卷板制造直缝埋弧焊接钢管的技术问题及处理
来源:至德钢业 日期:2021-10-20 16:30:57 人气:636
采用卷板制造直缝埋弧焊接钢管,在国内甚至世界上尚属首次。针对卷板制造直缝埋弧焊接钢管时面临开平后成板率低,钢卷头、中、尾性能差异,板边没有经过纵剪易存在缺陷,在钢厂无法进行UT分层探伤以及包申格效应变化趋势未知等技术难题,中国海洋石油有限公司番禺/惠州项目部组织钢厂和钢管厂分别进行了两次试制和小批量试生产,经结果分析和工艺调整,顺利解决了上述技术问题。评价结果表明,由卷板制造的直缝埋弧焊接钢管完全符合番禺/惠州天然气开发项目直缝埋孤焊接钢管技术条件SPC-SP-PL-2003和相关技术规范DNV-0S-F101(2000)。
1概述
番禺/惠州天然气开发项目是国家重点工程,是首条从炼钢、轧钢到钢管制造等全部国产化的海底输气管线,所有钢板由上海宝山钢铁股份有限公司研制和生产,钢管制造方为巨龙钢管有限公司和番禺珠江钢管有限公司。该输气管线连接番禺30-1平台、惠州21-1A/B平台、惠州21-1平台及其陆上终端处理厂,全长约367km。该天然气管道设计起输压力约为11.3MPa,终端压力为7.1MPa,年输送能力约16×10°m2,管道设计寿命30年。其中,番禺30-1天然气田位于香港以南大约250km,水深约205m;惠州21-1天然气田位于香港东南大约160km,水深约115m;是目前国内海底水域最深、距离最长的输气管线,主要将南中国海域开发出的天然气,通过海底输气管线输送到岸上,为珠江三角洲的城市发展提供优质而清洁的能源,同时为部分燃油发电厂提供替代燃料。
该海底管线设计外径为508mm,钢级为X65,主管线壁厚为14.3mm和15.9mm,项目进度要求严格,拟采用卷板制造直缝埋弧焊接钢管,这在国内甚至世界上尚属首次。卷板制造直缝埋弧焊接钢管时面临一系列技术问题:卷板开平后成板率低,材耗大;钢卷头、中、尾性能存在差异;板边没有经过纵剪可能存在潜在缺陷;由于卷板经过轧制后在高温下卷曲而成,所以在钢厂无法进行UT分层探伤;卷板经过开平、成形等工序制成直缝埋弧焊接钢管后,包申格效应变化趋势未知等。中国海洋石油有限公司番禺/惠州项目部组织钢厂和钢管厂分别进行了两次试制和小批量试生产,在各单位共同努力下,顺利解决上述技术问题。
2技术问题及处理方法
2.1提高卷板开平后成板率
一般来说,卷板卷头、卷尾处板边直度容易超标,而且容易出现重皮、折叠、结疤、压坑、划伤等缺欠和缺陷,因而开平切割成钢板后,外观和几何尺寸符合技术要求的钢板合格率较低,即成板率较低。为提高钢板成板率,在开平前,根据卷重以及实际测算的钢卷单位长度重量,预算出钢卷卷长,确定剪切合理长度和张数的合格钢板;同时视现场开平检查卷头和卷尾缺陷,实时对直度超标严重的起卷和收卷区卷板进行剪切;对于直度超标较大的卷头板和卷尾板,加大铣边量。
2.2测试钢卷头中尾性能差异
由于卷板在卷曲时卷头和卷尾的温度梯度和变形量的差异以及卷板开平时卷尾和卷头变形量的差异,卷板的卷头、卷尾和卷中可能存在性能上的差异,因此需对卷头、卷尾和卷中的钢板和钢管进行力学性能测试,以确定不同卷板位置钢板性能是否存在明显的差异。钢板和钢管力学性能试验计划项目分别见表1和表2。
试验结果显示,板卷开平卷头、卷中和卷尾钢板屈服强度都有波动,对于厚度为14.3mm钢板的屈服强度变化规律不太明显;对于15.9mm厚度钢板,不论是横向还是纵向,不论是在1/2D还是1/4D位置,卷中屈服强度都为最低,而且卷中屈强比也为最低。
卷板位置对两种规格的钢管屈强比和屈服强度的影响趋势不大一致:对于508mm×14.3mm规格的钢管,卷中钢板制成的钢管屈服强度和屈强比都比较低;而对511.2mm×15.9mm规格的钢管,卷中钢板制成的钢管屈服强度和屈强比都比较高。而且不论何种规格的钢管,卷头位置母材横向系列冲击吸收功都为最高,并且随温度的下降,韧脆转变趋势更为急剧;卷中和卷尾钢板各温度下冲击吸收功较低,而且随温度的降低,冲击吸收功变化比较平缓。
综上,卷头、卷中和卷尾钢板及其钢管拉伸性能试验和断裂韧性试验显示,卷中钢板和钢管性能较为薄弱,所以测量卷中位置的钢管力学性能最能代表本卷和本炉批的钢管性能。
2.3加强板边潜在缺陷的检查
(1)由于卷板没有经过纵剪,板边容易存在轧制缺陷和缺欠,如折叠、重皮、结疤、压坑、划伤等,对此首先在钢板上料时加强了人工检查。另外,由于钢坯在钢厂经过热轧成板后,随即卷取成为钢卷,卷取温度为500~600℃,因而在钢厂无法进行UT分层探伤,卷板质量无法保证。所以钢管技术条件要求“所有钢板须进行100%分层探伤,进行100%的扫描”。国内钢管厂在上料生产线上都设有超声波分层探伤工序,因而在线进行钢板分层探伤可以实现,只是扫描面积不同,一般的扫描面积可达到25%以上。为提高扫描覆盖率,将分组探头的直线行走改变为慢速往复摆动式扫描,可以将扫描面积提高到40%以上,保证在线钢板的内在质量。
(2)卷板边缘铣边和成型后,在经过预焊和内外焊时,加强焊缝和焊缝边缘检查也是消除板边缺陷的最佳方法。钢管焊缝进行X射线工业电视或X射线胶片检查时加强对焊缝两侧边缘20~50mm母材检查,钢管焊缝进行自动UT探伤时增加焊缝边缘母材分层探伤检查,都能很好地保证钢管焊缝边缘质量。
(3)加强钢管外观检查,对发现的缺陷及时处理。
2.4不同成型工艺的包申格效应
不论采用JCOE成型工艺还是采用UOE成型工艺,利用卷板制造直缝埋弧焊接钢管尚属首次,所以卷板开平制成钢管后的包申格效应大小未知,即钢板制成钢管后屈服强度变化趋势不清楚。对此,设计钢管试制以及批量生产程序如图1所示,其中“钢管性能测试”是按照表1和表2进行钢板1/4D位置和钢管±90°位置拉伸试验性能测试。
首先由轧钢厂试制钢卷,提供给制管厂分别采用JCOE成型工艺和UOE成型工艺进行钢管试制,并对试制钢管性能进行测试后将测试结果反馈给轧钢厂;轧钢厂根据试制钢管性能测试结果调整冶金工艺和轧制工艺,小批量生产钢卷,再分别供给制管厂进行JCOE钢管和UOE钢管小批量生产,并将两种钢管性能测试结果反馈给轧钢厂,从而进一步为批量生产提供技术保证。这样就可以测试出钢卷经过不同成型工艺制成钢管后的包申格效应大小,从而保证批量生产的钢管性能稳定并符合相关技术标准。
经过测试,卷板采用JCOE工艺制成的钢管,钢管屈服强度比钢板平均高出约30MPa,屈强比平均提高约0.02,说明该规格卷板采用JCOE工艺制造直缝埋弧焊接钢管包申格效应较小,远小于其成型过程中的形变强化,以材料形变强化为主。卷板采用UOE工艺制成的钢管,除少数炉号外,大部分炉号卷板生产的钢管横向屈服强度较其钢板均降低,而且总体趋势为降低,平均降低24MPa;钢管纵向屈服强度大部分呈现上升趋势,平均升高36MPa。可见,卷板采用UOE工艺制成的钢管,钢管母材横向包申格效应比较明显,平均约为24MPa;钢管母材纵向包申格效应不明显,主要表现为纵向屈服强度平均比钢板升高36MPa,同样也是材料形变强化导致的。
经过对JCOE和UOE钢管分别进行试制和试验,将主要拉伸性能试验结果反馈给轧钢厂,由轧钢厂调整了卷板的冶金工艺及轧制工艺,确保了经过不同的成型工艺制成的钢管均能满足番禺/惠州天然气输气管线钢管技术条件及相应的钢管技术规范。
3结论
(1)采用卷板制造直缝埋弧焊接钢管面临开平后成板率低,钢卷头、中、尾部性能存在差异,卷板板边没有经过纵剪易存在缺陷,在轧钢厂无法进行UT分层探伤,包申格效应变化趋势未知等问题。
(2)通过对卷头、卷中和卷尾钢板及其钢管进行拉伸性能试验和断裂韧性试验分析得知,卷中钢板和钢管性能较为薄弱。所以推荐测量卷中位置的钢管性能,最能代表本卷和本炉批钢管的性能。
(3)为提高钢板分层探伤扫描覆盖率,将分组探头的直线行走改变为慢速往复摆动式扫描,可以将扫描面积提高到40%以上,保证了在线钢板的内在质量。
(4)卷板采用JCOE工艺制成的钢管,钢管屈服强度比钢板平均高出约30MPa,屈强比平均提高约0.02;说明该规格卷板采用JCOE工艺制造的直缝埋弧焊接钢管包申格效应较小,远小于其成型过程中的形变强化,主要以材料形变强化为主。
(5)卷板采用UOE工艺制成的钢管,钢管母材横向包申格效应比较明显,平均约为24MPa;钢管母材纵向包申格效应不明显,主要表现为纵向屈服强度平均比钢板升高36MPa,同样也是材料形变强化导致的。