焊和外焊，焊接工艺参数如表10，焊丝和焊缝的化学成分如表11和表12；
6、管端扩径：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差≤2mm；扩径段与未扩径段应平滑过渡；
7、对母材进行分层超声波检查；
8、对焊缝进行X射线检查；
9、静水压试验；
10、对焊缝进行超声波自动探伤和管端超声波手探；
11、管端倒棱：对钢管的端部棱边进行倒钝；
12、成品检查。
表8 板卷的化学成分（余量为Fe） (wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Cu |
| 0.05 | 1.10 | 0.15 | 0.013 | 0.0009 | 0.11 | 0.25 | 0.20 |
| Mo | Nb | V | Ti | N | B | Ca | Ca/S |
| 0.10 | 0.020 | 0.045 | 0.010 | 0.005 | 0.0005 | 0.0032 | 3.6 |
表9 板卷（轧制方向30°）拉伸试验值
表10双丝焊参数
表11 焊丝的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Mo |
| 0.08 | 1.55 | 0.15 | 0.010 | 0.003 | 0.35 |
| Ti | B | Cu | Ni | Cr | Fe |
| 0.05 | 0.007 | 0.10 | 0.09 | 0.07 | 余量 |
表12 焊缝金属的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni |
| 0.06 | 1.21 | 0.14 | 0.014 | 0.0014 | 0.10 | 0.21 |
| Cu | Mo | Nb | V | Ti | N | B |
| 0.17 | 0.19 | 0.021 | 0.032 | 0.022 | 0.006 | 0.0013 |
表13 钢管力学性能
表14 钢管耐腐蚀性能
表13、表14给出的是本螺旋焊管实物的主要性能检测结果和抗酸性X70MS钢级螺旋焊管的主要性能要求，由表可见，利用本发明的技术制造的抗酸性螺旋焊管达到了耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的技术要求。
实施例3：
本实施例耐酸性X70MS钢级螺旋焊管所用板卷的化学成分如表15所示，力学性能如表16所示，钢板的厚度为13.7mm，钢管的外径为F914mm。本耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的制造工艺步骤如下：
1、板卷经开卷、矫平；
2、铣边：先粗铣，将板边宽度铣削掉10～20mm，以保证去除卷板因钢坯及轧制过程中的板边缺陷、月牙弯；然后精铣X型坡口，即将钢板卷两个对接的板边分别开出钝边尺寸为8mm、坡口角度为40°的坡口，钢板的两个边对接后形成80°的X形坡口；
３、预弯：在二辊弯边机上对卷板的递送边和自由边进行预弯边，半径尺寸为840mm、长度120mm；
４、成型：将经过上述预弯边的带钢在三辊成型器卷制成外径为F914mm的螺旋状圆筒，精密测量控制各成型辊的位置与角度，1#辊开档尺寸28.0mm，3#辊开档尺寸109.0mm，根据卷板实物屈服强度水平来调整2#辊压下量，并通过环切法现场测量残余应力，钢管周向开口尺寸小于35mm，轴向、径向错开量均小于25mm。
5、焊接：沿钢管圆筒的接缝进行内焊和外焊，焊接工艺参数如表17，焊丝和焊缝的化学成分如表18和表19；
6、管端扩径：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差≤2mm；扩径段与未扩径段应平滑过渡；
7、对母材进行分层超声波检查；
8、对焊缝进行X射线检查；
9、静水压试验；
10、对焊缝进行超声波自动探伤和管端超声波手探；
11、管端倒棱：对钢管的端部棱边进行倒钝；
12、成品检查。
表15 板卷的化学成分（余量为Fe） (wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Cu |
| 0.03 | 1.40 | 0.10 | 0.008 | 0.0013 | 0.10 | 0.23 | 0.25 |
| Mo | Nb | V | Ti | N | B | Ca | Ca/S |
| 0.15 | 0.060 | 0.030 | 0.020 | 0.0029 | 0.0003 | 0.0050 | 3.8 |
表16 板卷（轧制方向30°）拉伸试验值
表17双丝焊参数
表18 焊丝的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Mo |
| 0.08 | 1.55 | 0.15 | 0.010 | 0.003 | 0.35 |
| Ti | B | Cu | Ni | Cr | Fe |
| 0.05 | 0.007 | 0.10 | 0.09 | 0.07 | 余量 |
表19 焊缝金属的主要化学成分(wt.%)
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni |
| 0.05 | 1.43 | 0.14 | 0.011 | 0.0017 | 0.09 | 0.18 |
| Cu | Mo | Nb | V | Ti | N | B |
| 0.19 | 0.23 | 0.034 | 0.028 | 0.025 | 0.005 | 0.0011 |
表20 钢管力学性能
表21 钢管耐腐蚀性能
表20、表21给出的是本螺旋焊管实物的主要性能检测结果和抗酸X70MS钢级螺旋焊管的主要性能要求，由表可见，利用本发明的技术制造的抗酸性螺旋焊管达到了耐酸性X70MS钢级螺旋焊管的技术要求。
Claims (5)
1.一种抗酸性X70MS钢级螺旋焊管，其特征在于所述螺旋焊管的母材采用X70MS钢级板卷，其化学成分的重量百分比为：C：0.02～0.05%, Mn：1.10～1.35%, Si：0.15～0.20%, P：≤0.013%，S：≤0.0013%, Cr：0.11～0.25%, Ni：0.10～0.25%, Cu：0.10～0.20%,Mo：0.05～0.10% ，Nb：0.020～0.040%, V：0.045～0.060%，Ti：0.010～0.017%, N：≤0.005%，B：≤0.0005%, Ca：0.0020～0.0032%, Ca/S:≥2.0，余量为Fe；所述螺旋焊管的焊缝化学成分重量百分比为：C：0.03～0.06%, Si：0.10～0.25%, Mn：1.10～1.45%, P：≤0.015%， S：≤0.0020%, Mo：0.10～0.25%, Ti：0.010～0.030%, N：≤0.006%，B：0.0005～0.0015%，余量为铁。
2.一种如权利要求1所述的抗酸性X70MS钢级螺旋焊管的制造方法，其特征在于其包括：开卷、矫平、铣边、预弯、成型、内焊、外焊、管端扩径、母材分层超声波检查、焊缝X射线检查、水压试验、焊缝超声波检查、管端倒棱、成品检查；
所述内焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1050～1200A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝10～14mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min；
所述外焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊，第一丝为直流，其电流I＝1150～1300A、电压V＝31～33V；第二丝为交流，其电流I＝400～450A、电压V＝34～36V；焊丝间距d＝12～16mm，焊接速度V＝1.6～1.8m/min；
所述内焊、外焊工艺均采用高韧性埋弧焊焊剂和焊丝，并采用跟踪精度达到0.25mm的激光焊缝自动跟踪装置。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述铣边工序的工艺为双铣边工艺：先粗铣I型坡口；然后精铣X型坡口，钝边7.0～8.0mm，坡口角度60～80°。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述预弯工序的工艺为：采用预弯机对卷板的递送边和自由边进行预弯边，预弯边的尺寸为半径840mm、长度100～130mm。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于所述管端扩径工序的工艺为：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为直径的0.6％；管端周长偏差±1.5mm，椭圆度偏差≤2mm。
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