CN108796364A - 一种适用低温的x80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法 - Google Patents

一种适用低温的x80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法，焊管母材化学组成按照质量百分比为C：0.04～0.08％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.60～1.85％、S：≤0.004％、P：≤0.010％、Ni：0.15～0.30％、Cr：0～0.30％、Cu：0.1～0.3％、Nb：0.05～0.10％、V：0.005～0.04％、Ti：0.015～0.03％、Mo：0.10～0.35％、Al：0.02～0.05％、N：≤0.008％、B：0.0003～0.0005％，制造方法包括：按照所上述化学组成的质量百分比制备热轧钢板，钢板超声波检验、铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、焊缝X射线检测、钢管扩径、静水压试验、焊缝超声波检测、管端X射线检测、倒棱、管端磁粉检测、外观质量检查。本发明的焊管焊接接头具有良好的低温韧性，可以在制管后不对焊管进行热处理的前提下，直接在‑45℃及更低温度下使用。

Description

一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法
技术领域:
本发明涉及一种直缝埋弧焊管及其制造方法，特别涉及一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法。
背景技术：
随着石油、天然气开采不断向高寒、冻土地带发展及对管道输送效率、经济性的不断追求，对大口径、低温埋弧焊管的需求越来越大。我国是一个自然环境复杂的国家，当油气输送管道途经我国东北、西北部分高寒地区时，冬季气温较低，冷月平均气温-14℃～-24℃，极端最低温度-48.1℃，而陆地焊管最低金属设计温度为-45℃,在不采用保温伴热措施前提下，目前埋弧焊管在部分地段不能满足管道建设的需求。
国内目前还没有针对-45℃及更低温度下使用的高强度碳钢和低合金钢低温厚壁直缝焊管产品。在现有的标准和产品体系中可供选择的低温钢管只有GB6479中的Q345E，最低允许使用温度-40℃；GB150.2中的09MnD和09MnNiD，最低允许使用温度为-50℃和-70℃，但最大允许使用壁厚≤8mm，不能满足高压力、大口径油气输送管道建设的需求。针对以上情况，急需开发出一种可以在-45℃及更低温度下不需要采用保温伴热措施，直接裸露使用的高钢级大口径埋弧焊管，减小能量消耗，同时减少巡检和维护的工作量。
对于在高寒地区使用，并且对低温韧性要求较高的高钢级埋弧焊管，国外主要以直缝埋弧焊管为主，但为了保证获得良好的低温韧性，制管完成后都对焊缝部分进行了热处理。国内对于适用于低温环境的焊管也进行了相关的研究，如专利CN106244915A，是一种厚规格X80管件钢管及制备方法，但是该制备方法制管后采用了整体淬火+低温保温+回火的热处理工艺；另有专利如CN103451570A，则是一种适用于低温环境的螺旋埋弧焊管及其制造方法。除此之外，国内外对适用于低温环境且低温韧性优良的X80钢级，管径1422mm，壁厚＞30mm，制管后不需要进行热处理的直缝埋弧焊管未有涉及。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管及其制造方法，该制造方法不仅在制管后不需要进行热处理，使焊管的焊接接头具有良好的低温冲击韧性，而且在-45℃及更低温度下可以直接裸露使用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管，所述焊管母材化学组成按照质量百分比为C：0.04～0.08％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.60～1.85％、S：≤0.004％、P：≤0.010％、Ni：0.15～0.30％、Cr：0～0.30％、Cu：0.1～0.3％、Nb：0.05～0.10％、V：0.005～0.04％、Ti：0.015～0.03％、Mo：0.10～0.35％、Al：0.02～0.05％、N：≤0.008％、B：0.0003～0.0005％，余量为Fe，所述焊管母材采用热轧钢板。
本发明焊管母材的Ceq和Pcm分别通过公式1和公式2计算：
Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 公式1，
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 公式2，
其中计算时公式中的C、Si、Mn、Cu、Cr、Ni、Mo、V、B为各元素的质量百分比，通过计算Ceq为0.34～0.61，Pcm为0.14～0.25。因此本发明焊管母材的碳当量Pcm为0.14～0.25。
本发明在成分设计过程中采用低C、低Mn的设计，管体母材组织是以粒状贝氏体为主+少量先共析铁素体+弥散的MA的多相组织；添加一定量的Si进行脱氧，但Si的含量超过0.5％时，焊接热影响区的韧性会下降；添加适量的Mo可以提高钢的淬透性，并可以促进在焊接热影响区生成粒状贝氏体组织；加入Cu、Ni可以在不降低或损害韧性的前提下而使强度得到提高，同时还能抑制表面缺陷的产生；添加适量的Cr，可以减少钢的组织偏析；同时加入一定量的Nb，一方面可以进一步的细化晶粒，另一方面也能提高韧性。
上述埋弧焊管的制造方法包括：按照上述化学组成的质量百分比制备热轧钢板，钢板超声波检验、铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、焊缝X射线检测、钢管扩径、静水压试验、焊缝超声波检测、管端X射线检测、倒棱、管端磁粉检测、外观质量检查；
所述JCO成型为利用JCO成型机先将预弯后的外侧钢板进行多次压制，压成“J”形，再将内侧钢板进行多次压制，压成“C”形，最后在钢板的中间压制一次使钢板压成的开口为“O”形，对于30mm以上厚度钢板，压制次数≥27次；
所述预焊采用混合气体保护焊，预焊焊丝直径为4.0mm的BHG-2M焊丝，其中气体类别为CO2(55％～65％)+Ar(35％～45％)，气体流量为66～74L/min，焊接速度V＝3.6～4.4m/min；
所述内焊和外焊均采用五丝埋弧自动焊：1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝采用交流，焊接速度V＝1.4～1.6m/min；
所述内焊和外焊的焊剂采用碱度为1.8的CaF2-SiO2-MgO-Al2O3-MnO-TiO2-B2O3渣系低温韧性优异的烧结焊剂，内焊焊丝采用HO8C焊丝，外焊焊丝采用合金体系为Mn-Ni-Mo-Ti-Cr-B的低温埋弧焊丝。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过成分设计以及钢板制造工艺的控制，实现了管体显微组织为粒状贝氏体为主+少量先共析铁素体+弥散的MA的多相组织(如图1和图7所示)，同时进一步减少S、P等杂质元素的摄入，保证了焊管管体具有较高的强度和优异的低温韧性，-45℃管体冲击功＞316J，-60℃管体冲击功＞232J。
(2)本发明的直缝埋弧焊管焊接接头抗拉强度＞685MPa，-45℃焊缝中心冲击功＞125J、热影响区冲击功＞236J，-60℃焊缝中心冲击功＞88J、热影响区冲击功＞168J，焊管的低温韧性优异，能够满足-45℃及更低温度下对焊管韧性的要求。
(3)本发明针对X80钢级Φ1422mm、壁厚＞30mm直缝埋弧焊管，合理设定内焊和外焊各丝的电流、电压、干伸长、焊丝间距及角度，获得良好的焊缝形状系数，焊缝与母材能够平滑的过渡，减少或消除咬边，同时，采用优化后的焊材匹配，内焊焊丝采用强度较低的HO8C焊丝，外焊采用强度较高的Mn-Ni-Mo-Ti-Cr-B系低温焊丝，最终获得细小的晶内针状铁素体+细小的粒状贝氏体的多相焊缝组织(如图2和图8所示)，热影响区的显微组织为粒状贝氏体+先共析铁素体(如图3和图9所示)，使焊缝组织具有良好的低温韧性。
附图说明：
图1为实施例1的管体显微金相照片。
图2为实施例1的焊缝显微金相照片。
图3为实施例1的热影响区显微金相照片。
图4为实施例1的焊管管体冲击功系列温度试验结果。
图5为实施例1的焊管焊缝冲击功系列温度试验结果。
图6为实施例1的焊管热影响区冲击功系列温度试验结果。
图7为实施例2的管体显微金相照片。
图8为实施例2的焊缝显微金相照片。
图9为实施例2的热影响区显微金相照片。
图10为实施例2的焊管管体冲击功系列温度试验结果。
图11为实施例2的焊管焊缝冲击功系列温度试验结果。
图12为实施例2的焊管热影响区冲击功系列温度试验结果。
具体实施方式:
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：X80钢级Φ1422×30.8mm低温直缝埋弧焊管的制造。
(1)原料，采用壁厚为30.8mm的X80钢级热轧钢板，其主要合金元素含量：C0.05％、Si 0.21％、Mn 1.67％、S 0.001％、P 0.010％、Ni 0.18％、Cr 0.16％、Cu 0.21％、Nb 0.07％、V 0.005％、Ti 0.016％、Mo 0.12％、Al 0.03％、N 0.006％、B 0.0003％，余量为Fe。
(2)钢板超声波检验，对钢板进行100％的超声波检测。
(3)铣边，坡口尺寸为上坡口角度为70°，下坡口角度为70°，下坡口深度11.5mm，钝边10.0mm。
(4)预弯边，利用预弯机进行板边预弯，使板边曲率符合要求。
(5)JCO成型，在成型机上首先将预弯后的钢板一侧进行压制，成“J”型，再将钢板的另一半按同样的方法和道次进行压制，成“C”型，最后在钢板的中间进行一次压制，压制成开口为“O”型，共压制27道次。
(6)预焊，将呈“O”型的钢管送入预焊机，调整预焊机压辊位置，采用混合气体保护焊接方式进行焊接，形成连续、质量可靠的预焊焊缝。
(7)内焊，采用五丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接，1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝为交流。焊接工艺参数为：1#丝电流I＝1100A，电压U＝34V；2#丝电流I＝1000A，电压U＝36V；3#丝电流I＝950A，电压U＝38V，4#丝电流I＝900A，电压U＝40V，5#丝电流I＝600A，电压U＝40V，焊丝间距为18、20、20、20mm，干伸长27、27、27、27、27mm，焊接速度V＝1.5m/min。
(8)外焊，采用五丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接，1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝为交流。焊接工艺参数为：1#丝电流I＝1200A，电压U＝33V；2#丝电流I＝1100A，电压U＝35V；3#丝电流I＝900A，电压U＝37V，4#丝电流I＝800A，电压U＝39V，5#丝电流I＝700A，电压U＝40V，焊丝间距为17、17、17、17mm，干伸长29、29、29、29、29mm，焊接速度V＝1.5m/min。
(9)焊缝X射线检测，对焊接后的焊管内外焊缝进行100％X射线检测。
(10)钢管扩径，对焊管全长进行0.75％扩径率进行扩径，提高焊管的尺寸精度，同时改善钢管的应力分布状态。
(11)静水压试验，对焊管进行95％的静水压试验，试验压力22.85MPa，保压时间大于15S。
(12)焊缝超声波检测，对焊接后的焊管焊缝及两侧热影响区进行100％检查。
(13)管端X射线检测，对经扩径、水压之后的焊管管端拍片检查，防止扩径、水压可能产生的缺陷。
(14)倒棱，进行管端坡口加工，坡口角度22°～25°，钝边0.8～2.4mm。
(15)管端磁粉检测，对焊管管端进行磁粉检测，进一步的排除可能产生的缺陷。
采用以上工艺制造的焊管管体拉伸性能检测结果如表1所示，管体DWTT试验结果如表2所示，焊接接头硬度检测结果如表3所示。焊管管体、焊缝以及热影响区的金相显微组织照片分别如图1、图2和图3所示。焊管管体、焊缝、热影响区冲击功系列温度实验结果分别如图4、图5和图6所示。
表1 焊管管体拉伸性能试验结果
表2 管体DWTT剪切面积(SA％)
表3 焊接接头硬度检测结果
实施例2：X80钢级Φ1422×33.8mm低温直缝埋弧焊管的制造。
(1)原料，采用壁厚为33.8mm的X80钢级热轧钢板，其主要合金元素含量：C0.07％、Si 0.25％、Mn 1.65％、S 0.002％、P 0.010％、Ni 0.19％、Cr 0.24％、Cu 0.12％、Nb 0.05％、V 0.04％、Ti 0.016％、Mo 0.20％、Al 0.03％、N 0.005％、B 0.0003％，余量为Fe。
(2)钢板超声波检验，对钢板进行100％的超声波检测。
(3)铣边，坡口尺寸为上坡口角度为70°，下坡口角度为70°，下坡口深度12.5mm，钝边10.0mm。
(4)预弯边，利用预弯机进行板边预弯，使板边曲率符合要求。
(5)JCO成型，在成型机上首先将预弯后的钢板的一侧进行压制，成“J”型，再将钢板的另一半按同样的方法和道次进行压制，成“C”型，最后在钢板的中间进行一次压制，压制成开口为“O”型，共压制29道次。
(6)预焊，将呈“O”型的钢管送入预焊机，调整预焊机压辊位置，采用混合气体保护焊接方式进行焊接，形成连续、质量可靠的预焊焊缝。
(7)内焊，采用五丝埋弧自动焊在钢管内侧坡口进行焊接，1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝为交流。焊接工艺参数为：1#丝电流I＝1200A，电压U＝35V；2#丝电流I＝1050A，电压U＝36V；3#丝电流I＝1000A，电压U＝38V，4#丝电流I＝950A，电压U＝40V，5#丝电流I＝600A，电压U＝40V，焊丝间距为18、20、20、20mm，干伸长28、27、27、27、27mm，焊接速度V＝1.5m/min。
(8)外焊，采用五丝埋弧自动焊在钢管外侧坡口进行焊接，1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝为交流。焊接工艺参数为：1#丝电流I＝1250A，电压U＝34V；2#丝电流I＝1150A，电压U＝35V；3#丝电流I＝1000A，电压U＝37V，4#丝电流I＝800A，电压U＝39V，5#丝电流I＝750A，电压U＝40V，焊丝间距为17、17、17、17mm，干伸长30、29、29、29、29mm，焊接速度V＝1.5m/min。
(9)焊缝X射线检测，对焊接后的焊管内外焊缝进行100％X射线检测。
(10)钢管扩径，对焊管全长进行0.7％扩径率进行扩径，提高焊管的尺寸精度，同时改善钢管的应力分布状态。
(11)静水压试验，对焊管进行95％的静水压试验，试验压力25.1MPa，保压时间大于15S。
(12)焊缝超声波检测，对焊接后的焊管焊缝及两侧热影响区进行100％检查。
(13)管端X射线检测，对经扩径、水压之后的焊管管端拍片检查，防止扩径、水压可能产生的缺陷。
(14)倒棱，进行管端坡口加工，坡口角度22°～25°，钝边0.8～2.4mm。
(15)管端磁粉检测，对焊管管端进行磁粉检测，进一步的排除可能产生的缺陷。
采用以上工艺制造的焊管管体拉伸性能检测结果如表4所示，管体DWTT试验结果如表5所示，焊接接头硬度检测结果如表6所示。焊管管体、焊缝以及热影响区的金相显微组织照片分别如图7、图8和图9所示。焊管管体、焊缝、热影响区冲击功系列温度实验结果分别如图10、图11和图12所示。
表4 焊管管体拉伸性能试验结果
表5 管体DWTT剪切面积(SA％)
表6 焊接接头硬度检测结果
由以上两个具体实施例可以看出，采用本发明生产的X80钢级、管径规格1422mm、壁厚＞30mm的直缝埋弧焊管管体力学性能优异，焊接接头具有良好的低温韧性，硬度也符合相关标准要求，未出现内焊缝硬度超出标准要求的现象，可以在制管后不对焊管进行热处理的前提下，直接在-45℃及更低温度下使用，实现了适用于低温环境的X80钢级大口径厚壁直缝埋弧焊管稳定、批量化的生产。

Claims (4)

1.一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管，其特征在于：所述焊管母材化学组成按照质量百分比为C：0.04～0.08％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.60～1.85％、S：≤0.004％、P：≤0.010％、Ni：0.15～0.30％、Cr：0～0.30％、Cu：0.1～0.3％、Nb：0.05～0.10％、V：0.005～0.04％、Ti：0.015～0.03％、Mo：0.10～0.35％、Al：0.02～0.05％、N：≤0.008％、B：0.0003～0.0005％，余量为Fe；Pcm为0.14～0.25，所述焊管采用热轧钢板。
2.制备权利要求1所述的一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括：按照所述化学组成的质量百分比制备热轧钢板，钢板超声波检验、铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、焊缝X射线检测、钢管扩径、静水压试验、焊缝超声波检测、管端X射线检测、倒棱、管端磁粉检测、外观质量检查；
所述JCO成型为利用JCO成型机先将预弯后的外侧钢板进行多次压制，压成“J”形，再将内侧钢板进行多次压制，压成“C”形，最后在钢板的中间压制一次使钢板压成的开口为“O”形，对于30mm以上厚度钢板，压制次数≥27次；
所述预焊采用混合气体保护焊，预焊焊丝直径为4.0mm的BHG-2M焊丝，其中气体类别为CO2(55％～65％)+Ar(35％～45％)，气体流量为66～74L/min，焊接速度V＝3.6～4.4m/min；
所述内焊和外焊均采用五丝埋弧自动焊：1#丝采用直流反接，2#、3#、4#、5#丝采用交流，焊接速度V＝1.4～1.6m/min；
所述内焊和外焊的焊剂采用碱度为1.8的CaF2-SiO2-MgO-Al2O3-MnO-TiO2-B2O3渣系低温韧性优异的烧结焊剂，内焊焊丝采用HO8C焊丝，外焊焊丝采用合金体系为Mn-Ni-Mo-Ti-Cr-B的低温埋弧焊丝。
3.根据权利要求2所述的一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：所述焊管管体的显微组织为粒状贝氏体为主+少量先共析铁素体+弥散的MA的多相组织，焊管管体在-45℃管体冲击功＞316J，-60℃管体冲击功＞232J。
4.根据权利要求2所述的一种适用低温的X80大口径厚壁直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：所述焊管焊缝的显微组织为细小的晶内针状铁素体+细小的粒状贝氏体，热影响区的显微组织为粒状贝氏体+先共析铁素体，焊接接头抗拉强度＞685MPa，-45℃焊缝中心冲击功＞125J、热影响区冲击功＞236J，-60℃焊缝中心冲击功＞88J、热影响区冲击功＞168J。
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