CN103192234A - 一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法，将抗大变形热轧卷板，经过开卷和矫直，在板材的两边加工焊接坡口后，连续送入螺旋钢管成型机组进行成型，逐渐弯曲成管状，采用埋弧焊接工艺进行焊管焊接，经过扩径、检测、水压试验超声检测等后续处理形成产品。本发明在满足高强度、高韧性的前提下具有较低的屈强比、较大的均匀伸长率、较高的形变硬化指数以及Round House型的应力-应变曲线，主要应用于冻土带、滑坡带、地震带等容易产生地质移动的地区，能够经受较大的变形和应力的油气输送管线钢管，保证管道的安全服役。

Description

一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法

技术领域：

本发明属于石油管道领域，涉及一种输油、输气管线领域所用的焊管及其制造方法，尤其是一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法。

背景技术：

近年来，随着天然气的开发、开采向沙漠、极地和海洋等偏远地区延伸，长输管道不仅要经过冻土带、滑坡带、地震带等地质和气候条件十分复杂的地区，而且还要在服役期间承受由于地面塌陷、移动引起的钢管变形，可能承受巨大的变形和应力。因此从技术进步及管道安全性的角度出发，对焊管及管件产品提出了新的更高的要求，以保证管线的安全性和完整性。

大变形管线钢管是一种用于油气长输管道在通过地质复杂地区(滑坡、地震、冻土等)时，为了降低地层移动对管道可能造成的变形损伤而开发出来的基于应变设计同时具有较大均匀塑性变形容量的管线钢管。这种新型管线钢的典型组织是由软质基体相和硬质第二相的双相组织所组成，其性能特点是在高强韧性的基础上，具有较高的形变强化指数，较大的均匀伸长率和较低的屈强比，因而具有在大应变环境中抵抗屈曲、失稳和延性断裂的极限变形能力，满足大变形的需求。

用于油气输送的高强度管线钢目前主要有直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管两种类型，其中螺旋焊管主要应用于一、二类地区，直缝焊管主要用于三、四类地区。中国专利201010251848.3、201010550557.4和201110223978.0都是通过JCOE或UOE成型工艺生产大变形直缝埋弧焊管，对于目前我国管线建设以螺旋焊管为主的背景下，抗大变形焊管采用螺旋成型的埋弧焊工艺未涉及。

将螺旋焊管与直缝焊管做一个简单的比较，螺旋埋弧焊管的主要优点有：1)钢管直径与带钢宽度不再受“π”的比例的约束，直径最大可以达到2500mm以上和超长长度(最长可达80m～100m)；可以采用同一宽度的卷板制造出不同管径的钢管。2)从焊接工艺而言，螺旋焊管与直缝钢管的焊接方法一致，但直缝焊管在现场环焊时不可避免地会有很多的丁字焊缝，而且丁字焊缝处的焊接残余应力较大，焊缝金属往往处于三向应力状态，增加了产生裂纹的可能性。3)螺旋焊管在止裂性能方面优于直缝焊管。由于螺旋焊管的卷板轧制方向不是垂直钢管轴线方向(其夹角取决于钢管的螺旋角)，而直缝钢管的钢板轧制方向垂直于钢管轴线方向，因而，螺旋焊管发生爆破时，由于焊缝所受正应力与合成应力比较小，爆破口一般不会起源于螺旋焊缝处，其安全性比直缝焊管高。爆破试验还显示出螺旋焊管爆破口的环向变形率明显大于直缝焊管。由此证实，螺旋焊管的塑性变形能力优于直缝焊管，爆破口一般只局限于一个螺距内，这是螺旋焊缝对裂口的扩展起了有力的约束作用所致。

虽然螺旋管的焊缝比直缝管的长，但在使用过程中，钢管的主应力方向，即钢管轴线方向的当量缺陷长度比直缝管小，其次，由于管线钢均为轧制钢板，冲击韧性有较大的各向异性，顺轧制方向的CVN值可比垂直于轧制方向的CVN值高，直缝管所受的主应力恰恰垂直于管材抗冲击能力最低的方向，而螺旋管则错开了管材抗冲击能力最低的方向，使螺旋管焊缝长的劣势转变成了优势。

管子在承受内压时，通常在管壁上产生两种主要应力，即径向应力δY和轴向应力δX。焊缝处合成应力δ＝δY(l/4sin2α+cos2α)1/2，其中，α为螺旋焊管焊缝的螺旋角。螺旋焊管焊缝的螺旋角一般为50-75度，因此螺旋焊缝处合成应力是直缝焊管主应力的60-85％。

直缝焊管在焊接后为了保证钢管的尺寸精度，改善钢管的内应力分布状态，一般需要钢管全尺寸扩径，这就在钢管生产中进行了预应变，增加了钢管的变形量，减小了钢管的预应变量，使管体的变形能力变差，对大变形钢管的性能产生了不利的影响。螺旋埋弧抗大变形钢管采用抗大变形热轧卷板并配以低匹配的焊接材料制管，制管后不需要扩径，最大限度地保留了纵向塑性变形容量，可满足地震断裂带、沉陷带、冻土带等基于应变管道设计地区对该管线钢管的使用要求。

随着国家西气东输三线等工程的开工，在高钢级油气输送管道技术迅速发展的背景下，基于应变设计的抗大变形埋弧焊管的需求也越来越迫切，掌握高钢级抗大变形螺旋埋弧焊管的开发、生产和评价，降低管线建设成本，为今后大型输气管线采购打下良好基础，推动国产抗大变形钢管的开发进程。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法，该抗大变形螺旋埋弧焊管主要应用于冻土带、滑坡带、地震带等容易产生地质移动的地区，能够经受较大的变形和应力的油气输送管线钢管，保证管道的安全服役。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管，其金相组织是贝氏体+铁素体的双相组织，管体屈服强度为530～630MPa，管体抗拉强度为625～770MPa，屈强比≤0.85，均匀延伸率≥6％，拉伸曲线形状为拱顶型曲线形状。

采用大变形热轧卷板为原料，螺旋成型的工艺，采用埋弧焊接工艺制造而成；使用了低强度匹配焊接材料进行管体的焊接。

采用组织为贝氏体+铁素体双相组织的抗大变形热轧卷板，在螺旋焊管机组生产线上经矫平后连续不断地送至成型器内，并以成型角a卷曲成螺旋状圆筒，然后在接缝位置进行内焊三丝、外焊四丝的埋弧焊工艺进行焊接，然后经过飞剪、管端扩径、检验、静水水压试验、超声探伤、管端倒棱及成品检验合格后获得螺旋成型抗大变形埋弧焊管。

采用低强度匹配焊接材料进行管体的焊接。

所述的制造方法，按照如下步骤：

(1)、抗大变形热轧卷板开卷、矫平，为钢管的成型做准备；

(2)、铣边：包括去除多余板边的粗铣和X型坡口的精铣，开坡口保证卷板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；

(3)、成型：将经过预弯的带钢按一定的曲率半径在三辊成型器中制成所需管径的螺旋状圆筒；

(4)、焊接：对螺旋成型的钢管初始接缝部位先进行内焊缝三丝埋弧焊、再在半个螺距处外焊缝进行四丝埋弧焊焊接；

(5)、飞剪：按照要求把连续成型焊接好的钢管切割成所需长度的钢管；

(6)、管端扩径：在钢管管端300mm范围进行冷扩径，对钢管管端进行整圆，控制钢管管端尺寸，提高现场管线施工的效率；

(7)、检验：对焊缝进行X射线检验，对焊缝X射线探伤的图像进行扫描分析，完成缺陷的识别、标记；

(8)、静水水压试验；

(9)、超声探伤：对焊缝进行超声自动探伤和管端超声波手探；

(10)、管端倒棱：对钢管管端进行坡口加工；

(11)、成品检验。

这种管线钢管的主要组织是贝氏体+铁素体的双相组织。大变形管线钢既要有足够的强度，又要有足够的变形能力，其组织一般由多相组成，有硬质相和软质相。硬质相为管线钢提供强度，软质相提供塑性。双相组织中两相组织的体积分数及形态分布对钢管的性能也有重要的影响。随着硬质相含量的增大，管线钢的强度增大。如铁素体+贝氏体管线钢，贝氏体体积分数增加到30％时，屈服平台小时，应力-应变曲线为Round House型，且当贝氏体为条状时，形变强化指数能达到0.12。对于贝氏体+M/A管线钢，M/A含量在5％时，管线钢的屈强比最低，韧性最好。

本发明通过低碳、超低碳的多元微合金化设计和控制轧制、加速冷却等技术，在较大的厚度范围内获得以低碳贝氏体为主的多种形态的复相组织，主要合金元素以Si，Mn为主，另外根据生产工艺及使用要求不同，还可加入适量的Cr、Mo、Nb、V、Ti、B等合金元素，组成了以C-Si-Mn系、C-Si-Mn-Mo系、C-Si-Mn-Cr-Mo系、C-Si-Mn-Cr-Nb系和C-Si-Mn-Cr-Mo-Nb系为主的双相钢系列。为了得到理想的组织和性能，可以通过添加合金元素的方式来改变相的热力学稳定性和相变动力学，使得相变点改变，相变被促进或被抑制，相分布也被改变，此外，合金元素也可以作为固溶或析出硬化相影响强度和晶粒尺寸。它在满足高强度、高韧性的前提下具有较低的屈强比(Y/T≤0.85)、较大的均匀伸长率(ε_B≥6)、较高的形变硬化指数(n≥0.1)以及RoundHouse型的应力-应变曲线。

本发明采用大变形热轧卷板为原料，在螺旋焊管机组生产线上经矫平后连续不断地送至成型器内，以一定的螺旋角a将热轧卷板卷曲成螺旋状圆筒，采用多丝焊埋弧焊方法进行焊接。采用螺旋成型的方式可以实现用同一宽度的热轧卷板制造出不同管径的钢管。

采用低强度匹配焊接材料进行管体的焊接。焊接接头一般是钢管的最薄弱区域，强度组配对焊接接头断裂性能的影响很大，所谓焊接接头强度组配是指焊缝金属的屈服强度与母材的屈服强度的比值，用M表示。当M＜1时称作低强匹配，当M＞1时称作高强匹配，当M＝1时称作等强匹配。一般选择焊接材料时，基于不同的考虑，有三种组配方式，即：低强匹配、等强匹配和高强匹配。对于承受大位移的管线，管道焊接尤其是厚壁管道焊接时，由于焊接过程的热胀冷缩，容易在焊缝位置形成较大的焊接残余应力，由于低强度金属有相对比较好的塑性变形能力和抗开裂能力，所以采用强度级别稍低的焊接材料进行焊接，这样在焊缝金属收缩时，可以充分利用低强度金属的上述特性来缓解、释放一部分焊接应力并防止焊接裂纹的产生。另外，低强匹配焊缝金属经大变形强化后，其强度可以达到或者接近周围母材的强度级别，从而形成比较均匀的焊接接头。

附图说明：

图1为本发明的管体焊接示意图；

其中：1为外焊部位；2为内焊部位。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明采用的实施方案是：采用组织是贝氏体+铁素体双相组织的X80抗大变形热轧卷板，在螺旋焊管机组生产线上经矫平后连续不断地送至成型器内，钢带以一定的成型角a卷曲成螺旋状圆筒，如图1所示，然后在接缝位置进行内焊三丝、外焊四丝的埋弧焊工艺，具体的钢管制造工艺步骤如下：

1、抗大变形热轧卷板开卷、矫平，为钢管的成型做准备；

2、铣边：包括去除多余板边的粗铣和X型坡口的精铣，开坡口的目的是保证卷板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；

3、成型：将经过预弯的带钢按一定的曲率半径在三辊成型器中制成所需管径的螺旋状圆筒；

4、焊接：对螺旋成型的钢管初始接缝部位先进行内焊缝三丝埋弧焊、再在半个螺距处外焊缝进行四丝埋弧焊焊接。所述内焊、外焊工艺均采用S、P杂质含量较低的高韧性埋弧焊焊丝和焊剂，并采用激光焊缝自动跟踪装置；

5、飞剪：按照要求把连续成型焊接好的钢管切割成所需长度的钢管；

6、管端扩径：在钢管管端300mm范围进行冷扩径，对钢管管端进行整圆，控制钢管管端尺寸，提高现场管线施工的效率；

7、检验：对焊缝进行X射线检验，对焊缝X射线探伤的图像进行扫描分析，完成缺陷的识别、标记；

8、静水水压试验；

9、超声探伤：对焊缝进行超声自动探伤和管端超声波手探；

10、管端倒棱：对钢管管端进行坡口加工；

11、成品检验。

由上述方法制成的X80抗大变形螺旋埋弧焊主要性能：管体屈服强度530～630MPa，管体抗拉强度625～770MPa，屈强比≤0.85，均匀延伸率≥6％，拉伸曲线形状为“拱顶型”曲线形状。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管，其特征在于：其金相组织是贝氏体+铁素体的双相组织，管体屈服强度为530～630MPa，管体抗拉强度为625～770MPa，屈强比≤0.85，均匀延伸率≥6%，拉伸曲线形状为拱顶型曲线形状。

2.如权利要求1所述螺旋成型抗大变形埋弧焊管，其特征在于：采用大变形热轧卷板为原料，螺旋成型的工艺，采用埋弧焊接工艺制造而成；使用了低强度匹配焊接材料进行管体的焊接。

3.一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管的制造方法，其特征在于：采用组织为贝氏体+铁素体双相组织的抗大变形热轧卷板，在螺旋焊管机组生产线上经矫平后连续不断地送至成型器内，并以成型角a卷曲成螺旋状圆筒，然后在接缝位置进行内焊三丝、外焊四丝的埋弧焊工艺进行焊接，然后经过飞剪、管端扩径、检验、静水水压试验、超声探伤、管端倒棱及成品检验合格后获得螺旋成型抗大变形埋弧焊管。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于：采用低强度匹配焊接材料进行管体的焊接。

5.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)、抗大变形热轧卷板开卷、矫平，为钢管的成型做准备;

(2)、铣边：包括去除多余板边的粗铣和X型坡口的精铣，开坡口保证卷板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；

(3)、成型：将经过预弯的带钢按一定的曲率半径在三辊成型器中制成所需管径的螺旋状圆筒；

(4)、焊接：对螺旋成型的钢管初始接缝部位先进行内焊缝三丝埋弧焊、再在半个螺距处外焊缝进行四丝埋弧焊焊接；

(5)、飞剪：按照要求把连续成型焊接好的钢管切割成所需长度的钢管；

(6)、管端扩径：在钢管管端300mm范围进行冷扩径，对钢管管端进行整圆，控制钢管管端尺寸，提高现场管线施工的效率；

(7)、检验：对焊缝进行X射线检验，对焊缝X射线探伤的图像进行扫描分析，完成缺陷的识别、标记；

(8)、静水水压试验；

(9)、超声探伤：对焊缝进行超声自动探伤和管端超声波手探；

(10)、管端倒棱：对钢管管端进行坡口加工；

(11)、成品检验。

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