超大厚徑比螺旋縫埋弧焊管的研制

張晨鵬，胡 濤，王天法，阮希然，周書亮，李建一

（華油鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

某重點輸氣管道沿線氣候屬于典型的大陸性干旱氣候，具有冬季寒冷、夏季炎熱、晝夜溫差大等特點；該地區管道鋪設土壤類型多以戈壁石、板結地和戈壁灘為主。因此，這對管道用鋼管的規格及性能等參數提出了很高的要求，經綜合考慮，最終選用L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 規格螺旋縫埋弧焊管。筆者統計了行業內常用的50 余種規格螺旋縫埋弧焊管的厚徑比（壁厚/直徑），發現均小于0.023，平均值在0.020 左右［1-15］。Φ610 mm×18 mm規格螺旋縫埋弧焊管的厚徑比達到0.029 5，厚徑比超大，在國內實際生產工作中尚屬首次。在該鋼管試制過程中遇到了不易成型、焊接缺陷等問題，承擔鋼管生產任務的公司遇到了前所未有的極大挑戰。某公司選用B 鋼廠生產的1 200 mm 寬度板卷，按照項目技術條件的相關要求，在沒有可借鑒技術的條件下，最終成功研制并批量生產出各項指標均符合要求的L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm規格螺旋縫埋弧焊管?，F重點介紹該Φ610 mm×18 mm 規格螺旋縫埋弧焊管的研制情況。

1 焊管試制過程

1.1 卷板原材料質量控制

因L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 規格螺旋縫埋弧焊管的厚徑比超大且鋼級較低，為了減輕成型和焊接等過程的生產難度，首先要求原材料特別是卷板的理化性能均勻穩定、板形良好。為此，事先與鋼廠溝通協調，通過嚴格控制板坯質量和軋制工藝，確保卷板出廠理化性能均勻穩定、板形良好。

在研制焊管前，提前做好卷板入廠的理化性能取樣檢驗以及外觀尺寸檢查工作，杜絕理化性能不合格卷板上料生產；研制時，在拆卷、矯平、對頭生產工序，重點做好卷板板形（主要是鐮刀彎、波浪彎）和板邊缺欠（主要是凸凹不均、氧化鐵皮）狀況的嚴格控制，杜絕不符合要求的卷板繼續上料生產。

1.2 成型、焊接設備及工藝

用于生產的螺旋縫埋弧焊管機組已為西氣東輸、陜京管線等國內重要管線生產了幾十萬噸X70、X80 等鋼級螺旋縫埋弧焊管，具有很強的矯平、成型及焊接能力，但Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的厚徑比超大，在該機組生產也尚屬首次。B 鋼廠提供的板卷，采用錳（Mn≤1.40%）、低碳低硫（C≤0.12%，S≤0.015%），加鈮（Nb≤0.03%）的微合金化成分設計，金相組織為珠光體+鐵素體，硬度在160 HV10 左右。

該Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的成型和焊接難點主要如下。

（1）厚徑比反映了鋼管成型應變量的大小。理論上講，鋼管厚徑比越大、鋼級較低，造成鋼管應變量越大，產生的冷作硬化效應越強，成型難度就越大，越容易產生鋼帶彎曲變形不充分的現象，從而導致焊前板材合縫困難，管型不好控制、輥痕較重，且成型質量直接影響后續的焊接質量。

（2）此次試制焊管的厚徑比超大，在該機組也尚屬首次，且沒有可借鑒技術；因此，先從板厚考慮，按常規18 mm（一般對應直徑1 219 mm）板厚鋼板的正常坡口、鈍邊和焊接速度焊接時，發現焊接缺陷主要集中在氣孔和凹坑兩種類型。

（3）針對（1）中成型難點，首先對成型參數進行調整。為保證變形曲率，適當加大1 號和3 號成型輥輥座與成型中心線的距離（圖1 所示A和B）。由于成型管徑610 mm 小，但是壁厚卻達到了18 mm，帶鋼在進入成型器發生形變時，如果還是把1 號和3 號成型輥輥座與成型中心線的距離分別調整到往常數值，則2 號成型輥下壓機臂的強度無法滿足形變需求。因在成型時，2 號成型輥下壓機臂下壓過程中，其撓度變形過大，且在成圓過程中由于變形導致下壓力不足，無法保證成型的穩定性。根據力學知識可知，力和力臂的乘積稱為力矩。在力矩不變的情況下，力臂增加時力就會減小。由圖1 所示1～3 號成型輥受力可知：F1cosβ+F3cosα=F2。若增加1 號成型輥的A、3 號成型輥的B，則會導致α、β增大，則F2相應減小。由此可知，在生產中適當增大1 號和3 號成型輥的A與B，可以有效減小2 號成型輥下壓機臂的受力F2。在此次鋼管試制過程中，經過多次調整和檢測，發現以比610 mm 大且鄰近直徑鋼管所對應的A和B為基礎，再以此計算其他成型參數，既能滿足2 號成型輥下壓機臂下壓鋼板變形的需求，且成型過程穩定可控。

圖1 螺旋縫埋弧焊管機組1～3 號成型輥受力示意

其次，針對Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管，由于所用鋼板板厚過大，為保證成型穩定、管型合適，需要對2 號成型輥邊緣與臨近板邊的距離（圖2 所示的C）、焊墊輥邊緣與臨近板邊的距離（圖2 所示的D）作適當調整。經過多次調整和檢測，發現C、D分別取50～100 mm、10～50 mm 范圍內的一個數值時，生產出的鋼管的變形完全、合縫穩定，且沒有“噘嘴”現象的發生。焊墊輥采用平輥形式；2 號成型輥的C較以往同直徑但壁厚小于18 mm 鋼管生產時稍大，既能保證成型咬合點的穩定，又使得2 號成型輥下壓機臂在點頭過程中的形變阻力變小，有利于成型穩定和管徑、管型的調節，且輥痕較重現象也得到了較好地解決。

圖2 螺旋縫埋弧焊管機組2 號成型輥和焊墊輥相對位置示意

（4）針對上述（2）中焊接難點，對鋼帶銑邊及焊接速度參數做了調整。分析認為產生氣孔和凹坑類型焊接缺陷的原因是：焊接速度過快，導致坡口處焊接金屬未充分填充，形成了凹坑焊接缺陷；焊接速度過快，熔池內氣體來不及逸出時熔池就已凝固，而且焊接速度過快也導致焊渣渣皮的冷卻速度過快，逸出的氣體被阻礙在焊渣與焊縫熔池表面，從而形成氣孔焊接缺陷。經過多次調整和測量，將焊接速度降低0.1 m/min 后，未在焊接焊縫處發現氣孔和凹坑缺陷，但存在焊縫熔深過大的焊接問題。將成型鈍邊量加大至0.5～1.3 mm，上述焊接問題得到解決，焊管的焊接質量明顯提升。

嚴格控制銑邊工序中的鈍邊量和上、下坡口角度等參數，杜絕板邊局部未銑到或銑邊不均勻等情況的發生；嚴格控制錯邊、噘嘴、焊偏和熔合量、鋼管彈復量等成型參數；在焊接過程中，控制焊接電流、焊接電壓、焊接速度及其與生產效率間的關系，確保成型、焊接質量的穩定，保證焊縫及熱影響區有足夠的強度、合格的塑性和沖擊韌性。

經過研究并結合前期試制較大直徑、壁厚18.4 mm 鋼管已有經驗，制定出L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管試制方案。首先對焊接試制參數進行匹配試驗，再根據各試驗數據進行綜合分析，選出如下最佳方案并按照該方案試制：采用雙面埋弧焊，焊劑采用SJ101 型，焊絲為H08Mn，焊接速度1.3～1.9 m/min，內焊焊接線能量為15～29 kJ/cm，外焊焊接線能量為17～32 kJ/cm；內、外焊均為2 絲，一絲直徑4.0 mm，二絲直徑3.2 mm。

2 焊管質量檢測結果

對成型焊接后的L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm螺旋縫埋弧焊管的化學成分、金相組織、力學性能、外觀尺寸等進行檢驗，并進行無損檢測及靜水壓試驗，具體檢測結果如下。

2.1 化學成分分析

在L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的焊縫及母材處取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析。Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的化學成分見表1，結果均達到API Spec 5L—2018《管線鋼管規范》的要求。

表1 L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的化學成分（質量分數） %

2.2 金相檢驗

檢測L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管母材、焊縫、熱影響區的金相組織，同時測量焊縫宏觀形貌尺寸，結果均符合技術條件要求。母材組織為珠光體+多邊形鐵素體；A 類非金屬夾雜物粗系為0.5 級，其余非金屬夾雜物等級均為0；帶狀組織等級為1 級；試樣厚度1/4 處的晶粒度為11 級，試樣厚度中心的晶粒度10.5 級。焊縫組織為晶內成核針狀鐵素體+多邊形鐵素體+珠光體，熱影響區組織為粒狀貝氏體+珠光體。焊縫內外焊道熔深2.0～2.5 mm，熔深良好；內外焊道中心偏差均≤0.7 mm，滿足技術條件≤3.0 mm 的要求。

2.3 力學性能檢驗

（1）拉伸試驗。在母材和焊接接頭處取寬度為38.1 mm 的板狀橫向試樣，在1 000 kN 微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸試驗結果見表2，均滿足技術條件要求。

表2 Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的橫向拉伸試驗結果

（2）導向彎曲性能試驗。對焊接接頭分別進行180 °導向正彎和反彎試驗，彎心直徑為177 mm，未發現裂紋，拉伸面完好，這表明焊接接頭具有良好的塑性。

（3）夏比沖擊試驗和落錘撕裂試驗（Drop-weight Tear Test，DWTT）。在試制的兩爐中各抽取2 根焊管，分別在0 ℃進行夏比沖擊試驗及DWTT。夏比沖擊試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm、V 型缺口（缺口深度2 mm，擺錘刀刃半徑2 mm），DWTT 試樣尺寸為305 mm×76 mm×18 mm（V 型缺口，缺口深度5 mm），試驗結果見表3，發現該焊管的斷裂韌性遠優于技術條件要求。

表3 L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管的沖擊試驗及DWTT 結果最小值

2.4 無損檢測及靜水壓試驗

依據該項目的技術條件，對抽取的10 根鋼管的焊縫進行X 射線檢測，未發現超標缺陷；采用手工及自動超聲波探傷，對鋼管和焊縫兩側進行分層檢查，未發現分層及其他缺陷。

對抽取的不同爐批的2 根鋼管進行了100%規定的最小屈服強度的靜水壓試驗，試驗壓力17.1 MPa，保持時間不小于10 s。試驗后鋼管外表面均未出現滲漏現象，并對靜水壓試驗后的鋼管焊縫進行100%超聲波檢查，未發現裂紋和其他缺陷。

2.5 外觀尺寸及質量檢驗

在試制的2 爐鋼中，抽取5 根鋼管進行外觀尺寸及質量檢驗（表4），結果均符合技術條件要求。

表4 Φ610 mm×18 mm 螺旋縫埋弧焊管外觀尺寸檢驗結果 mm

3 結語

研制的L290M 鋼級Φ610 mm×18 mm 規格螺旋縫埋弧焊管完全符合相關技術條件的要求，其成型與焊接質量合格，外觀質量良好，焊縫和熱影響區強度、沖擊斷裂韌性、金相組織滿足要求，其中某些檢測數據優于相關技術條件要求。本次試制為以后類似超大厚徑比螺旋縫埋弧焊管的研制積累了經驗，為所有焊管的成型、焊接等過程控制提供了借鑒經驗。在該規格鋼管試制成功的基礎上，該公司正式生產了合同量噸位的螺旋縫埋弧焊管，并已應用于相應重點輸氣管道工程。