批量试制X90 管线钢管及板材强度特性研究

王红伟 吉玲康 张骁勇 王海涛 唐家睿

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065;2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

管道输送是石油天然气最经济、合理的运输方式。尤其随着天然气需求的日益增加，大口径、高压力长输管线建设迅速发展，加拿大的统计分析表明，钢管每提高一个钢级可减少管线建设成本7%［1～3］。西气东输二线工程中已经大规模采用了大口径、大壁厚的X80 钢管，继续开发应用X90 及以上钢级管线钢是输送天然气管道提高输送能力和经济性的重要方式之一。由X80钢管大规模的应用经验来看，高钢级管道的钢管拉伸性能及其波动范围对管道服役性能起着至关重要的作用［4、5］。本文对国内批量试制的X90 钢管及板材拉伸性能进行研究，分析了X90 钢管及板材拉伸性能问题及产生原因。

1 试样制备与试验方法

国内11 家钢铁公司和8 家石油管制造公司参与了本次小批量试制，实验材料为本次小批量试制X90 螺旋埋弧焊管及板卷和直缝埋弧焊管及钢板，钢管规格为Φ1 219 mm×16.3 mm。

为了更好地比较板材和钢管的性能变化情况，避免试样形状对拉伸强度的影响，在板材和钢管上均取棒样。管体拉伸试样在距焊缝180°位置截取横向试样;板卷拉伸试样在板宽1/2 处沿30°成型方向截取试样;钢板拉伸试样在板宽1/2 处截取横向试样;焊接接头拉伸试样为横向矩形试样。管体拉伸试样规格为Φ8.9 mm×35 mm，板材拉伸试样规格为Φ12.7 mm×50 mm，焊接接头拉伸试样规格为38.1 mm×50 mm。

拉伸试验在UTM5303、SHT4106 试验机上进行，试验标准为ASTM A370 -2013《钢铁产品力学性能标准试验方法和定义》。化学成分检验在ARL 4460 直读光谱仪和LECO TC600 氧氮分析仪上进行。

2 试验结果与讨论

2.1 管体元素分析

螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的典型化学成分见表1 和表2。螺旋埋弧焊管的C 元素含量高于直缝埋弧焊管，Mo 等合金元素的含量也比直缝埋弧焊管偏高，因而CEPcm和CEIIW也偏高。这种成分设计的主要原因是由于高钢级板卷在制造过程中经高温卷曲工艺，会使屈服强度一定程度下降，略高的化学成分设计保证了板卷强度的需求。

2.2 管体拉伸分析

图1 为螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的抗拉强度、屈服强度以及屈强比分布。图1 中虚线为API Spec 5L《管线钢规范》对X90 管线钢管屈强比的临界要求(≤0.95)，可见X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管屈强比除个别外均符合要求，但直缝埋弧焊管屈强比更接近临界值，按式(1)分别对两种管体的屈强比裕量进行计算:X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的管体屈强比裕量分别为9.5%和4.2%，螺旋埋弧焊管屈强比裕量比直缝埋弧焊管裕量要高出一倍。

表1 X90 螺旋埋弧焊管化学成分 %

表2 X90 直缝埋弧焊管化学成分 %

式中，(Y/T)ave为平均值;(Y/T)crit为对管线钢屈强比最低要求。

图1 X90 埋弧焊管拉伸性能测试结果

图2 为X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管拉伸强度频率分布情况，表3 为X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的试样拉伸性能分析对比结果。如表3 所示，对于X90 螺旋埋弧焊管，管体的抗拉强度范围为700 MPa ～815 MPa，屈服强度范围605 MPa ～725 MPa;板卷的抗拉强度范围698 MPa ～825 MPa，屈服强度586 MPa ～690 MPa。管体抗拉强度平均值与板卷一样，屈服强度平均值横向上升16 MPa。板卷拉伸强度离散性略小于管体，较稳定。对于X90 直缝埋弧焊管，管体的抗拉强度范围为700 MPa ～814 MPa，屈服强度范围635 MPa ～763 MPa;钢板的抗拉强度范围715 MPa ～807 MPa，屈服强度539 MPa ～617 MPa。管体抗拉强度平均值比钢板低5 MPa，屈服强度平均值比钢板高97 MPa。板材拉伸强度离散性略小于管体，较稳定。

图2 X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管拉伸频率分布

X90 螺旋埋弧焊管与直缝埋弧焊管相比较，螺旋埋弧焊管管体抗拉强度与直缝埋弧焊管相当，但屈服强度低30 MPa，所以，螺旋埋弧焊管的屈强比更优。两者的拉伸强度离散性几乎一致。

表3 X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管拉伸性能结果对比

由此可见，在制管过程中，强度因为形变强化的作用而提高。螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管的抗拉强度提高都不显著，但屈服强度明显提高。直缝埋弧焊管的屈服强度变化远大于螺旋埋弧焊管，螺旋埋弧焊管为30°方向(成型角)卷曲成型，而直缝埋弧焊管为横向卷曲成型，特别是比螺旋埋弧焊管增加了扩径工序，形变强化更大。板材由于横向织构的影响，其横向强化作用更明显［6］。

螺旋埋弧焊管屈服强度有个别数据低于X90 钢级强度要求，其原因是板卷头、尾切除较少，性能不稳定部位剩余较多，由此制成的螺旋埋弧焊管局部屈服强度较低。

2.3 焊接接头拉伸分析

图3 是X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管焊接接头拉伸试样断裂位置统计结果。X90 螺旋埋弧焊管焊接接头拉伸试样在热影响区断裂最多，其次为熔合线，共计超过65%，管体处和焊缝处断裂在其之后，分别占20.6%和12.7%;直缝埋弧焊管焊接接头拉伸试样在热影响区和熔合线断裂最多，共计超过85%，其次为管体，占12.8%，没有试样在焊缝处断裂。

X90 螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管焊接接头拉伸试样在热影响区和熔合线断裂较多，而且两者所占比例相近。X90 螺旋埋弧焊管拉伸试样超过65%的断裂位置和X90 直缝埋弧焊管拉伸试样更超过85%的断裂位置都在热影响区和融合线处。直缝埋弧焊管焊接接头试样在热影响区和熔合区断裂的比例比螺旋埋弧焊管高。

图3 X90 埋弧焊管焊接接头拉伸试样断裂位置统计

表4 为此次批量生产X90 埋弧焊管焊接接头各区域硬度统计分布，从表4 中可以看出，X90 埋弧焊管管体硬度均值为247HV10，热影响区硬度均值为226HV10，焊缝金属硬度均值为243HV10，热影响区硬度比焊缝金属和管体分别低17HV10和21HV10;X90 螺旋埋弧焊管管体硬度均值为255HV10，热影响区硬度均值为234HV10，焊缝金属硬度均值为246HV10，热影响区硬度比焊缝金属和管体分别低12HV10和21HV10;X90 直缝埋弧焊管管体硬度均值为238HV10，热影响区硬度均值为218HV10，焊缝金属硬度均值为240HV10，热影响区硬度比焊缝金属和管体分别低22HV10和20HV10。

焊接接头硬度从焊缝金属/管体到热影响区有一个明显的下降，存在一定的软化现象，直缝埋弧焊管的热影响区比螺旋焊管的软化现象更为严重。螺旋埋弧焊管的碳元素、合金元素以及碳当量均比直缝埋弧焊管高，高的化学元素含量对热影响区软化有着更好的抑制作用。

表4 X90 埋弧焊管硬度和测量位置关系图

图4 为X90 钢管焊接接头各区域典型显微组织照片，X90 管线钢管体具有典型的粒状贝氏体(B粒)组织特征。熔合区为B粒+马氏体奥氏体(MA)组织，MA 分布于原奥氏体晶界。与管体相比，熔合区的晶粒明显粗大。细晶区为多边形铁素体(PF)+MA 组织，规则亮白色区域为PF 组织，间隔着黑色硬质MA 组元，PF 为软相组织，所占比例较大。熔合区晶粒粗化是热影响区软化的主要原因。软化区是拉伸性能薄弱部位，造成焊接接头拉伸断裂位置集中于熔合线和热影响区。

图4 X90 焊接接头各区域金相照片

3 结 论

1)小批量试制的X90 管线钢管强度总体满足X90钢级的强度要求，X90 螺旋埋弧焊管抗拉强度范围700 MPa ～815 MPa，屈服强度范围605 MPa ～725 MPa;直缝埋弧焊管抗拉强度范围为700 MPa ～814 MPa，屈服强度范围635 MPa ～763 MPa。螺旋埋弧焊管与直缝埋弧焊管抗拉强度相当，而屈服强度明显低于直缝埋弧焊管，其屈强比较低。

2)螺旋埋弧焊管板卷成型过程中屈服强度提高了16 MPa;直缝埋弧焊管钢板成型过程中屈服强度提高了97 MPa。故应注意控制板卷和钢板的屈服强度水平。

3)对于X90 钢管焊接接头拉伸断裂位置的统计表明，焊接接头在熔合线和热影响区发生断裂所占比例最大。熔合区晶粒粗化和软化是造成焊接接头在熔合线和热影响区发生拉伸断裂的主要原因。

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