螺旋埋弧焊管的各向异性及其抗变形性能研究

孙 宏，孙志刚，李建一，宗秋丽，王海生

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县062658）

螺旋埋弧焊管的各向异性及其抗变形性能研究

孙 宏，孙志刚，李建一，宗秋丽，王海生

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县062658）

为了研究螺旋埋弧焊管各向异性的规律，对API X52～X100螺旋埋弧焊管管体横向和纵向力学性能试验结果进行了对比，并对其拉伸应变性能进行了分析。研究结果发现，热轧板卷的各向异性和焊管制造工艺均会造成焊管力学性能方面的各向异性。螺旋埋弧焊管的管体纵向屈服强度及屈强比明显要高于横向；抗拉强度则略高于管体横向；且管体纵向的屈强比偏高。如果采用合适的工艺，也可以生产出低屈强比的螺旋焊管。另外，螺旋埋弧焊管中的静水压试验和防腐工序也会提高螺旋焊管的屈服强度及屈强比指标，其对焊管应变特性的影响也不应忽视。

螺旋埋弧焊管；基于应变设计；各向异性；屈服强度；应变时效；抗变形性能

Abstract:In order to find the anisotropy characteristics of SSAW pipe,it analyzed the transverse and longitudinal mechanical properties test results of X52~X100 steel grade SSAW pipe,as well as its tensile strain performance.The results indicated that the anisotropy hot-rolled-coil and steel pipe manufacturing processes both can cause the anisotropy of SSAW pipe mechanical properties.The pipe body longitudinal direction yield strength and yield ratio were obviously higher than those of pipe body transverse direction;the tensile strength of pipe body longitudinal direction was slightly higher than that of pipe body transverse direction;and the yield ratio of pipe body longitudinal direction was so the high side.If suitable technology is adopted,it can also produce the spiral welded pipe with low yield ratio.In addition,the hydrostatic pressure test and anticorrosion process of SSAW pipe will also enhance the yield strength and yield ratio index,its influence on steel pipe strain features should not be ignored.

Key words:SSAW pipe;strain based design;anisotropy;yield strength;strain aging；anti-deformation properties

随着石油天然气需求的持续增长，数十年来油气输送管道建设也保持了比较稳定的增长。管线钢管的发展基本延续了更高钢级、更大直径、更大壁厚的趋势，X80焊管已经得到了规模化的工程应用，而X90以上钢级焊管已经完成了试验段的建设。大直径长输油气管道主要采用直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管，近年来，螺旋埋弧焊管得到了大规模的工业应用，如中国的西气东输管道、西气东输二线管道、中亚管道等。由于相当多的油气长输管道敷设于冻土带、地震带等条件恶劣的地区，除了内压等负荷外，还对焊管的应变性能带来了巨大的挑战。因此，与传统的根据管道环向应力极限设计不同，在这些区域，管道通常会采用基于应变设计[1]。目前对于有应变要求的管道均采用直缝埋弧焊管，国际上对于螺旋埋弧焊管在基于应变设计地区管道的应用也开展了研究工作[2-4]。本研究主要对螺旋埋弧焊管的各向异性及其应变性能，尤其是拉伸应变性能进行了探讨。

1 螺旋埋弧焊管的制管工艺

螺旋埋弧焊管的制管工艺主要包括一步法和两步法。一步法是在成型的同时进行内外焊，两步法是成型时进行连续预焊，随后进行离线精焊，即内外焊。螺旋埋弧焊管一步法成型焊接工艺流程如图1所示。从制管过程中产生的变形比较，两种工艺区别不大。均按照以下顺序进行：钢卷开卷→钢带矫平→三辊弯板成型→焊接静水压试验→涂敷（如果有）。以上工序均会对焊管的力学性能产生一定的影响，如开卷、矫平、三辊弯板成型及静水压试验会产生形变，而涂敷则会带来热循环，和变形的影响叠加后，对焊管性能的影响也不可忽视。

图1 螺旋焊管一步法成型焊接工艺流程

另外，由于螺旋焊管的成型角，焊管的周向（环向）与板卷的横向成一定角度，焊管的纵向与板卷的纵向也成一定角度。成型角按照公式（1）计算，焊管纵向和横向试样方向与板卷上取样方向与轧制方向的夹角对应。

式中： α—成型角度，（°）；

B—切边后带钢宽度，mm；

D—钢管外径，mm。

2 螺旋埋弧焊管的各向异性

焊管的各向异性指的是焊管轴向（纵向）和钢管环向（横向）性能的差异程度。为找到焊管各向异性的规律，对X52～X100螺旋埋弧焊管的管体横向和纵向进行拉伸性能试验，并对比分析试验结果。X70钢级以下的拉伸试样采用矩形全壁厚试样，纵向拉伸试样不压平，横向拉伸试样冷压平；X80钢级以上采用矩形全壁厚试样及圆棒试样，试样尺寸按API SPEC 5L及ASTM A370制备，矩形全壁厚拉伸试样标距长度内宽度为38.1 mm[5-6]。不同钢级焊管的纵向和横向拉伸性能见表1。从表1可以看出，管体纵向屈服强度高于管体横向屈服强度，差值大小与钢级、成型角、试样形状等均有关系。对于抗拉强度，除了X60以下钢级管体横向与纵向相当外，其他钢级管体纵向抗拉强度要略高于管体横向，但是差值显著小于屈服强度的差值。因此对于屈强比指标，管体纵向均高于管体横向。断后伸长率则没有明显变化规律。螺旋焊管纵向与横向的屈服强度分布如图2所示。

表1 不同钢级焊管的纵向及横向拉伸性能对比

续表

图2 螺旋焊管管体纵向与横向的屈服强度分布

3 分析与讨论

从以上试验数据可以看出，螺旋埋弧焊管具有明显的力学性能各向异性，且主要体现在屈服强度及屈强比两方面。管体纵向的屈服强度及屈强比要显著高于管体横向，除了个别数据，管体纵向与管体横向的屈服强度及屈强比比值基本随着钢级提高而提高。热轧板卷具有明显的各向异性，沿不同轧制方向的力学性能有显著差异。对X80管线钢的研究结果表明，与板卷轧制方向成90°方向的强度最高；与板卷轧制方向成60°及30°方向均相对较低[7]。也有文献表明，X80板卷的屈服强度与抗拉强度分布规律为横向>纵向>45°；延伸率与断面收缩率分布规律为45°>纵向>横向[8]。对于表1中的钢管规格而言，其成型角基本在20°～45°；对于螺旋埋弧焊管，其管体横向对应板卷的轧制方向角度也基本在20°～45°，其管体纵向对应板卷的轧制方向角度也基本在45°～70°。当成型角度为45°时，从对称的角度考虑，板卷的轧制方向角度分别对应管体横向与管体纵向基本一致；而当成型角度为20°时，板卷的轧制方向角度分别对应管体横向与管体纵向的差异最大，相差约50°。因此，板卷的各向异性对螺旋埋弧焊管强度性能的各向异性有一定程度的影响，并且与成型角度有一定关系。

螺旋焊管的制管工艺及试样处理方法是造成螺旋埋弧焊管力学性能各向异性的另外一个原因，这是由于钢管纵向基本没有受到成型过程弯曲变形的影响，而钢管横向则明显受到成型过程中弯曲变形对性能的影响，使屈服强度降低[9]。因此，要获得低屈强比的钢管，关键要是获得低屈强比的板卷。由表1可见，屈强比指标的纵向横向之比在钢级上呈“中间高，两头低”的现象，即X65、X70钢级该比值大于其他钢级。分析认为，对于X70级及以下钢级，一般采用矩形全壁厚试样，由于横向试样的压平工序产生了包辛格效应，这样通常会对钢管的屈服强度指标带来低估；对于X80级及以上钢级，一般采用圆棒试样，与矩形全壁厚试样相比没有压平的工序，以及X80钢管大多采用水压后取样，其中圆棒试样的采用抵消了试样压平的影响，而钢管的静水压试验可以显著提高钢管的环向（管体横向）屈服强度。另外，前面所述的成型角度的差异也是一个影响因素。室温时测得的X80螺旋焊管管体纵向的应力比Rt1.5/Rt0.5以及Rt2.0/Rt1.0指标分别为1.15及1.05，具备一定的形变强化能力，但低于对应的横向的应力比值。X80焊管管体横向与管体纵向拉伸曲线如图3所示。从图3可以看出，X80焊管管体横向与纵向的拉伸曲线均显示为圆屋顶型（Round-house）。另外，X100焊管的拉伸试验结果表明，焊管纵向矩形全壁厚试样测得的屈服强度及屈强比显著高于圆棒试样。

图3 X80焊管管体横向与纵向的拉伸曲线对比

为了研究防腐加热对焊管力学性能的影响，对X80螺旋焊管进行了模拟防腐加热试验。选用直径12.7 mm的圆棒试样，采用电阻炉加热，将加热炉炉内温度提高到规定温度后，再将试样放入炉内保持20 min，达到保温时间后取出试样，因为焊管外防腐实际采用水冷却方式，所以采用水冷的方式将试样冷却到室温。X80螺旋焊管应变时效试验结果表明，经过模拟防腐加热后，管体横向和纵向屈服强度及屈强比指标均显著提高，管体纵向相比管体横向屈服强度及屈强比的升高值则因板卷的差异而不同。对于塑性指标，管体纵向断后伸长率及均匀变形伸长率均略小于管体横向，加热对断后伸长率及均匀变形伸长率均没有显著影响，拉伸试验曲线如图4所示。从图4可以看出，无论纵向或横向，加热均使螺旋埋弧焊管的拉伸曲线形状发生了改变，总体上为随着加热温度的提高，曲线形状从圆屋顶型或近似圆屋顶型逐渐向屈服平台型转变。X80螺旋焊管应变时效试验结果见表2。

图4 X80钢级螺旋焊管应变时效对拉伸曲线形状的影响

对于输送管而言，当管道经受弯曲等变形时，焊管纵向承受的变形较大，与直缝焊管相比，螺旋焊管纵向强度普遍要高于横向，当焊管强度水平较高时，纵向屈强比一般均超过0.85。典型的抗大变形钢管（直缝埋弧焊管）的规范要求见表3和表 4（Q/SY GJX118—2012《X80天然气管道工程基于应变设计地区用直缝埋弧焊管技术条件》）。从表1可以看出，即使是X80钢级，也有螺旋焊管纵向的屈强比达到了0.78的低水平。另外，X80热轧板卷的外圈、中部及内圈取样对比试验的结果表明，内圈的屈服强度及屈强比显著低于外圈及中部，这与卷取工艺有关。X80热轧板卷的外圈、中部及内圈拉伸性能对比如图5所示。因此，如果采用合适的工艺，也可以生产出具备低屈服强度、低屈强比的板卷及螺旋埋弧焊管。

表2 X80螺旋埋弧焊管应变时效试验结果

表3 常温下直缝埋弧焊管管体纵向拉伸性能要求

表4 （200±5）℃下保温5 min时效后直缝埋弧焊管管体纵向拉伸性能要求

图5 X80钢级热轧板卷的外圈、中部及内圈拉伸性能对比

从微观组织方面看，国内外抗变形钢管的研究结果表明，直缝埋弧焊管采用的热轧钢板大多应用了双相组织，即硬相+软相，如铁素体+贝氏体双相钢和贝氏体+M/A双相钢、针状铁素体钢（针状铁素体+多边形铁素体+M/A）等[10]。通过改变各相的体积分数以获得所需的性能，即实现强度与塑性的平衡。对于热轧板卷，低钢级的组织主要有多边形铁素体+珠光体、块状铁素体+多边形铁素体等；高钢级的微观组织中的第一相占绝对多数，第二相很少，主要的相为块状铁素体或粒状贝氏体。

从焊缝方面考虑，管体纵向与管体横向的抗拉强度均低于焊缝的抗拉强度。环焊缝容易实现对管体纵向的过匹配。但是与直缝焊管相比，当钢管承受弯曲变形而产生纵向拉伸变形时，螺旋焊缝本身也会带来对于变形的约束。

4 结束语

由于热轧板卷的各向异性及螺旋埋弧焊管制管工艺特性，其管体纵向与管体横向的拉伸性能存在明显的各向异性。螺旋埋弧焊管管体纵向的屈服强度及屈强比指标显著高于横向，对于较高钢级，纵向方向的屈强比一般均超过了0.85。但是，如果采用合适的工艺，也可以生产出低屈强比的板卷及螺旋埋弧焊管。另外，螺旋埋弧焊管中的静水压试验和防腐工序也会提高螺旋埋弧焊管的屈服强度及屈强比指标，并且可能改变钢管应力—应变曲线的形状，其对钢管应变特性的影响也不应忽视。本研究仅对螺旋埋弧焊管的部分应变特性进行了初步探讨，更多指标还需要进一步研究。考虑螺旋埋弧焊管本身的焊缝以及管道的环焊缝，还需要进行整管试验等方式进行验证。

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Anisotropy and Its Anti-deformation Properties of SSAW Pipe

SUN Hong,SUN Zhigang,LI Jianyi,ZONG Qiuli,WANG Haisheng
（North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei， China）

TE973.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.003

2017-03-30

编辑：汪翰云

孙 宏（1974—），男，高级工程师，工程硕士，目前主要从事石油输送钢管材料与试验技术工作。