Φ1 422 mm×38.5 mm X80钢级钢管理化性能研究

赵与越，庞贵良，王 强，张婷婷，白学伟，赵 波，杨玮玮

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津300457；2.中石油管道有限责任公司西部分公司，新疆 乌鲁木齐830013；3.渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏 南京210061；4.巨龙钢管有限公司，河北 青县062658）

近年来为了满足我国经济发展对天然气的需求，我国陆续建成了西气东输二线、三线工程等设计压力为12 MPa、单管年设计输气量为250～300亿m3的Φ1 219 mm规格X80钢级天然气管道［1-2］。然而，随着天然气需求的日益增长，这些被称为我国第二代的大直径天然气管道，仍不能满足国民经济对天然气输送的需求。影响天然气管道输气量的主要因素为管道直径和输送压力，其中输气量与管道直径的2.5次方成正比，与输送压力成正比［3-5］。因此，在钢级相同的情况下，提高输送钢管的直径是提高输气量的首要选择。目前，已建成的Φ1 422 mm规格X80钢级的天然气输送管道主要有俄罗斯的巴浦年柯沃—乌恰管道和中俄东线天然气管道。中俄东线天然气管道设计压力为12 MPa，最大管径为1 422 mm，最大设计输气量达到380亿m3/a，属于超大输量管道。

这里仅针对设计压力12 MPa、管径1 422 mm、四类地区（人口稠密，安全风险最高级别）用的X80钢级直缝埋弧焊钢管的性能进行研究分析。根据输气管道壁厚公式进行上述条件下管道壁厚计算。

式中δ——钢管计算壁厚，cm；

P——设计压力，MPa；

D——钢管外径，cm；

σs——钢管的最小屈服强度，MPa；

F——强度设计系数，四类地区取0.4；

φ——焊缝系数，取1.0；

t——温度折减系数，当温度小于120℃时取1.0。

经计算圆整后，壁厚为38.5 mm。

本次研究利用5家钢厂制造的X80钢级、38.5 mm厚度钢板采用JCOE生产工艺进行了直缝埋弧焊钢管试制，共试制直缝埋弧焊钢管10根，对钢板及钢管的理化性能进行了初步研究分析。

1 理化性能研究

1.1 化学成分

结合中俄东线天然气管道工程X80钢级厚壁直缝埋弧焊钢管低碳当量设计思路，此次试制的X80钢级管线钢是采用低C、Mn、Mo、Cr、Nb系设计，适当添加Cu和Ni等元素，在制定技术标准时，对成分范围进行了更加严格的限定。5家钢厂研发制造的38.5 mm厚度X80钢级钢板的化学成分见表1。

表1 38.5 mm厚度X80钢级钢板化学成分（质量分数）%

从表1可以看出，A钢厂制造的钢板Mn、Mo、Cr、Nb含量较高；C、D和E钢厂制造的钢板V+Nb+Ti的质量分数仅为0.072%、0.07%和0.079%；这些合金元素设计均在X80钢合金设计的合理范围内，与各家的制造工艺相匹配，均可获得性能优异的钢板。

1.2 组织分析

通过优化TMCP热机械控制工艺，使管线钢在较大尺寸范围内获得针状铁素体和优良的强韧性。38.5 mm厚度X80钢级钢板不同部位的金相组织如图1所示。由图1可见，该钢板的主要组织为针状铁素体，具有良好的组织均匀性，材料表面和内部组织略有差异，该组织状态赋予材料优良的强韧性，实现了对DWTT性能的有效控制［1］。

1.3 拉伸性能

对5家钢厂生产的钢板进行拉伸试验，38.5 mm厚度钢板拉伸性能统计结果见表2。从表2的统计结果可以看出，除了C、D钢厂生产钢板的屈服强度不符合要求外，其余3家钢厂生产钢板的各项拉伸性能均满足技术要求。其中B钢板屈服强度和抗拉强度均最高，其余4家钢板的抗拉强度较为接近，从屈强比来看5家钢板均有较低的屈强比。强度的差异主要是各厂家钢板轧制及冷却参数的差异造成的［6］。

图1 38.5 mm厚度X80钢级钢板不同部位的金相组织

表2 5家钢厂生产的38.5 mm厚度钢板拉伸性能统计结果

采用相同JCOE工艺进行钢管生产，将可能对材料性能产生影响的扩径率波动控制在0.2%以内。5种钢板制管后钢管拉伸性能统计结果见表3，从表3可以看出，钢管母材和焊缝均具有很好的拉伸性能。钢管母材屈服强度为555～674 MPa，平均值为600 MPa；母材抗拉强度为625～711 MPa，平均值为657 MPa；母材屈强比为0.85～0.93，平均值为0.90；焊缝抗拉强度为630～695 MPa，平均值为653 MPa，钢管具有较低的屈强比。试验结果符合相关技术条件的要求。

表3 5种钢板制管后钢管拉伸性能统计结果

制管前后钢板与钢管拉伸性能变化统计结果如图2所示。从图2可以看出，制管前后钢板与钢管屈服强度与抗拉强度都有不同程度的变化。其中，屈服强度增加最大的是D钢管，增加了127 MPa，A钢管、B钢管、C钢管和E钢管屈服强度增加较小，增加值在39～67 MPa。从制管前后抗拉强度的变化情况来看，抗拉强度变化较小，其中D钢管的抗拉强度增加了25 MPa；A钢管、B钢管和C钢管抗拉强度小幅降低，减小值在4～17 MPa；E钢管的抗拉强度没有变化。

图2 制管前后钢板与钢管拉伸性能变化统计结果

制管后屈服强度升高是材料加工硬化的结果，由此可见不同钢板加工硬化能力存在较大的差异，主要是D钢板较其他4种钢板的加工硬化能力差异大。一般认为，加工硬化不会对抗拉强度产生大的影响。制管后抗拉强度试验结果的变化主要是试样形式的差异造成的，钢板拉伸试验采用矩形全厚度试样，而钢管采用Φ12.7 mm规格圆棒试样，取样位置不同及不同材料自身壁厚方向的强度差造成了试验结果的差异［7-15］。

1.4 韧性性能

冲击功是衡量钢管止裂性能的关键指标，对Ф1 422 mm×38.5 mm X80钢级直缝埋弧焊钢管母材横向、焊缝及热影响区进行夏比冲击试验，试验结果见表4。从表4可以看出，Ф1 422 mm×38.5 mm X80钢级直缝埋弧焊钢管在-10℃时母材横向冲击功为174～485 J，平均值为376 J；焊缝冲击功为61～312 J，平均值为131 J；热影响区冲击功为60～452 J，平均值为275 J。试验结果均满足相关技术条件的要求，说明钢管具有良好的冲击韧性。

表4 Ф1 422 mm×38.5 mm规格X80钢级钢管-10℃夏比冲击功结果 J

对5家钢厂生产的钢板进行落锤撕裂试验，试验结果见表5。根据各厂家的实际情况，试验条件稍有差异。从试验数据上看，各厂家38.5 mm厚度钢板的剪切面积百分比均达到了相关技术要求。

表5 5种钢板落锤撕裂试验结果

对Ф1 422 mm×38.5 mm X80钢级直缝埋弧焊钢管进行落锤撕裂试验，试验结果见表6。从试验数据上看，38.5 mm壁厚钢管具有优良的DWTT性能，剪切面积百分比单个值均在76%以上，平均值均在86%以上，均达到了相关技术的要求。

1.5 硬度及导向弯曲试验

Φ1 422 mm×38.5 mm X80钢级钢管母材、焊缝和热影响区硬度测试结果见表7。从试验结果可以看出，母材最大硬度为245 HV10，焊缝最大硬度为242 HV10，热影响区最大硬度为224 HV10，均达到了相关技术的要求，并有较大的裕量。

采用减薄试样，将试样减薄至18 mm，弯曲直径190 mm，分别对钢管焊缝进行面弯和背弯弯曲试验，弯曲表面无裂纹，试验结果全部合格。

表6 Ф1 422 mm×38.5 mm规格X80钢级钢管落锤撕裂试验结果

表7 焊接接头的硬度测试结果HV10

1.6 下一步计划

针对在试制过程中出现的个别试验结果接近或等于技术要求的下限，为了保证最终产品的合格率，将进一步优化成型、扩径及焊接等工艺。

2 结 论

（1）通过研究分析，合理控制合金含量，适量添加微合金元素，并进一步优化TMCP工艺，可以实现对38.5 mm厚度X80钢级钢板组织和性能的控制，获得各项性能优越的38.5 mm厚度X80钢级热轧钢板。

（2）制管前后母材的屈服强度变化范围为39～127 MPa；抗拉强度变化不明显，变化范围为-17～25 MPa。

（3）钢管的屈服强度在120 MPa以内波动，抗拉强度在90 MPa以内波动；钢管母材-10℃夏比冲击功平均值达320 J以上，焊缝-10℃夏比冲击功平均值达117 J以上，热影响区-10℃夏比冲击功平均值达245 J以上，-5℃剪切面积百分比平均值达86%以上；焊接接头的硬度均在245 HV10以下，所有性能指标均符合相关技术的要求；钢管的导向弯曲试验全部合格。

（4）通过分析5家钢厂生产的钢板及所制钢管的理化性能，表明我国已基本具备生产Ф1 422 mm×38.5 mm规格X80钢级超大壁厚直缝埋弧焊钢管的能力。