抗延性断裂x80厚壁直缝埋弧焊管的研发

为了满足油气输送管道对钢管止裂韧性的要求，采用超低C、低S、低P、无Mo或少量Mo以及Ni-Cr-Cu-Nb为主的合金设计体系和控轧控冷技术，开发出抗延性断裂的X80钢级Φ1219mm×33mm厚壁直缝埋弧焊管。按照标准对该产品进行了夏比冲击性能、DWTT性能检测。检测结果显示，钢管管体屈服强度为570~665MPa，抗拉强度为640~746MPa，焊接接头抗拉强度为655~740MPa；-10℃条件下母材夏比冲击功平均值达380J，焊缝夏比冲击功平均值达165J，热影响区夏比冲击功平均值达283J；0℃条件下全壁厚DWTT试样剪切面积平均值＞80%。各项性能试验结果表明，开发的钢管满足抗延性断裂的要求，同时具有优良的低温韧性。

1概述

提高输量、降低成本是油气管道建设持续追求的目标，而提高钢级、增大壁厚提高输送压力是实现这一目标的最有效途径，这也推动了国内外高钢级、大直径、大厚壁钢管的研发和应用。为了保证管道安全性，要求油气输送钢管应具有与钢级和输送压力所匹配的止裂韧性。管道钢级越高、输送压力越大，所需的止裂韧性就越高，并且要求DWTT断口具有足够的剪切韧性（API等标准规定SA≥85%）；同时，具有足够的剪切面积和足够的CVN吸收能也是输送管道管体的一个基本特征，以此可以避免输气管道发生脆性断裂扩展，并控制延性裂纹的扩展。

然而，材料自身强韧性的矛盾以及管线钢厚度增加带来技术难度的增加，使得管线钢管每增加一个钢级或壁厚增加1mm，都要攻克一系列的技术难题。X80管线钢及焊管自20世纪80年代开始在国外研发并应用，直至我国西气东输二线建设前，累计铺设X80管道约2000km，壁厚均在20mm以下，应用进展缓慢。21世纪以来，以我国西气东输二线建设为标志，X80钢的研发及应用发展迅速。2006年，在中国石油天然气集团公司的推动下，钢厂和制管企业联合成功开发出了西气东输二线用X80钢级Φ1219mm×22mm直缝埋弧焊管，该钢管满足-10℃条件下母材夏比冲击功单值最小140J、平均值最小180J以及焊缝及热影响区夏比冲击功单值最小60J、平均值最小80J的要求，母材0℃条件下DWTT剪切面积＞85%，并大规模应用于西气东输二线工程。2007—2008年，巨龙钢管有限公司联合国内宝钢、沙钢、鞍钢等钢铁企业同时开展了宽厚板及26.4mm、27.5mm及33mm厚壁直缝埋弧焊管的单根试制工作。2009年，X80钢级Φ1219mm×26.4mm直缝埋弧焊管实现批量稳定生产，DWTT剪切面积满足标准规定的0℃条件下平均值不低于75%的要求，并应用于西气东输二线及后续的西气东输三线工程中。2012年，针对中亚C线的需求，巨龙钢管有限公司与钢厂合作开发出了X80钢级Φ1219mm×27mm直缝埋弧焊管，0℃条件下的DWTT剪切面积不低于85%。2014年，陕京四线、新粤浙管道用X80钢级Φ1219mm×33mm直缝焊管成功开发，各项性能指标满足标准要求，这也是目前国内最大壁厚的X80抗延性断裂直缝埋弧焊管。2017年，X80钢级Φ1422mm×25.7/30.8mm厚壁直缝埋弧焊管成功应用于中俄东线工程。

2X80厚壁直缝埋弧焊管的关键技术

X80厚规格钢板的开发是X80厚壁直缝埋弧焊管开发的首要技术难题，其中关键是如何通过合理的合金设计和控轧控冷工艺获得良好的强韧性匹配。钢管制造方面主要是成型、焊接问题。其中，厚壁钢管的焊接要解决焊缝缺陷以及热输入增加的情况下焊缝及热影响区强韧性问题。

2.1X80钢的合金设计

X80钢板开发的目标是获得足够的强度，满足制管后钢管的屈服强度大于555MPa，抗拉强度大于625MPa；夏比冲击功及DWTT应满足止裂的基本要求。以西气东输二线、三线等技术要求为例，22mm钢板制管后母材-10℃夏比冲击功应满足单值＞140J，均值＞180J的要求，0℃条件下DWTT剪切面积率平均值＞85%。

现代管线钢制造主要通过合金化以及轧制冷却工艺确保材料获得足够的强韧性。钢级提高或壁厚增加后可通过添加较多的合金元素，利用合金元素的固溶强化、析出强化、细晶强化以及促进相变等作用，以及合理的轧制工艺细化晶粒、加速冷却促进相变获得所需的强韧性。而对于韧性，只有细晶作用可以在提高强度的同时提高韧性。从金属学原理可知，当合金元素在钢中通过间隙固溶、置换固溶等引起晶格畸变以及析出MA岛等硬相组织时，对韧性是不利的，尤其是C等间隙固溶元素引起晶格严重畸变，对韧性的影响更为显著，所以整体上来讲合金元素的添加可能会导致强度升高和韧性损失。因此，在合金添加方面必须在强度和韧性方面找到平衡。同时，随着轧钢装备的提升以及TMCP技术、加速冷却技术的进步，使现代管线钢对于合金的依赖性逐步降低。

X80管线钢研制初期，在成分设计方面进行了大量的研究和试制。表1为同一钢厂两个批次的厚度为22mm的X80管线钢板的化学成分。第一批次采用了传统的合金设计，以Mn-Mo为主要强化元素；第二批次减少了C和Mo的含量。两个批次钢板采用了基本相同的轧制工艺。表2为两个批次X80管线钢板的主要力学性能。

另一试制厂家采用了0.06%C-1.81%Mn-0.28%Mo-0.25%Ni-0.22%Cr的合金设计，碳当量Ceq达到了0.48%，DWTT剪切面积仅为35%~70%，平均值为53%，不能满足标准要求。大量试验结果表明，采用多种成分体系均可获得X80钢所需的强度和夏比冲击性能。尽管材料的强韧性受到合金元素和轧制冷却工艺的多重影响，但总体上随着合金元素含量的增加，材料韧性降低，尤其是对DWTT剪切面积影响较大。同时在制管焊接过程中，当添加较多合金元素、碳当量Ceq超过0.43%时，热影响区的冲击韧性明显降低，并出现不合格现象，管体及焊接热影响区冲击功与Ceq的关系如图1所示。

经过反复的摸索和试验，证明了合金元素的添加不是越多越好，最终形成了22mm厚度X80钢板的合金体系，其重要特征是超低碳（w（C）=0.03%～0.06%），低Mo或无Mo，少量Ni、Cr、Cu以及Nb的微合金体系，S、P等杂质元素含量低。这种合金体系通过先进的轧制工艺以及加速冷却工艺，能够实现材料良好强韧性匹配。该合金体系的形成对后续更大壁厚的X80钢板及钢管的开发起到了关键作用。

2.2X80厚壁钢管焊接技术

直缝埋弧焊管的焊接采用多丝高速埋弧焊接技术。焊管壁厚增加后主要导致焊接缺陷率增加和焊接接头强韧性匹配难度的增加。由于焊接熔池深度增加，导致缺陷上浮的时间大大增加，使厚壁钢管容易产生夹渣、气孔等缺陷，如图2所示，影响产品质量。尽管可以通过补焊进行修补，但从可靠性的角度，补焊与埋弧焊自身焊缝质量及质量可控性相比存在一定的差距。

壁厚增加意味着焊接热输入同时增加，焊接热输入增加对于焊接热影响区的韧性是不利的，尤其是当合金元素含量较高时，会在热影响区形成粗大的粒状贝氏体组织，造成韧性严重恶化，如图3所示。另一个问题在X80焊管生产中也经常出现，即焊接热影响区软化（焊接热影响区强度低于母材强度）问题，如图4所示。由于轧制和加速冷却技术的进步，X80钢的强韧性对于合金元素的依赖越来越少，采用较少的合金元素就可获得高强韧性的钢板，但在焊接热循环过程中，TMCP技术和加速冷却技术所获得的细晶强化作用被弱化，焊后热影响区细晶区发生严重软化，形成钢管最薄弱的环节，这说明合金元素并非越多越好，也并非越少越好。同时，必须严格控制大壁厚钢管的焊接热输入以及热输入在整个焊接接头的合理分配，以确保焊接接头与母材之间具有良好的强韧性匹配。

传统上管线钢的可焊性概念主要关注韧性，通过限制合金元素的添加以及限制碳当量，以确保焊接后获得良好的韧性。然而，随着轧制冷却工艺技术的进步，管线钢不再以合金元素为主要的强化方式，可能出现合金元素添加不足或与母材强度、焊接工艺不匹配，导致热影响区强度不足的问题。因此，应更新可焊性概念，从关注韧性过渡到关注强韧性。

3X80钢级Φ1219mm×33mm直缝埋弧焊管的开发

2014年，针对陕京四线、新粤浙等管道四类地区提出的X80钢级Φ1219mm×33mm直缝焊管的需求，巨龙钢管有限公司联合国内多家钢厂进行直缝埋弧焊管的开发，并实现千吨级生产。试制的主要标准依据为CDP-S-NGP-PL-006—2014-3《天然气管道工程用钢管技术规格书》、CDP-S-POP-PL-013—2014-3《天然气管道工程用直缝埋弧焊管热轧钢板技术规格书》及项目数据单，其中母材夏比冲击功的要求为-10℃条件下单值最小140J、平均值最小180J，钢管DWTT的要求为0℃条件下剪切面积单值不小于60%，平均值不小于75%。

3.1热轧钢板成分、组织及性能

合金设计主要考虑确保韧性，尤其是DWTT性能，以及确保焊接热影响区的强韧性匹配。通过大压下量轧制，最大程度细化奥氏体晶粒，加速冷却获得所需的针状铁素体组织。表3为3家钢厂制造的33mm厚度X80热轧钢板成分。

从表3可以看出，3家钢厂采用了类似的合金设计，其共同特点是超低C、低S、低P、无Mo或少量Mo，并以Ni、Cr、Cu为主要合金元素，碳当量低。从合金含量和碳当量水平看，与西气东输二线使用的22mm厚度钢板类似，碳当量甚至更低。图5为A钢厂和B钢厂采用上述合金设计生产的钢板的显微组织。从图5可以看出，主要由细小、均匀的针状铁素体组成，晶粒度在12级以上。

表4为3家钢厂生产的33mm厚度X80钢板拉伸性能试验结果，图6为钢板拉伸性能的分布情况。从表4可以看出，3家钢厂的钢板拉伸性能全部符合要求。尽管C厂家添加了少量的Mo和较高的Ni，但其抗拉强度略低于其他两家，可见轧制冷却工艺的影响非常重要。

表5为33mm厚度X80钢板夏比冲击试验结果，从表5可以看出，3家钢厂的钢板均具有优良的夏比冲击韧性，冲击功平均值均高于400J。表6为33mm厚度X80钢板-15℃全壁厚DWTT试验结果，从表6可以看出，3个厂家生产的钢板DWTT性能均符合标准要求。

综上所述，3家钢厂的33mm厚度X80钢板均采用了相近的合金成分设计，合金含量和碳当量均较低。尽管制造工艺方面可能存在一定差异，但钢板拉伸性能、夏比冲击性能、DWTT性能等均满足标准要求，表明钢板具有优良的强韧性匹配。

3.2X80钢级Φ1219mm×33mm直缝埋弧焊管力学性能

采用JCOE制管工艺进行了直缝埋弧焊管的制造，3个原料厂家分别提供1000t钢板，共生产钢管3000t。针对高钢级、厚壁钢管的技术特点，开展了成型、焊接等工艺技术的研究工作。依据标准以及小批量试制检验的要求，对所制钢管的理化性能进行了全面的检验，对材料制管过程的性能变化规律进行了研究。

3.2.1钢管拉伸性能

图7为试制的Φ1219mm×33mm钢管强度分布。从图7可以看出，钢管屈服强度为570~660MPa，均值为612MPa；抗拉强度为640~750MPa，均值689MPa。试制钢管所有强度指标均符合标准要求。

表7为不同厂家原料所制钢管拉伸性能统计情况。从表7可以看出，试制钢管屈强比为0.84~0.93，均值为0.89；焊接接头抗拉强度为655~740MPa，均值为701MPa。另外，A、B两家钢厂原料所制钢管拉伸性能接近，C厂原料所制钢管屈服强度、抗拉强度略低，这主要是由钢板强度自身的差异造成。

图8为3家钢厂原料制管后强度变化情况。从图8（a）可以看出，采用3个原料厂家原料生产的钢管屈服强度均呈上升趋势。其中，A、B两家钢厂原料制管后屈服强度升高基本一致，平均升高62MPa和63MPa，C厂家原料制管后屈服强度平均升高22MPa。从图8（b）可以看出，制管后抗拉强度变化不大，略有下降，A厂家平均下降6MPa，B厂家平均下降17MPa，C厂家平均下降11MPa。分析认为，屈服强度升高主要是由于制管成型、扩径过程加工硬化造成，与材料中组织位错密度（尤其是可动位错密度）有关；抗拉强度的降低主要是因为试样的差异，由于钢管拉伸试样采用了Φ12.7mm圆棒试样，加工位置接近壁厚中心，由于成分偏析以及组织的不均匀使材料性能在厚度方向存在一定的差异。

图9为3个厂家原料所生产的Φ1219mm×33mm钢管焊接接头抗拉强度与母材抗拉强度的差值对比，用以表征焊接热影响区的软化情况。从图9可以看出，焊接接头平均抗拉强度高出钢管母材12～14MPa，个别钢管焊接热影响区最大软化为37MPa，大部分均未发生软化。研究表明，37MPa的软化对于X80钢管来说是一个正常的范围，不会对接头性能造成影响。

3.2.2母材DWTT性能

表8为3个厂家所生产的Φ1219mm×33mm钢管母材0℃条件下DWTT试验结果。从表8可以看出，A厂家原料钢管DWTT剪切面积为70%～90%，均值为81%；B厂家原料钢管DWTT剪切面积为72%～96%，均值为82%；C厂家原料钢管DWTT剪切面积为70%～98%，均值为84%。以上数据表明，试制钢管DWTT性能均符合标准要求。由于采用了全壁厚的试样，相当一部分DWTT断口为异常断口，如图10所示，需按照异常断口评判。

根据管线钢管落锤撕裂试验方法SY/6476—2013，当壁厚＞19mm时，可采用全壁厚试样，也可减薄至19mm，相应降低试验温度进行试验。采用减薄试样进行DWTT试验也是国际上厚壁管线钢DWTT的通用做法。表9为全壁厚试样和单面减薄至19mm试样的对比试验结果。从表9可以看出，减薄后DWTT剪切面积整体优于全壁厚试样，三组试样的减薄试样和全壁厚试样剪切面积均值相差分别为13%、18%和6%。根据钢管DWTT试验结果可以推断，当采用减薄试样后，生产的X80钢级Φ1219mm×33mm直缝埋弧焊管DWTT剪切面积将全部达到标准严格规定的平均值不小于85%的要求。

3.2.3钢管夏比冲击性能

对试制钢管母材进行-10℃夏比冲击试验，结果如图11所示。由图11可以看出，钢管母材夏比冲击功为266~491J，均值为380J，远高于标准规定的单值最小140J、均值最小180J的要求。图12为典型钢管母材夏比冲击系列温度试验结果。由图12可见，-40℃时母材冲击功仍保持在250J以上，且剪切面积均为100%。

对钢管焊缝、热影响区进行-10℃的夏比冲击试验，试验结果如图13所示。从图13（a）可以看出，钢管焊缝夏比冲击功为107~231J，均值为165J；从图13（b）可以看出，钢管焊接热影响区夏比冲击功为89~458J，均值为283J。试验结果表明，焊缝及热影响区冲击功平均值远高于标准要求。图14、图15分别为试制钢管焊缝和热影响区夏比冲击系列温度转变曲线，试验结果表明，焊缝及热影响区同时具有良好的低温韧性。

4结论

自西气东输二线工程以来，我国持续开展了X80热轧钢板及抗延性断裂厚壁直缝埋弧焊管关键技术的研究，并且取得了突破性进展。目前，已能够批量稳定生产X80钢级Φ1219mm×33mm抗延性断裂直缝埋弧焊管。

（1）探索出X80抗延性断裂管线钢合金设计体系，形成了以超低C、低S、低P、无Mo或少量Mo、Ni-Cr-Cu-Nb为主的合金设计，Ceq在0.40%左右，Pcm＜0.20%；结合先进轧制和加速冷却工艺技术，制造的X80厚规格钢板具有优良的强韧性。

（2）现代高钢级管线钢可焊性概念在传统的关注焊接接头韧化能力、冷裂纹敏感性的基础上，应增加对于焊接热影响区软化的关注，确保焊接后焊接接头具有良好的综合性能。

（3）掌握了X80厚壁钢管制造关键技术，已能够批量稳定生产X80钢级Φ1219mm×33mm抗延性断裂直缝埋弧焊管，-10℃条件下母材夏比冲击功平均值达380J，焊缝夏比冲击功平均值达165J，热影响区夏比冲击功平均值达283J；0℃条件下全壁厚DWTT试样剪切面积平均值＞80%，满足抗延性断裂的要求；钢管同时具有优良的低温韧性。

（4）掌握了X80厚壁钢管制管过程强度变化规律、DWTT全壁厚试样和减薄试样试验结果差异规律，为更高钢级、更厚规格焊管的进一步开发和焊管质量优化奠定了基础。