CN102383049B

CN102383049B - 一种低成本高韧性x70钢螺旋埋弧焊管制造方法

Info

Publication number: CN102383049B
Application number: CN201110370469.0A
Authority: CN
Inventors: 田鹏; 申立群; 李建一; 孙宏; 孙志刚; 石国红
Original assignee: NORTH CHINA PETROLEUM STEEL PIPE CO Ltd; CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: North China Petroleum Steel Pipe Co ltd; China National Petroleum Corp; CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: CN102383049A

Abstract

本发明公开了一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，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、管端倒棱和成品检查，所述铣边工序中坡口角度为70°～80°，坡口深度3～4mm。本发明制造低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管采用的母材中没有添加Mo、Ni、Cu，并降低了Nb等合金元素的含量，从而降低了生产成本；另外，经过对成型工艺和焊接工艺的优化，使得制成的螺旋埋弧焊管具有耐低温冲击韧性的优异性能。

Description

一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋埋弧焊管制造技术，尤其是一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法。

背景技术

X70管线钢在我国的大规模应用是始于2001年的西气东输管道工程，X70级管线钢及钢管的生产技术也已基本成熟。我国在西气东输一线管道建设中，成功开发应用了大壁厚X70螺旋埋弧焊管，并在随后的陕京二线、川气东送、陕京三线、西气东输二线支线等众多管线建设中得到了广泛应用；同时，形成了以《西气东输管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》和《西气东输二线管道工程用X70螺旋缝埋弧焊管技术条件》为典型代表的X70螺旋埋弧焊管标准，并被国内众多管线标准广泛引用。

由于特定管线《印度大博-班加罗尔输气管道工程用X70螺旋缝埋弧焊管技术条件》对于合金成分与低温韧性以及硬度等性能要求苛刻，其主要合金成分的上限均低于常用X70钢的规定。要符合其管线技术规范的要求，势必要调整板卷的成分、工艺以及钢管的生产工艺。另一方面，目前钢管市场竞争激烈，管线钢常用合金含量较高，造成成本较高。因此迫切需要研制出能够应用于该特定管线的X70钢级Φ914mm×14.3mm板卷及螺旋埋弧焊管。其化学成分、显微组织、拉伸性能、冲击性能等要性能达到通常的X70钢管技术水平，而其低合金含量与较好的低温韧性还要达到该特定管线的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，该方法尤其适用于Φ914mm×14.3mm低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管的制造。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，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、管端倒棱和成品检查，所述铣边工序中坡口角度为65°～75°，坡口深度3～4mm，该螺旋缝埋弧焊管主要化学成分的重量含量为：C 0.05～0.07%、Si 0.16～0.21%、Mn 1.49～1.59%、Cr 0.20～0.23%、Ni 0.014～0.019%、Al 0.029～0.054%、Cu 0.007～0.024%、Nb 0.030～0.046%、V 0.015～0.049%、Ti 0.012～0.021%、P 0.005～0.012%、S 0.001～0.001%、B 0.0001～0.0003%、N 0.0024～0.0085%，余量为铁。

上述成型工序的工艺为：采用三辊变形、外控式成型方式，按照56°59’的成型角在成型器内将带钢卷制成直径为φ914mm的螺旋状圆筒；成型过程中精密测量控制各成型辊的位置与角度，内成型辊角度为56°34’，外成型辊角度为57°24’，1^#辊包角为18°10’、开裆为43.9mm，3^#辊包角为24°51’、开裆120.0mm，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钢管成型残余应力，保证钢管周向开口尺寸小于30mm。

上述焊接工艺中焊缝化学成分的重量含量为：C 0.05～0.08%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.50～1.65%、P ≤0.013%、S ≤0.007%、Cr ≤0.23%、Mo 0.08～0.13%、Ni ≤0.08%、Cu ≤0.08%、Al ≤0.060%、Ti 0.015～0.040%、Nb ≤0.05%、V ≤0.05%、B 0.0008～0.0018%、N ≤0.010%，余量为铁。

上述焊接工艺中焊剂化学成分的重量含量为：SiO₂+TiO₂ 15～20%、CaO+MgO 26～31%、AL₂O₃+MnO 25～32%、CaF₂ 14～19%、S ≤0.015%、P ≤0.015%。

上述焊接工艺中焊丝化学成分的重量含量为：C 0.06～0.09%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.45～1.65%、Mo 0.30～0.40%、Ti 0.030～0.070%、B 0.003～0.006%、P ≤0.015%、S ≤0.005%、Cu ≤0.10%、N ≤0.015%，余量为铁。

所述内焊工序为采用双丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，前丝为直流，电流1050～1200A，电压30～34V；后丝为交流，电流400～450A，电压34～38V；焊接速度1.60～1.70m/min。

所述外焊工序为采用双丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，前丝为直流，电流1150～1300A，电压31～35V；后丝为交流，电流400～450A，电压34～38V；焊接速度1.60～1.70m/min。

本发明的有益效果如下：本发明制造低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管采用的母材中没有添加Mo、Ni、Cu，并降低了Nb等合金元素的含量，从而降低了生产成本；另外，经过对成型工艺和焊接工艺的优化，使得制成的螺旋埋弧焊管具有耐低温冲击韧性的优异性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明螺旋埋弧焊管管体的横向夏比特冲击吸收功分布图。

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：

采用管径为Φ914mm、壁厚为14.3mm、化学成分为C 0.05～0.07%、Si 0.16～0.21%、Mn 1.49～1.59%、Cr 0.20～0.23%、Ni 0.014～0.019%、Al 0.029～0.054%、Cu 0.007～0.024%、Nb 0.030～0.046%、V 0.015～0.049%、Ti 0.012～0.021%、P 0.005～0.012%、S 0.001～0.001%、B 0.0001～0.0003%、N 0.0024～0.0085%，余量为铁的X70控轧钢板进行螺旋埋弧焊管的制造，制造工艺过程如下：

板卷经开卷、矫平。

铣边:先粗铣，将板边宽度铣削掉0～10mm；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8±1mm、坡口角度为35°～40°的坡口，钢板的两个边对接后形成70°～80°的X形坡口。

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，使半径尺寸为1470mm；长度100～130mm。

成型:将经过上述预弯边的带钢在三辊成型器卷制成直径为φ914mm的螺旋状圆筒。

内焊：采用双丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，前丝为直流，电流1050～1200A，电压30～34V；后丝为交流，电流400～450A，电压34～38V；焊接速度1.60～1.70m/min。

外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺参数为：第一丝电流1200A、电压34V，第二丝电流950A、电压38V，第三丝电流800A、电压40V，第四丝电流700A、电压42V，焊丝间距为33mm，焊接速度为145mm/min。

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1.5 %；管端周长偏差士1.5mm ，椭圆度偏差土2mm；扩径段与未扩径段应平滑过渡。

母材分层超声波检验：对焊接后的钢管母材部分进行检查。

X射线检查：对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查。

水压试验。

焊缝超声波检验：对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。

管端倒棱:对钢管的端部棱边进行倒钝。

成品检查。

热影响区指的是焊接过程中熔池附近的母材因受到热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域，是焊接接头的重要组成部分，其质量的优劣直接关系到焊接接头的整体质量。热影响区的质量主要取决于母材原始组织、化学成分及焊接工艺参数，而焊接工艺参数的影响又主要体现在焊接线能量的大小。相同母材条件下，焊接线能量越大，则热影响区范围越宽、晶粒越粗大、塑韧性越差。当热影响区性能恶化到一定程度时，不仅会造成低温冲击韧性的不合格，还会在导向弯曲试验时出现热影响区开裂现象，造成不合格品数量增加。焊接线能量的大小则取决于电流、电压和焊接速度；其中，电流、电压与其成正比，焊接速度与其成反比。焊接速度的大小直接决定着产量和效益，应在保证质量的前提下尽量提高产能；综合参考相同、相近规格钢管生产情况和机组综合能力等因素后，首先确定焊接速度。电流、电压的大小决定着熔池的形状和焊缝的质量，也是决定线能量大小的关键，而减小电流则是减小焊接线能量最可行的途径。由于电流决定着焊道熔深，如直接减小电流则容易造成未焊透缺陷的增多，因此需要减小钝边尺寸。虽然减小钝边尺寸可以减小焊接电流、降低焊接线能量，对热影响区性能有利，但钝边尺寸过小时又容易产生板边挤厚、成型不稳定等不良后果，造成焊接缺陷增多。综合分析相关资料后，确定将钝边尺寸由8.5mm～9.5mm减小至7.0mm～8.0mm，并通过增大1#辊和3#辊开档尺寸、精密控制成型参数等工艺措施来减小残余应力、消除对成型的不利影响。然后通过焊道形貌质量控制，适当降低焊接电流、微调电弧电压和焊点位置，保证良好的焊道几何形状。

焊丝是焊缝中最主要的填充金属，直接影响着焊缝金属的化学成分和组织性能；而适合管线钢焊接的焊丝不仅要保证焊缝金属具有足够的强度，更重要的是要具有较高的低温冲击韧性。目前适用于X70钢管焊接的焊丝主要是上世纪末我国自主开发的Mn-Mo-Ti-B系低合金钢埋弧焊焊丝，该焊丝在成分设计上力图使焊缝金属中获得较大比例的针状铁素体组织，以保证焊缝金属同时具有较高的强度和低温冲击韧性。研究发现质量相对稳定的焊丝品牌主要有H08C、JW-9和MK680GX-III三个牌号。焊丝中P、S杂质元素对钢管低温冲击韧性具有不利影响，而三种焊丝中以H08C杂质元素含量最少，因此将其作为焊丝的首选，与焊剂进行匹配。因此焊接工艺中采用焊丝化学成分的重量含量为：C 0.06～0.09%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.45～1.65%、Mo 0.30～0.40%、Ti 0.030～0.070%、B 0.003～0.006%、P ≤0.015%、S ≤0.005%、Cu ≤0.10%、N ≤0.015%，余量为铁。

焊剂在埋弧焊过程中熔化形成熔渣，对熔池具有机械保护、冶金处理和改善焊接工艺性能的作用。不同种类的焊剂化学组成不同，其工艺性能、焊缝金属力学性能也各不相同。目前我国管线钢焊接使用的主要是SJ101G焊剂。该焊剂在保证良好工艺性能的同时具有较高的焊缝低温冲击韧性，自西气东输一线开始在我国得到了广泛应用。但随着钢管壁厚的增加和焊接速度的提高，焊接电流大大增加，焊接线能量随之提高，导致该焊剂工艺性能恶化，焊接缺陷增多，因此在生产大壁厚钢管使我公司通常会混合使用一定比例的林肯995N焊剂。995N焊剂工艺性能较好，可降有效降低焊接缺陷比例提高合格率，但焊缝低温冲击韧性不及SJ101G焊剂。由于SJ101G焊剂匹配H08C焊丝得到的焊缝低温冲击韧性偏低，因此需要重新选择高韧性焊剂。另有一种牌号为SJ105B的焊剂，该焊剂工艺性能略低于SJ101G，但低温冲击韧性大大提高。SJ105B焊剂熔敷金属-40℃低温冲击韧性明显优于SJ101G和995N，虽然其强度略低，但差值较小。分别使用三种焊剂匹配H08C焊丝得到的焊接接头各项性能指标都能满足标准要求，但SJ101G和995N焊剂低温冲击功偏低，特别是995N仅刚刚达标，无法应用于大批量生产；而SJ105B焊剂低温冲击功较高，安全余量较大，其余性能也均满足标准要求，故将其作为首选焊剂。虽然SJ105B焊剂低温冲击韧性较好，但其工艺性能相对较差，大批量生产过程中很容易造成焊接缺陷（尤其是气孔和夹渣）增多，焊接一通率降低，从而导致不合格品数量增多而增加生产成本。因此，需要混合一定比例的995N焊剂来弥补其工艺性能方面的不足，保证较高的焊接合格率。根据以往相近规格钢管的生产经验，结合印度管线的特殊规定，分析认为添加1/4的995N焊剂比较合适，既能提高焊接合格率，又不会对焊缝低温冲击韧性造成过多影响。因此焊接工艺中采用焊剂化学成分的重量含量为：SiO₂+TiO₂ 15～20%、CaO+MgO 26～31%、AL₂O₃+MnO 25～32%、CaF₂ 14～19%、S ≤0.015%、P ≤0.015%。

采用上述化学成分的焊丝和焊剂对母材焊缝进行焊接，得到的焊缝化学成分的重量含量为：C 0.05～0.08%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.50～1.65%、P ≤0.013%、S ≤0.007%、Cr ≤0.23%、Mo 0.08～0.13%、Ni ≤0.08%、Cu ≤0.08%、Al ≤0.060%、Ti 0.015～0.040%、Nb ≤0.05%、V ≤0.05%、B 0.0008～0.0018%、N ≤0.010%，余量为铁。

本发明所述的低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管管体的横向夏比冲击试验和DWTT结果如下：

其中，管体夏比冲击试验温度为-29℃，DWTT试验温度为0℃。

管体横向夏比冲击吸收功分布图如图1所示。

在试验温度为-29℃时，焊缝夏比冲击功的平均值为140J，最大值为205J，最小值为88J；热影响区夏比冲击功平均值为214J，最大值为288J，最小值为108J。

Claims

1.一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，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、管端倒棱和成品检查，所述铣边工序中坡口角度为70°～80°，坡口深度3～4mm，其特征在于，该螺旋埋弧焊管主要化学成分的重量含量为：C 0.05～0.07%、Si 0.16～0.21%、Mn 1.49～1.59%、Cr 0.20～0.23%、Al 0.029～0.054%、Nb 0.030～0.046%、V 0.015～0.049%、Ti 0.012～0.021%、P 0.005～0.012%、S 0.001%、N 0.0024～0.0085%，余量为铁；

所述成型工序的工艺为：采用三辊变形、外控式成型方式，按照56°59’的成型角在成型器内将带钢卷制成直径为φ914mm的螺旋状圆筒；成型过程中精密测量控制各成型辊的位置与角度，内成型辊角度为56°34’，外成型辊角度为57°24’，1^#辊包角为18°10’、开裆为43.9mm，3^#辊包角为24°51’、开裆为120.0mm，根据卷板实物屈服强度水平来调整2^#辊压下量；通过环切法现场测量钢管成型残余应力，保证钢管周向开口尺寸小于30mm。

2.根据权利要求1所述的一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，其特征在于，焊接工艺中焊缝化学成分的重量含量为：C 0.05～0.08%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.50～1.65%、P ≤0.013%、S ≤0.007%、Cr ≤0.23%、Mo 0.08～0.13%、Ni ≤0.08%、Cu ≤0.08%、Al ≤0.060%、Ti 0.015～0.040%、Nb ≤0.05%、V ≤0.05%、B 0.0008～0.0018%、N ≤0.010%，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，其特征在于，焊接工艺中焊丝化学成分的重量含量为：C 0.06～0.09%、Si 0.15～0.25%、Mn 1.45～1.65%、Mo 0.30～0.40%、Ti 0.030～0.070%、B 0.003～0.006%、P ≤0.015%、S ≤0.005%、Cu ≤0.10%、N ≤0.015%，余量为铁。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，其特征在于，所述内焊工序为采用双丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，前丝为直流，电流1050～1200A，电压30～34V；后丝为交流，电流400～450A，电压34～38V；焊接速度1.60～1.70m/min。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种低成本高韧性X70钢螺旋埋弧焊管制造方法，其特征在于，所述外焊工序为采用双丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，前丝为直流，电流1150～1300A，电压31～35V；后丝为交流，电流400～450A，电压34～38V；焊接速度1.60～1.70m/min。