小壁厚X80M钢螺旋缝埋弧焊管的研制

 新闻资讯     |      2018-07-11
0 前言
    克拉苏气田输气管道工程(大北2-克拉2 段)是中国石油塔里木油田公司2013 年实施的重点项目之一, 也是连接“西气东输” 主力气源地和轮南输气末站的一条重要管线, 全长90.4 km,规格φ 813 mm×11 mm, 材质X80M, 年输气量可达110 亿m3、设计压力10 MPa。建设该管线旨在将“西气东输” 工程主气源地克拉2、大北和克深3 大区块连为一体, 进一步提高“西气东输” 工程供气能力。
    此输气管道沿线气候属于寒温带, 干旱型气候, 昼夜温差大。冬季长, 夏季短, 春秋季气候变化剧烈。因此, 对管道提出很高的质量要求,而且壁厚较小(φ 813 mm×11 mm,X80M 在国内尚属首次), 上料、粗铣、精铣控制, 成型焊接控制, 水压试验过程中对钢管稳压和保压控制等难度加大, 为研制和生产带来了极大挑战。新疆钢管有限公司(以下简称“新疆公司”)选用S 钢厂生产X80M 钢板, 按照《克拉苏气田输气管道工程(大北2-克拉2 段)DN800 线路用钢管技术规格书》(以下简称《技术条件》)的相关要求, 在没有可借鉴技术的条件下, 经与钢厂多次沟通并进行优化合金成分和轧制工艺, 克服各种困难, 经过多次试制, 最终研制成功出各项指标均符合以上技术条件的X80M 螺旋缝埋弧焊管。本研究将着重介绍此种钢管的试制、检测与实际应用情况。
1 X80M 钢φ 813 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管试制
1.1 原料控制
    对原料进行严格的入厂检验, 其钢板的外观质量、几何尺寸、化学成分、力学性能、金相组织、硬度、探伤等检测均达到《技术条件》的规定要求。
    在上料拆卷时, 对板形(主要是镰刀弯、楔形、塔形)和板边缺欠(主要是板边凸凹不均、厚度不均、分层) 状况要严格控制, 杜绝不符合要求的板卷上料生产。
1.2 焊接设备及工艺
    φ 1420 mm 螺旋缝埋弧焊管生产机组已为“西气东输” 和“陕京二线” 等国内重要管线生产了几十万吨X70 和X80 等钢级螺旋缝埋弧焊管,市场遍及全国各地, 具有很强的生产焊接能力。S 钢厂提供的钢板, 采用较低C、S 含量(w(C)≤0.08%, w(S)≤0.003%), 添加Cr, Mo, 高Nb 微合金化成分设计, 金相组织为高强度、高韧性的针状铁素体。
    在成型过程中, 控制好铣边如钝边高度和上、下坡口角度等参数, 杜绝板边局部没铣到或铣边不均情况的发生; 控制好成型如错边、噘嘴、焊偏和熔合量、钢管弹复量等参数; 在焊接过程中, 控制好焊接电流、焊接电压、焊接速度以及它们与生产效率间的关系, 确保成型焊接质量的稳定性, 保证焊缝及热影响区有足够的强度, 较高的塑性和冲击韧性。
    与同钢级、大壁厚螺旋缝埋弧焊管焊接相比, 采用的焊接参数较小, 如降低焊接电流、减少焊缝线能量输入等, 这对减小热影响区的范围、细化焊接接头区域晶粒以及防止产生过热组织的产生有利。
表1 X80M 钢φ813 mm×11 mm螺旋缝埋弧焊管焊接规范
    表1 X80M 钢φ813 mm×11 mm螺旋缝埋弧焊管焊接规范
    由新疆公司技术质量、生产、检验等部门共同研讨,并结合前期生产钢管的经验,制定出X80M 钢φ813 mm×11 mm。焊管试制方案。先由技术部门负责焊接的匹配试验, 然后对各试验数据进行综合分析, 选出最佳方案并以此试制。焊接方法选用双面埋弧焊。其部分试验规范见表1。
2 试制焊管的质量检测
    对试制的X80M 钢φ 813 mm×11 mm 螺旋缝埋弧焊管进行了包括外观质量、化学成分、几何尺寸、力学性能、无损探伤等方面的试验检测。
2.1 外观质量检验
    外观质量检验主要指标及检测结果见表2。由表可见, 试制焊管主要指标均合格。另外, 对钢管的内、外表面进行了检查, 均未发现划伤、折叠、摔坑、电弧烧伤等缺陷。
表2 外观质量检验主要指标及检测结果
    表2 外观质量检验主要指标及检测结果
2.2 化学成分分析
    依据《技术条件》对焊管焊缝及母材取样, 采用直读光谱仪进行化学成分分析, 主要元素质量分数见表3, 结果均达到《技术条件》的要求。
表3 化学成分分析结果
    表3 化学成分分析结果
2.3 力学性能检验
2.3.1 导向弯曲性能试验
    对焊接接头分别进行180°导向正弯和反弯试验(弯曲直径为66 mm), 未发现裂纹, 拉伸面完好, 表明焊接接头具有良好的塑性。
2.3.2 拉伸试验
    试样类型: 母材横向为直径6.4 mm 圆棒试样, 焊接接头为宽度38 mm 板状试样。分别在30 t 微机控制电子万能试验机、100 t 微机控制电液伺服万能试验机上进行拉伸试验。拉伸试验结果见表4, 可见试验结果均合格。
表4 拉伸试验结果
    表4 拉伸试验结果

2.3.3 断裂性能试验
    分别对4 组试样(试样尺寸为7.5 mm×10 mm×55 mm, 2V 形缺口), 在-5 ℃进行夏比冲击试验及0 ℃ DWTT 试验, 试验结果见表5。平均试验结果合格, 断裂韧性远远优于《技术条件》要求, 也高于西气东输三线相应技术条件要求。
表5 夏比冲击试验及DWTT 试验结果
    表5 夏比冲击试验及DWTT 试验结果

2.4 金相及硬度检验
    采用金相显微镜和维氏硬度计进行焊缝及母材的金相和硬度检验, 检测结果如下:
(1) 母材组织为AF(针状铁素体)型: PF(多边铁素体)+B粒+P; 夹杂物为A 0.5e, B 0.5, C0.5e, D 0.5; 带状组织, 1 级; 晶粒度, 表层12级、中心11.6 级。
(2) 焊缝金相组织: IAF(晶内成核针状铁素体)+PF+P+MA(岛状的马氏体和残余奥氏体混合组织); 热影响区组织: B粒+PF+P, 焊趾正常(即焊缝与管体平滑过渡)。
(3) 焊缝维氏硬度(HV10): 管体、焊缝和热影响区的硬度值均在211~258 HV10, 满足技术条件≤280 HV10的要求。
(4) 焊缝低倍形貌检验: 焊缝内外焊道熔透深度2.0~2.5 mm(技术条件要求≥1.5 mm), 内外焊道中心偏差≤0.5 mm (技术条件要求≤3.0 mm),两者均满足技术条件要求。
2.5 无损检测及静水压试验
    依据《技术条件》对抽取的5 根钢管进行焊缝X 射线电视检测, 未发现超标缺陷; 采用手工及自动超声波探伤对钢管和焊缝两侧进行分层检查, 未发现分层及其他缺陷。
    前期试制时, 在水压试验过程中, 在规定保压时间内试验压力保持不住或掉压很快。经过分析, 由于卷板各部分屈服强度不均匀而使钢管在水压试验过程中管径增大较大所致。经与钢厂多次交涉, 在优化合金成分和轧制工艺情况下, 问题得到了解决。
    对抽取的1 根钢管进行了规定的最小屈服强度100%的静水压试验, 试验压力为15.0MPa、保持时间不小于15 s。试验后对钢管外表面检查均未发现渗漏现象, 并对静水压试验后的钢管焊缝进行100%超声波检查, 未发现裂纹和其他缺陷。
2.6 抗HIC 性能试验
    对所生产钢管距焊缝90°和180°的管体沿母材轧制方向各取1 个试样; 垂直于焊缝, 以焊缝为中心取1 个试样, 委托相关单位进行抗HIC 性能试验。依据NACE TM0284—2003 标准, 试验溶液为B 溶液, 分别对6 个母材、3 个焊缝的受检面进行96 h 浸泡试验。试验结果是9 个试样表面均未发现氢鼓泡现象, 裂纹率为零, 即钢管的裂纹长度率(CLR)、裂纹宽度率(CTR)、裂纹敏感率(CSR)皆为零, 均低于国际上用于输送湿H2S 油气管道广泛采用的CLR≤1.5%, CTR≤15%, CSR≤3%的指标要求。因此, 钢管对HIC 不敏感。
3 试验结论
    综合以上各项试验结果, 公司研制生产的X80M 钢φ 813 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管完全符合《技术条件》的要求。其成型、焊接、外观质量良好, 焊缝的强度、冲击韧性、硬度及金相组织控制科学合理, 大多数指标远远优于《技术条件》要求, 表明此种规格螺旋埋弧焊管试制成功。
4 实际应用
    试制成功后, 新疆公司已正式生产用于克拉苏气田输气管道工程(大北-克拉2 段)的螺旋缝埋弧焊管, 同时根据《技术条件》及相关标准进行了首批检验。检验结果表明, X80M 钢φ 813 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管的力学性能、化学成分、断裂韧性、硬度、金相组织、无损检测、静水压试验、结构应力控制、外观质量等均符合《技术条件》要求。其断裂韧性和夏比冲击功远远高于《技术条件》要求, 韧脆转变温度也较低, 管体夏比冲击功-60 ℃时最小值为233 J, 剪切面积为90%时相对应的最低温度低于-40 ℃, -60 ℃时剪切面积最小值为73%; DWTT 试验剪切面积为85%时相应最低温度低于-30 ℃, 剪切面积为50%时相应最低温度为-50 ℃, 这些试验指标完全满足克拉苏气田输气管道工程(大北-克拉2段)管线对高止裂性能的要求。
    此次X80M 钢φ 813 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管的试制成功, 是公司继西气东输三线等国内重要输气管线螺旋埋弧焊管后的又一次成功研制,标志着公司生产高钢级、多壁厚范围螺旋缝埋弧焊管的水平又迈上了一个新台阶, 为公司更好地生产经营、拓宽市场奠定了坚实的基础。