CN102310119B - 一种海底用x65管线钢直缝埋弧焊管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，钢管的制造工艺过程包括铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查和外观质量检查。本发明使得X65钢级直径为Φ762mm、壁厚为28.6～30.2mm直缝埋弧焊管在JCO成型过程中各部分变形均匀、性能均匀；解决了钢管在焊接过程中局部受热导致强韧性及延伸率严重降低的问题；解决了钢管在机械扩径时由于加工硬化导致强度增加、韧性和均匀延伸率降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋弧焊管制造方法，尤其是一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法。
背景技术
目前，全球已经发现了2000多个海洋油气田，海洋油气的储量已经占到全球储量的30-40%，产量达到30%以上，海洋油气已成为世界石油生产量增长的主要来源。我国海洋石油资源丰富，预测石油资源量240多亿吨，天然气资源8万亿立方米。我国未来石油产量的增长主要来自海洋。
海底管道运行维护环境与陆上存在很大差异，首先是管道铺设过程，管线需要承受很大的变形；其次是海底管线受到洋流、潮汐等因素影响，随时处于运动状态；由于海底管道维护难度远远大于陆上管道，一但发生泄漏等安全事故，将对整个海域的生产环境造成毁灭性破坏。因此，与陆上管道相比，海底管道环境对输送钢管提出了更高的要求。主要表现在：
（1）口径小、壁厚大，即大的径厚比（直径/壁厚）：海底管线一般使用的直缝埋弧焊钢管直径较小，多为508~762mm之间；壁厚较大，多数在19.1mm以上。与普通陆地用管线相比，具有较高的径厚比。
（2）严格的纵向拉伸性能要求：为了确保在钢管铺设过程、海洋潮汐、海水运动等复杂情况下钢管的安全性，对纵向性能提出了严格的要求，如纵向屈服强度有明确的最小值、最大值要求，而一般陆上管道对纵向性能没有要求。同时为了确保钢管在明显位移情况下的安全性，要求纵向具有最低的均匀延伸率，而该指标在一般的陆上管道中无要求。
（3）外观几何尺寸高要求：由于海底管线施工焊接工况条件苛刻，要求钢管具有精准的管径、壁厚、长度等。
目前，我国只能自主开发300米水深的油气，深海、超深海开发几乎空白。主要原因是海洋油气资源开发关键技术设备的制造能力跟不上，其中包括海底管线用直缝埋弧焊管产品。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种海底用中小口径、大壁厚、高强度、高韧性、高均匀延伸率的X65管线钢直缝埋弧焊管的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用化学成分质量百分比为C 0.04～0.10%、Mn 1.40～1.75%、Si 0.15～0.35%、S ≤0.006%、P ≤0.010%、Ni ≤0.30%、Mo ≤0.30%、Ti ≤0.030%、 Al 0.015～0.050%、Nb ≤0.06%、N ≤0.01%、Cu ≤0.25%、Cr 0.10～0.30%、B ≤0.0005%，余量为Fe，其中Ceq ≤0.43、Pcm ≤0.22的X65控轧钢板进行直缝埋弧焊管的制造，其制造工艺过程为：
铣边，坡口加工：对于钢板厚度为28.6mm、30.2mm的钢板，上下坡口角度均为35°，钝边高度均为9mm，下坡口高度分别为11mm、12mm；加工坡口的目的是保证焊接过程能够完全焊透，形成合适的焊缝形貌，避免高速焊接过程中出现未焊透等缺陷，确保焊接接头的质量，实现优质高产。
预弯边：根据钢管曲率要求和管径尺寸要求，利用预弯边机对板边弯曲至符合要求的曲率。
JCO成型：用于制造管径为Φ762mm、壁厚为28.6～30.2mm的钢管，首先利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形，再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形，最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形；上述冲压工艺中，采用15～20步的压制次数，单次压下量21～28mm。
合缝及预焊：通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后的钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，保证错边、缝隙尺寸符合要求，同时采用气体保护焊接方式进行焊接，形成连续、规范质量稳定的预焊焊缝，确保内外精焊时钢管焊接工况稳定。
内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；钢管焊接工艺参数为：第一丝电流I=1100～1200A，电压U=32～36V；第二丝电流I=900～1000A，电压U=36～40V；第三丝电流I=750～850A，电压U=38～42V；第四丝电流I=650～750A，电压U=40～44V；焊丝间距d=30～35mm，焊接速度V=110～150cm/min。
外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；钢管焊接工艺参数为：第一丝电流I=1100～1200A，电压U=32～36V；第二丝电流I=900～1000A，电压U=36～40V；第三丝电流I=750～850A，电压U=38～42V；第四丝电流I=650～750A，电压U=40～44V；焊丝间距d=30～35mm，焊接速度V=120～150cm/min。
上述焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C 0.04～0.10%、Mn 1.65～2.0%、Si 0.15～0.35%、S ≤0.01%、P ≤0.015%、Ni 0.05～0.35%、Mo 0.1～0.30%、V ≤0.06%、Ti ≤0.035%、Al ≤0.050%、Nb ≤0.06%、N ≤0.015%、Cu ≤0.30%、Cr ≤0.50%、B ≤0.0015%、Ceq 0.38～0.46、Pcm ≤0.22，所述焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
第一次超声波检查：对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。
第一次X射线检查：采用图像处理系统对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查，保证探伤灵敏度。
机械扩径：对钢管全长进行0.5%～1.2%扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管的内应力分布状态。
水压试验：对钢管进行100%的精水压试验，试验压力为规定最小屈服强度的95%～100%，检查钢管的强度水平以及是否存在泄漏点。
倒棱：将上述检验合格的钢管进行管端加工，达到顾客要求的管端坡口尺寸要求。
第二次超声波检查：对扩径、水压后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
第二次X射线检查：对扩径、水压后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查和管端拍片检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
管端磁粉检查和外观质量检查：必要时对管端进行磁粉检查，对钢管外观尺寸进行测量，对外观质量进行检查，经检查合格的钢管根据用户要求进行防腐和涂层。
本发明的有益效果如下：
（1）通过对X65控轧钢板合金成分控制及显微组织控制，使钢板具有高强度、高韧性、高的均匀延伸率以及较窄的强度区间。
（2）通过在JCO成型工艺中，根据钢板宽度、厚度、强度和模具尺寸，精确分析确定合理的冲压次数和单次压下量，解决了X65钢级直径为Φ762mm、壁厚为28.6～30.2mm的直缝埋弧焊管JCO成型过程中钢板不均匀变形导致局部加工硬化、韧性及均匀延伸率下降严重的问题，使钢管在JCO成型过程中各部分变形均匀、性能均匀。根据分析结果和现场试验，分析钢板成型过程弹复量，合理确定每道次压下量，使钢管成型后具有良好的圆度。
（3）扩径工艺中，根据钢管成型后的尺寸、形状情况，确定最佳扩径工艺，确保钢管扩径后尺寸、形状和理化性能，解决了钢管在机械扩径时由于加工硬化导致强度增加、韧性和均匀延伸率降低的问题。
（4）焊接工艺中，首先通过优选焊接材料，确保焊缝具有稍高于母材的强度及良好的韧性。确定焊接参数时，充分考虑四丝焊中各丝的作用，通过合理设定各丝电流、电压、角度、焊丝间距及焊接速度，使焊缝获得合适熔透深度和良好的形貌，同时有利于焊接过程中气体及保护渣上浮。在此基础上，为了减小焊接热对热影响区强韧性的影响，对各丝电流电压进一步优化，采取了较低的焊丝能量，保证焊接热影响区的性能。焊缝最终获得以针状铁素体为主的、具有良好强韧性的组织，解决了钢管在焊接过程中局部受热导致强韧性及延伸率严重降低的问题。
通过各工序严格的技术控制，使最终钢管的各项性能完全符合海底用X65钢级管线用直缝埋弧焊管的各项要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
采用壁厚为28.6mm、化学成分为C 0.06%、Mn 1.61%、Si 0.19%、S 0.0012%、P 0.007%、Mo ≤0.098%、Ni+Cr+Cu 0.157%、V+Nb+Ti 0.062%、N 0.005%、Ceq 0.36、Pcm 0.15的X65控轧钢板进行直缝埋弧焊管的制造，制造工艺过程如下：
铣边：铣边后钢板符合上、下坡口角度35°，钝边高度9mm。
预弯边：利用预弯边机进行板边预弯，根据管径尺寸要求，使板边具有符合要求的曲率。
JCO成型：采用逐步压制的方法，钢板每次进给134mm，先将钢板的一半经7次压制成“J”型，采用同样的方式进行另一半压制，成“C”型，最后在钢板的中间进行压制，使整个钢板压制成开口的“O”型，开口小于120mm。整个压制道次为15道，每次压下量为22～28mm。
合缝及预焊：将钢管通过轨道送入合缝预焊机，通过调整合缝预焊机9排压辊的位置，使成型后的钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，采用气体保护焊接方式进行焊接，形成连续、规范、质量稳定的预焊焊缝。
内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺参数为：第一丝电流1150A、电压34V，第二丝电流950A、电压38V，第三丝电流800A、电压40V，第四丝电流700A、电压42V，焊丝间距为33mm，焊接速度为135mm/min。
外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺参数为：第一丝电流1200A、电压34V，第二丝电流950A、电压38V，第三丝电流800A、电压40V，第四丝电流700A、电压42V，焊丝间距为33mm，焊接速度为145mm/min。
上述焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C 0.06%、Mn 1.88%、Si 0.30%、S 0.0034%、P 0.011%、Ni 0.094%、Mo 0.177%、V 0.002%、Ti 0.020%、Al 0.017%、Nb 0.024%、N 0.009%、Cu 0.016%、Cr 0.022%、B 0.0007%、Ceq 0.42、Pcm 0.17，焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
超声波检验Ⅰ：对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。
X射线检查Ⅰ：对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查。
机械扩径：对钢管全长进行0.8%扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管的内应力分布状态。
水压试验：对钢管进行100%的静水压试验，试验压力32.5MPa，保压时间大于20s。
倒棱：进行管端加工，加工成符合要求的管端坡口。
超声波检验Ⅱ：对扩径、水压后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
X射线检查Ⅱ：对扩径、水压后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查和管端拍片检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
管端磁粉检查：必要时对管端进行磁粉检查。
防腐和涂层：合格钢管根据用户要求进行防腐和涂层。
表1、表2、表3和表4给出的是本实施例的钢管实物的理化性能检测结果，由表可见，利用本发明的技术制造的X65管线钢直缝埋弧焊管达到了技术要求。
表1 钢管拉伸性能试验结果
| Rt0.5 MPa | Rm MPa | Rt0.5/Rm | A50 % | 均匀伸长率 % | 备注 |
| 530 | 630 | 0.84 | 56.0 | / | 横向试样 |
| 510 | 610 | 0.83 | 58.0 | 7.5% | 纵向试样 |
| / | 655 | / | / | / | 焊接接头 |
拉伸曲线为圆屋顶型。
表2 夏比冲击试验结果
表3 DWTT剪切面积率（0℃）
| 1 | 2 | 平均 |
| 100 | 100 | 100 |
表4硬度试验结果（HV10）
实施例2
采用壁厚为30.2mm、化学成分为C 0.07%、Mn 1.58%、Si 0.31%、S 0.001%、P 0.007%、Mo ≤0.014%、Ni+Cr+Cu 0.216%、V+Nb+Ti 0.046%、N 0.004%、Ceq 0.40、Pcm 0.18的X65控轧钢板进行直缝埋弧焊管的制造，制造工艺过程如下：
铣边：铣边后钢板符合上、下坡口角度35°，钝边高度9.0mm。
预弯边：利用预弯边机进行板边预弯，根据管径尺寸要求，使板边具有符合要求的曲率。
JCO成型：采用逐步压制的方法，钢板每次进给134mm，先将钢板的一半经7次压制成“J”型，采用同样的方式进行另一半压制，成“C”型，最后在钢板的中间进行压制，使整个钢板压制成开口的“O”型，开口小于120mm。整个压制道次为15道，每次压下量为21～27mm。
合缝及预焊：将钢管通过轨道送入预焊机，通过调整合缝预焊机9排压辊的位置，使成型后的钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，采用气体保护焊接方式进行焊接，形成连续、规范质量稳定的预焊焊缝。
内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺为：第一丝电流1150A、电压34V；第二丝电流950A、电压38V；第三丝电流800A、电压40V；第四丝电流700A、电压42V；焊丝间距为33mm；焊接速度为125mm/min。
外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺为：第一丝电流1200A、电压34V；第二丝电流950A、电压38V；第三丝电流800A、电压40V；第四丝电流700A、电压42V；焊丝间距为32mm；焊接速度为135mm/min。
上述焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C 0.06%、Mn 1.92%、Si 0.31%、S 0.003%、P 0.011%、Ni 0.103%、Mo 0.188%、V 0.003%、Ti 0.025%、Al 0.022%、Nb 0.031%、N 0.009%、Cu 0.021%、Cr 0.029%、B 0.0008%、Ceq 0.43、Pcm 0.18，焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
超声波检验Ⅰ：对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。
X射线检查Ⅰ：对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查。
机械扩径：对钢管全长进行0.8%扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管的内应力分布状态。
水压试验：对钢管进行100%的静水压试验，试验压力34.4MPa，保压时间大于15s。
倒棱：进行管端加工，加工成符合要求的管端坡口。
超声波检验Ⅱ：对扩径、水压后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
X射线检查Ⅱ：对扩径、水压后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查和管端拍片检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
管端磁粉检查：必要时对管端进行磁粉检查。
防腐和涂层：经检查合格的钢管根据用户要求进行防腐和涂层。
表1钢管拉伸性能试验结果
| Rt0.5 MPa | Rm MPa | Rt0.5/Rm | A50 % | 均匀伸长率 % | 备注 |
| 479 | 607 | 0.79 | 58.0 | / | 横向试样 |
| 485 | 587 | 0.83 | 56.0 | 11.0% | 纵向试样 |
| / | 615 | / | / | / | 焊接接头 |
表2 夏比冲击试验结果
表3 DWTT剪切面积率（0℃）
| 1 | 2 | 平均 |
| 98 | 98 | 98 |
表4硬度试验结果（HV10）
Claims (5)
1.一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于：采用化学成分的质量百分比为C 0.04～0.10%、Mn 1.40～1.75%、Si 0.15～0.35%、S ≤0.006%、P ≤0.010%、Ni ≤0.30%、Mo ≤0.30%、Ti ≤0.030%、 Al 0.015～0.050%、Nb ≤0.06%、N ≤0.01%、Cu ≤0.25%、Cr 0.10～0.30%、B ≤0.0005%、Ceq ≤0.43、Pcm ≤0.22的X65控轧钢板；钢管的制造工艺过程包括铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查和外观质量检查，所述JCO成型工艺用于制造管径为Φ762mm、壁厚为28.6～30.2mm的钢管，首先利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形，再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形，最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形；上述冲压工艺中，采用15～20步的压制次数，单次压下量21～28mm；所述机械扩径工艺对钢管全长进行0.5%～1.2%扩径。
2.根据权利要求1所述的一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于：所述X65控轧钢板的显微组织为铁素体加贝氏体为主的双相组织。
3.根据权利要求2所述的一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于：焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C 0.04～0.10%、Mn 1.65～2.0%、Si 0.15～0.35%、S ≤0.01%、P ≤0.015%、Ni 0.05～0.35%、Mo 0.1～0.30%、V ≤0.06%、Ti ≤0.035%、Al ≤0.050%、Nb ≤0.06%、N ≤0.015%、Cu ≤0.30%、Cr ≤0.50%、B ≤0.0015%、Ceq 0.38～0.46、Pcm ≤0.22，所述焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
4.根据权利要求3所述的一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于：所述内焊工艺为采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；钢管焊接工艺参数为：第一丝电流I=1100～1200A，电压U=32～36V；第二丝电流I=900～1000A，电压U=36～40V；第三丝电流I=750～850A，电压U=38～42V；第四丝电流I=650～750A，电压U=40～44V；焊丝间距d=30～35mm，焊接速度V=110～150cm/min。
5.根据权利要求4所述的一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法，其特征在于：所述外焊工艺为采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；钢管焊接工艺参数为：第一丝电流I=1100～1200A，电压U=32～36V；第二丝电流I=900～1000A，电压U=36～40V；第三丝电流I=750～850A，电压U=38～42V；第四丝电流I=650～750A，电压U=40～44V；焊丝间距d=30～35mm，焊接速度V=120～150cm/min。
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