低成本高性能X90级螺旋埋弧焊管的研发新思路

刘振伟，宗秋丽，朱 宇，王海生，陈跃梅，刘晶晶，唐瑶瑶，王立民

（1.渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062650；2.华北石油通信公司，河北 青县062650）

低成本高性能X90级螺旋埋弧焊管的研发新思路

刘振伟1，宗秋丽1，朱 宇1，王海生1，陈跃梅2，刘晶晶1，唐瑶瑶1，王立民1

（1.渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062650；2.华北石油通信公司，河北 青县062650）

介绍了低成本、高性能X90级螺旋埋弧焊管的一种研发新思路，以一种X80卷板代替X90卷板研制X90螺旋埋弧焊管。分别从拉伸性能、夏比冲击性能、落锤撕裂性能、硬度和金相等方面阐述了该成分X80卷板及钢管优异的理化性能。研究发现，防腐后该X80钢管理化性能均能满足X90级标准要求，且与X90级卷板相比，该X80卷板在理化性能上存在较大的优势，且能克服前期研发X90遇到的问题与不足。

焊管；螺旋埋弧焊；X80；X90；低成本；高性能

1 概 述

钢材经过冷加工塑性变形或达到规定的塑性应变后，在室温或较高温度下经过一段时间，出现其强度与硬度升高而塑性与韧性下降的现象，称为应变时效。研究发现，位错钉扎是导致钢在时效过程中屈服强度升高的主要原因[1]。应变时效与钢的成分、冶炼方法、塑性变形量的大小及温度条件等因素有关。C和N的含量对应变时效敏感性起着主要的作用，合金元素对应变时效也有一定影响，冷加工塑性变形的应变量愈大，应变时效愈显著[2]。

对高铌X80管线钢的应变时效进行研究发现，1%～3%预变形后，在180℃下5～30 min时效范围内，时效硬化值升高60～120 MPa[3]。管线钢是一种低碳微合金控轧钢[4]，制管过程的冷变形和防腐涂层制备过程中的加热可能诱发应变时效行为[5]。应变时效效应会对制管控制、钢管现场焊接施工以及钢管服役性能等造成不利影响[6-7]。随着管线钢钢级的不断提高，应变时效对钢管的影响将会越来越严重。以往对X90钢的研究往往着眼于通过加入大量的合金成分，提高卷板的力学性能，特别是强调强度的大小，使卷板强度级别满足标准对X90级螺旋埋弧焊管强度要求，但在追求卷板强度的同时，忽略了制管过程中的加工硬化和防腐过程中应变时效对钢管力学性能的提高作用。

本研究提供了一种X90螺旋埋弧焊管研发的新思路，采用一种X80卷板代替以往X90卷板研制X90级螺旋埋弧焊管。考虑到钢管的使用性能最终取决于防腐后钢管的性能，本研究探讨了该X80卷板在制管和防腐过程性能的变化情况。在2012年渤海装备公司承担的西三线二期规格为Φ1 219mm×18.4mm X80M螺旋埋弧焊管生产基础上进行的研究，同时对比了同年生产的规格为Φ1 219mm×16.3mm X90M螺旋缝埋弧焊管试制钢管的相关数据。

以往X90M钢管研发过程中的主要问题是：①合金含量较高，卷板价格昂贵；②母材均匀延伸率偏低，50%以上均匀延伸率不能满足当时X90标准对均匀延伸率的要求；③卷板可焊性差，焊接热影响区韧性偏低；④该合金体系下的钢管防腐后拉伸性能存在严重过剩；④部分钢管防腐后屈服强度和屈强比超标严重，部分均匀延伸率均低于标准下限。这就对X90级螺旋埋弧焊管研发提出了新的挑战，有必要拓展X90级螺旋埋弧焊管研发思路。本研究是基于以上基础开展的。

2 X80及X90卷板的性能对比

2.1 化学成分

本研究采用的18.4mm X80M卷板化学成分与16.3mm X90M卷板化学成分见表1。

表1 两种合金的化学成分对比

从化学成分看，X80卷板与X90相比，主要体现在Mo、Ni、Cu和碳当量Ceq的差异上。X90卷板加入了0.32%的Mo和0.43%的Ni，这两种合金均为比较昂贵的合金元素；X80卷板加入了0.15%的Mo和0.15%的Ni。X90卷板中Mo含量是X80卷板中Mo含量的2.1倍，Ni含量为X80卷板的2.9倍。X90卷板碳当量Ceq＝0.57，高于X80，因此，X90卷板成本明显高于X80。

2.2 拉伸性能

从卷板到钢管的制管过程中，卷板一般会经历加工硬化过程和包辛格效应。制管后，钢管要经历水压试验，这些过程势必会对钢管的性能造成影响，X90卷板、钢管及X80卷板、钢管管体拉伸性能对比分别见表2和表3。

由表2可以看出，制管后X90钢管屈服强度比卷板有明显升高，平均增加52 MPa；抗拉强度及延伸率有所降低；屈强比明显升高。但总体上X90卷板制管前后拉伸性能均能满足X90标准要求。

表2 X90卷板、钢管管体拉伸性能对比

表3 X80卷板、钢管管体拉伸性能对比

由表3可以看出，制管后X80钢管屈服强度有所升高，平均增加36 MPa；抗拉强度也有所升高，平均升高30 MPa；延伸率有所降低；屈强比略有升高。总体上看，本研究使用的X80卷板均能满足标准要求，与X90标准相比，部分指标不能满足X90标准要求，主要表现为屈服强度偏低。

X80钢管焊缝抗拉强度分布如图1所示。焊缝抗拉强度均在710 MPa以上，且主要集中在750～770 MPa，能够满足X90钢管标准对焊缝强度性能的要求。

本试验中两种钢管的拉伸性能分布情况如图2所示。在图2中，标准对X90钢管拉伸性能的要求区间以垂直于横坐标绿色直线为界限。从图2可以看出，X90钢管的屈服强度和抗拉强度均能满足标准要求，但均匀延伸率出现部分不合格现象。16组数据中，有5组数据不合格，这也是X90钢管研发过程中的一个问题。本研究用X80钢管拉伸数据共114组，其中仅有18组数据能满足X90钢管屈服强度要求；有100组数据能满足X90钢管标准对抗拉强度要求；本研究用X80钢管防腐前部分拉伸性能不能满足X90钢管标准要求。

图1 X80钢管焊缝抗拉强度分布图

图2 拉伸性能分布图

2.3 冲击性能

两种钢管管体横向冲击性能见表4。从表4可以看出，-10℃下，两种钢管管体横向冲击功平均值均在300 J以上，可以满足X90钢管标准要求，且X80钢管管体冲击功单值和平均值均明显高于X90钢管。

表4 管体横向夏比冲击功（-10℃）

图3为两种钢管母材横向韧脆转变温度曲线。从图3可以看出，两者的韧脆转变温度均在-60℃以下，但同一温度下，X80钢管母材横向冲击韧性优于X90钢管。

图4为两种钢管热影响区夏比冲击功分布情况。X90钢管热影响区夏比冲击功单值共33个，其中有4个数据低于X90标准要求的60 J，且主要集中在 70～100 J（见图4（a））；X90 热影响区冲击功平均值共11个，其中有2个数据低于X90标准要求的80 J，主要集中在80～120 J（见图4（c）），X90热影响区冲击韧性较差，这也是X90钢管研发过程中存在的一个重要问题。本研究用X80钢管热影响区夏比冲击功单值和平均值均能满足X90标准要求，单值主要集中在210～230 J，平均值集中在 210～230 J。 可以看出，X80钢管热影响区冲击韧性明显优于X90。

图3 两种钢管母材横向夏比冲击韧脆转变温度曲线

图4 两种钢管热影响区夏比冲击功分布图

2.4 落锤撕裂性能

落锤撕裂韧脆转变温度曲线如图5所示。从落锤撕裂性能看，0℃下两种钢管落锤撕裂剪切面积均为100%，在该温度下均具有较好抵抗裂纹扩展的能力。

从图5可以看出，X90和X80钢管的韧脆转变温度均在-30℃以下。

按照《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管技术条件》中规定，对两种钢管焊接接头进行硬度试验，硬度测试点示意图如图6所示，硬度测试结果见表5。

图5 落锤撕裂韧脆转变温度曲线

图6 硬度测试点示意图

表5 焊接接头硬度对比 HV10

从表5可以看出，X90钢管母材和热影响区硬度明显高于X80钢管，其中内焊热影响区最为明显，硬度值达到了270 HV10以上，说明X90内焊热影响区出现硬化现象，可焊性较X80钢管差。本研究X80钢管焊接接头硬度较为均匀，未出现较大的硬度值波动，可焊性较好。

2.5 金相检验

图7为X90和本研究X80钢管母材、焊缝和热影响区显微组织形貌。从组织类型上看，X90和X80母材均为以粒状贝氏体和贝氏体铁素体为主的针状铁素体；焊缝组织均以针状铁素体为主；外焊热影响区均以粒状贝氏体和贝氏体铁素体为主；X90钢管内焊热影响区以板条马氏体和少量的贝氏体铁素体为主，本研究X80钢管内焊热影响区组织以粒状贝氏体和贝氏体铁素体为主。这种组织特征的差异与内焊热影响区较高的硬度指标相对应。

2.6 防腐过程的影响

表6为X90钢管回火20 min后的母材拉伸性能。与未回火试样相比，经过防腐时效后X90钢管屈服强度显著升高，180℃、200℃、220℃以及240℃回火后屈服强度均超出X90钢管标准要求上限，这说明X90钢管时效敏感性较强。抗拉强度几乎没有变化，因此屈强比明显升高，其中200℃升高了0.13；200℃、220℃及240℃回火后屈强比均超出X90钢管标准要求上限，最高值达到了0.97。均匀延伸率显著下降，180℃时下降了2.3%，均匀延伸率全部低于标准下限。可见，时效后X90钢管管体拉伸性能部分指标恶化，这是X90钢管研发过程中存在的主要问题[8]。

表7为X90钢管回火300℃和200℃前后焊缝以及热影响区冲击韧性。从表7中不难发现，回火前X90钢管热影响区冲击功出现了低值79 J，平均值也仅为96 J。回火后热影响区冲击功均有不同程度的提高，300℃回火后热影响区平均冲击功提高35 J，无低值出现。200℃回火后热影响区平均冲击功提高111 J，无单个低值出现。回火后冲击韧性较为稳定，焊接接头表现出较好的冲击韧性，也就是说防腐过程对X90螺旋埋弧焊管焊接接头的韧性具有改善作用[9]。

表6 X90钢管回火（20 min）后母材拉伸性能

表7 X90钢管回火前后焊缝以及热影响区冲击韧性对比（试验温度为0℃）

与X90钢管标准要求相比对，防腐前X80钢管屈服强度和抗拉强度值大部分处于X90标准要求下限甚至低于标准要求，不能满足X90标准要求，但钢管的使用性能为钢管防腐后的性能，因此有必要对钢管防腐后的拉伸和冲击性能进一步检验。按照钢管制管和防腐工艺，钢管理化检验取样为防腐前，本研究为水压后取样，然后模拟防腐过程。试验中分别取屈服强度较低值585 MPa钢管A和较高值655 MPa钢管B进行回火试验，钢管A和钢管B回火前后拉伸性能见表8和表9。

表8 A钢管回火前后拉伸性能对比

表9 B钢管回火前后拉伸性能对比

从表8可以看出，钢管A未回火时管体横向屈服强度偏低，不能满足X90钢管标准要求；但钢管管体在不同温度下（170℃、200℃、230℃、260℃）回火后横向拉伸性能发生了较大的变化，屈服强度均有不同程度的升高，除了在170℃下回火10 min后数值低于X90钢管标准要求下限外，其余时效后均满足标准要求；回火前后的抗拉强度均满足X90钢管标准要求；回火后钢管屈强比有不同程度的提高，但在本研究所采用的试验温度下钢管回火后屈强比均满足X90钢管标准要求；回火后延伸率总体有所下降，但均满足X90钢管标准要求；回火前后焊缝拉伸性能始终处于730 MPa以上，均匀延伸率在4.5%以上，均满足X90钢管标准要求。因此对于屈服强度较低的钢管A经过200℃、230℃、260℃回火后，拉伸性能各项指标均满足X90钢管标准要求。

从表9可以看出，钢管B未回火时各项性能指标均满足X90钢管标准要求；与未回火试样相比，钢管管体不同温度下（170℃、200℃、230℃、260℃）回火后屈服强度和抗拉强度均有不同程度的升高，但未超过X90标准上限要求；回火后钢管屈强比有不同程度的提高，除260℃下回火20 min条件下的屈强比超过X90钢管标准要求0.95外，本研究所采用的其他时效工艺下钢管屈强比均满足X90标准要求；回火后延伸率总体上有所下降，但也在21%及以上，能满足X90钢管标准大于等于14%的要求；均匀延伸率在4.5%以上，均合格。可见，钢管B在170℃、200℃、230℃下回火后钢管的拉伸性能满足X90标准要求。

防腐前，X80钢管管体屈服强度低于X90钢管标准要求下限值，在180～230℃防腐后钢管的拉伸性能均满足X90钢管标准要求。回火前后X80钢管管体横向冲击韧性见表10。

表10 X80钢管管体回火前后冲击性能对比

与未回火试样相比，本研究用X80钢管回火后管体冲击韧性未出现下降现象，平均值均在300 J以上，表现出优良的低温冲击韧性，满足X90钢管标准要求。

3 结论及建议

本研究为X90级螺旋埋弧焊管的研发提供了另一种可能，即从低成本角度研发高钢级高性能螺旋埋弧焊管。试验用X80钢管与当前X90螺旋埋弧焊管相比存在以下优势：

（1）本研究所用X80卷板合金含量相对较低，大大降低了卷板采购成本。

（2）本研究采用X80卷板，碳当量较低，更有利于焊接，避免了当前X90卷板焊接过程中内焊热影响区出现硬化等焊接问题。

（3）本研究用X80卷板强度相对较低，可避免制管和防腐后钢管屈服强度超过标准上限；制管过程中对成型设备极限要求也低，更有利于制管过程的实现。

（4）当前X90卷板制管后时效敏感性较强，制管和防腐后钢管屈强比升高，本研究用X80卷板屈强比较低，且时效敏感性较弱，可避免制管和防腐后钢管屈强比超过标准上限。

（5）X90卷板制管前后均匀延伸率普遍低于标准要求，特别是防腐后更低，本研究用X80钢管均匀延伸率有很大改善，能满足X90钢管标准要求。

（6）高合金X90卷板制管、防腐后强度较高，属于强度过剩，且很大一部分指标超过X90标准要求上限，采用本研究用X80卷板将避免材料的浪费，且钢管防腐后的性能满足X90标准要求。

考虑到制管过程中加工硬化和防腐过程中应变时效使屈服强度均有不同程度的提高，结合本研究结果，建议适当降低X90卷板和钢管屈服强度标准要求下限。

X90螺旋埋弧焊管的研发过程中，需要充分考虑制管过程中卷板变形造成的强度升高现象，更应该考虑防腐过程中对钢管性能特别是管体拉伸性能和焊接接头冲击韧性的影响。

本研究所用X80钢管200～230℃防腐后理化性能均能满足X90级螺旋埋弧焊管的标准要求，且在制造和理化性能上存在很大优势，推荐采用本研究用X80卷板替代X90卷板研发制造X90级螺旋埋弧焊管。西三线二期Φ1 219mm×18.4mm的X80M螺旋埋弧焊管用卷板壁厚规格减薄成 16.3mm，可用于 Φ1 219mm×16.3mm的X90M螺旋埋弧焊管的研制，且薄壁厚卷板均匀性和晶粒度大小更易于控制，晶粒尺寸可控制得更细，从而，可进一步提高卷板的强度，弥补低合金体系下强度的不足。

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Research and Development New Idea for Low Cost and High Performance X90 Grade Spiral Submerged Arc Welded Pipe

LIU Zhenwei1，ZONG Qiuli1，ZHU Yu1，WANG Haisheng1，CHEN Yuemei2，LIU Jingjing1，TANG Yaoyao1，WANG Limin1
（1.Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Qingxian 062650，Hebei，China；2.North China Petroleum Communication Company，Qingxian 062650，Hebei，China）

In this article，it introduced a new development idea for low cost，high performance X90 grade spiral submerged arc welded pipe，namely adopting X80 hot rolled coil instead of X90 hot rolled coil to manufacture X90 spiral submerged arc welded pipe.It expounded excellent physical and chemical property of X80 hot rolled coil and steel pipe from several aspects，such as tensile property，Charpy impact property，drop weight tear test，hardness，metallographic organization and so on.The results indicated that the physical and chemical property of X80 grade steel pipe can meet the standard requirements of X90 grade steel pipe，and compared with X90 grade hot rolled coil，X80 hot rolled coil has great advantage in physical and chemical property，it can overcome the problems and shortcomings in early development X90.

welded pipe；spiral submerged arc welded；X80；X90；low cost；high performance

TG457.6 文献标志码：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.012

刘振伟(1981—)，男，毕业于北京科技大学，硕士，长期从事螺旋缝埋弧焊管的研发与理化试验工作。

2016-03-01

张 歌