CN105925890B - 一种改善x90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法 - Google Patents

一种改善x90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，该方法的主要加工工序为：板卷的开卷和矫平、铣边、预弯、成型、内焊、中频加热高温回火热处理、外焊。本方法工艺步骤中增加了中频加热高温回火热处理工序，对焊接接头进行消除内应力高温回火热处理，有效的消除焊接接头区域的焊接应力和卷板变形造成的成型应力，降低了焊缝产生结晶裂纹的风险；同时显著改善X90螺旋埋弧焊管内焊热影响区组织状态，提高焊接接头热影响区韧性，改善焊接接头的综合力学性能。

Description

一种改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种螺旋缝焊管技术领域。
背景技术
天然气作为一种高效清洁的能源正日益受到人们的重视。由于天然气田一般位于偏僻的远离市场的荒漠地区，如何安全、经济地将天然气输 送到消费市场一直是天然气产业发展的管件问题之一。通过技术创新以及采用更高压力和更高强度的管道，是降低天然气长距离输送成本最有效的途径。提高输送压力是天然气长输管线发展的最明显的趋势。天然气管道输送压力在30年间从最初的0.23MPa提高到14MPa。输送压力的提高要求采用更高强度的管线钢。如今，世界范围内的天然气长输管道建设已经从过去采用的X52、X60和X65管线钢发展到X70和X80高强度管线钢，并且正在开发X90～X120超高强度管线钢。
X90与X80相比，可以有效减小壁厚，从而节省用钢量，节约采购成本。据预算，在管线的口径和压力确定后，钢级每提高一个等级，可以减少用钢量约8%～12%。以450亿方/年天然气数量、管道设计为1219mm为例，与X80相比，西气东输四线/五线如采用X100可减少用钢量41万吨/76万吨，节省管材采购成本24亿元/45亿元。
然而，在国内，钢厂为了提高管线钢卷板的强度，普遍加入了相对较高的微合金元素，利用控轧、控冷技术可使钢板的强度提高到X90级别，但碳当量也随之提高，造成高钢级管线钢的可焊性降低，热影响区硬脆的板条马氏体相的出现严重降低了X90热影响区冲击韧性；同时由于板卷的强度大大提高，焊接接头应力集中严重，成为制约X90螺旋缝埋弧焊管发展的瓶颈问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，有效的消除内焊工序后焊接接头的焊接应力和卷板变形引起的应力，提高焊接接头热影响区韧性，改善焊接接头的综合力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是： 一种改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，该X90钢级螺旋缝埋弧焊管主要化学成分重量的百分含量为：C：0.04-0.06；Si：≤0.30；Mn：≤1.95；P：≤0.015；S：≤0.005；Cr：≤0.30；Mo：≤0.25；Ni：≤0.25；Al：≤0.06；Cu：≤0.25；Ti：≤0.025；Nb：≤0.080；V：≤0.04；B：≤0.0005；N：≤0.008；其余为Fe，其中CEpcm：≤0.21，该方法主要加工工序为：①板卷的开卷、矫平；②铣边；③预弯；④成型；⑤内焊；⑥外焊；其特征在于，在工序⑤内焊和⑥外焊之间加入高温回火热处理工序。
作为优选，所述高温回火热处理工序，为中频加热高温回火热处理工序，其加热温度控制在450℃-550℃，对内焊缝和外坡口及周边区域进行高温回火，以消除内焊工序后焊接接头的焊接应力和卷板变形引起的应力，提高焊接接头热影响区韧性，改善焊接接头的综合力学性能，同时起到对外坡口预热的作用。
作为优选，所述中频加热高温回火热处理工序为，中频感应加热装置放置于距离内焊点一个螺距位置，与外焊点距离小于一个螺距，随着钢管一边进行滚动焊接、一边前进；中频感应加热装置的导电铜管处于外坡口下部10mm-20mm，对内焊缝、热影响区和外坡口加热。
作为优选，所述铣边工序的工艺为：先粗铣后精铣；粗铣，坡口形式为I型坡口，使板宽控制在：1550±5mm；精铣，坡口类型为X型，坡口加工尺寸为：外坡口深度为4.1±1 mm，坡口底部角度为40°，内坡口深度为4.2±1 mm，张开角度35°，钝边厚度为8.0±1 mm。
作为优选，所述内焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1025-1125 A、电压30-34 V；第二丝为交流正接，电流450-550 A、电压34-38 V；焊接速度为1.25-1.35m/min。
作为优选，外焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1125-1225A、电压31-35 V；第二丝为交流正接，电流450-550 A，电压34-38 V；焊接速度为1.25-1.35 m/min。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：消除内焊焊接应力和管体变形后的拘束应力；在消除焊接接头内应力的基础上，降低了焊缝产生结晶裂纹的风险，同时也能对内焊热影响区出现的板条状马氏体进行回火处理，使其生成回火马氏体，增加内焊热影响区韧性，提高焊接接头的综合力学性能。 攻克了目前国内X90M焊接过程中焊接热影响区冲击韧性出现离散低值等瓶颈问题，使得焊接接头的综合性能有了明显的提升。由于中频热处理设备与其他钢管生产设备工作上同步进行，因此并不会降低钢管生产效率。铣边工序及焊接工艺参数均是基于X90钢的化学成分和性能确定的，具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例中频加热高温回火热处理的原理示意图。
图中：1、硅钢片；2、导电铜管；3、电磁线；4、内焊缝；5、外坡口；6、钢管；7、冷却水。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例X90 钢级螺旋缝埋弧焊管所用板卷的主要化学成分重量的百分含量为C：0.05；Si：0.24；Mn：1.75；P：0.0093；S：0.0003； Nb+Ti+V：0.115；Ni+Cr+Cu：0.271；Cr+Mo+Mn：2.22；其余为Fe，其中CEpcm：0.19；Ceq：0.45；板卷的力学性能如表1所示。钢板的厚度为16.3mm，最终制成管径为Φ1219×16.3mm的钢管。本实施例X90 钢级螺旋缝埋弧焊管的制造工艺步骤如下：
1、板卷的开卷、矫平。
2、对头焊；为满足钢管焊接的连续生产，需将钢管使用对头焊工序相互连接，对头焊工艺为：电流880 A，电压36 V，焊丝直径4.0 mm；采用焊丝牌号为：H08C；焊剂牌号为SJ101G+995N；焊接速度0.4 m/min。
3、铣边；
进一步地，铣边工序具体为：先粗铣后精铣。粗铣，坡口形式为I型坡口，去除卷板缺陷和月牙弯，使板宽控制在1550mm；精铣，坡口类型为X型，坡口加工尺寸为：外坡口深度为4.1mm，坡口底部角度为40°，内坡口深度为4.2mm，张开角度35°，钝边厚度为8.0 mm。
4、预弯：在二辊弯边机上对卷板的递送边和自由边进行预弯边。。
5、成型：将经过上述预弯边的卷板在三辊成型器卷制成外直径为Φ1219的螺旋状圆筒。
6、内焊；考虑X90级卷板合金成分较高，内外焊均采用双丝串列埋弧自动焊接工艺，第一丝需要采用大焊接电流、较低电弧电压，主要作用是保证熔透深度；第二丝的作用主要是盖面，即获得良好的外观质量，焊缝与母材平滑过渡，避免外表面熔合处出现应力集中，减少和消除咬边现象，需要采用小焊接电流和较高电弧电压，以获得良好的焊缝形貌和优良的焊缝质量。
作为优选，内焊工艺为：第一丝为直流反接，电流1075 A，电压32 V，焊丝直径4.0mm；第二丝为交流正接，电流500 A，电压36 V，焊丝直径3.2 mm；焊接速度为1.30m/min，采用焊丝牌号为：H08C；焊剂牌号为：SJ101G+995N。
7、高温回火热处理，对内焊焊接接头进行消除内应力，对外坡口5进行预热。
进一步地，该高温回火热处理工序为为中频加热高温回火热处理工序，其加热温度控制在450℃-550℃，对内焊缝4和外坡口5及周边区域进行高温回火，以消除内焊工序后焊接接头的焊接应力和卷板变形引起的应力，提高焊接接头热影响区韧性，改善焊接接头的综合力学性能，同时起到对外坡口5预热的作用。
进一步地，中频加热高温回火热处理工序具体为：随着X90钢级钢管6一边自转、一边进给，即一边进行滚动内焊和外焊，一边前进，位于内焊点和外焊点之间中频感应加热装置对钢管的内焊缝4、热影响区和外坡口5进行高温回火。中频感应加热装置距内焊点约1个螺距位置，与外焊点距离约0.5个螺距，同时内焊、外焊和中频加热高温回火热处理的进给速度相同即保持1.30m/min，X90钢级钢管6的自转速度为1.30m/min，高温回火的加热温度控制在450℃-550℃；如图1所示，中频感应加热装置导电铜管2处于外坡口5下部15mm，正对着外坡口5，确保焊接接头部位被加热。中频感应加热的原理是将工业用的380V，50HZ的三相交流电整流滤波，成为恒定的直流电源，经逆变成所需频率和电压的单相中频交流电，再经变压器输送到感应线圈，根据电磁感应原理，电磁线3在焊管焊缝及其附近区域感应出频率相同、方向相反的涡流，产生涡流热效应，对内焊缝4、热影响区和外坡口5加热。中频感应加热装置中硅钢片1能强烈地降低其所处区域的磁阻，将硅钢片1应用于感应器(即导电铜管2), 通过控制磁通流量的走向改善加热区域的磁场分布, 用以增强局部加热效果或进行电磁场屏蔽, 提高加热部位温度的均匀性。由于靠近被加热表面，导电铜管2和硅钢片1也会被加热，导电铜管2和硅钢片1材料的属性会发生变化，影响感应加热过程的稳定性，因此导电铜管2截面为空心，可通冷却水7。钢管6一边进行滚动焊接，一边前进，中频热处理设备与其他钢管生产设备工作上同步进行，因此增加的中频热处理工艺不影响生产效率。
8、外焊；
作为优选，该工艺为：第一丝为直流反接，电流1175 A，电压33 V，焊丝直径4.0mm；第二丝为交流正接，电流500 A，电压36 V，焊丝直径3.2 mm；焊接速度为1.30m/min。采用焊丝牌号为：H08C；焊剂牌号为：SJ101G+995N。
9、切管：为便于储存和运输，采用等离子切割机将钢管切成11.0 m-12.2m长度钢管。
10、管端扩径：在钢管管端300mm范围内进行冷扩径，最大扩径量为钢管直径的0.6%；管端周长偏差≤3.0mm；椭圆度偏差≤4.0mm。
11、对母材分层进行超声波检查和X射线检查。
12、水压试验。
13、对焊缝进行超声波检查和超声波手探。
14、倒棱：对钢管的端部棱边进行倒钝。
为验证本实施例工艺的有益性，特依据本实施例的工艺进行了对比例及现有技术工艺下的试验，同时为保证单一变量原则，对比例的X90 钢级螺旋缝埋弧焊管所用板卷的主要化学成分重量的百分含量、力学性能等与实施例完全一致，工艺方法只是取消了第7步使用中频感应加热装置进行450℃-550℃的中频加热高温回火热处理工序，其他工序及工艺参数均与实施例完全一致。实施例和对比例依据各自工艺各做十组试验后，分别对实施例和对比例焊接热影响区的冲击韧性、焊接接头拉伸强度和焊接接头弯曲性能进行了检测，得到的性能数据如表2、表3和表4所示。
如表2所示，对比例即现有技术工艺下的X90钢管焊缝平均冲击功为114J，热影响区平均冲击功为135J，但焊缝和热影响区韧性离散；本实施例工艺下焊缝和热影响区冲击功均值均升高，分别升高了6J和25J；且冲击功韧性无离散的低值出现。冲击韧性上看，经过改进后的新工艺下，低值离散现象消失，数值较为集中，且单值和平均值均不小于100J。本实施例工艺的焊接接头的冲击韧性明显改善，有效的消除了焊接应力和卷板变形引起的应力。
如表3所示，因为增加了高温回火工序的原因，实施例的焊接接头拉伸强度要略小于对比例的焊接接头拉伸强度，但采用实施例工艺的X90钢管焊接接头拉伸强度仍远远满足《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管技术条件》要求。
如表4所示，实施例的焊接接头弯曲性能全部满足《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管技术条件》要求，对比例的其中一组焊接接头弯曲性能未能满足《天然气输送管道用X90钢级螺旋缝埋弧焊管技术条件》要求，相对于对比例即现有技术的工艺，采用实施例工艺的X90钢管焊接接头弯曲性能更加稳定可靠，有效的消除了焊接应力和卷板变形引起的应力。
综上所述，采用以上本实施例工艺的有益效果：增加内焊热影响区韧性，提高焊接接头的综合力学性能， 攻克了目前国内X90M焊接过程中焊接热影响区冲击韧性出现离散低值等瓶颈问题，使得焊接接头的综合性能有了明显的提升，且新增加的中频高温回火热处理工序不影响生产效率。
表1卷板（轧制方向30°）拉伸试验值
表2实施例和对比例焊接热影响区的冲击韧性
表3实施例和对比例的焊接接头拉伸强度
表4实施例和对比例的焊接接头弯曲性能

Claims (4)

1.一种改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，该X90钢级螺旋缝埋弧焊管主要化学成分重量的百分含量为：C：0.04-0.06；Si：≤0.30；Mn：≤1.95；P：≤0.015；S：≤0.005；Cr：≤0.30；Mo：≤0.25；Ni：≤0.25；Al：≤0.06；Cu：≤0.25；Ti：≤0.025；Nb：≤0.080；V：≤0.04；B：≤0.0005；N：≤0.008；其余为Fe，其中CEpcm：≤0.21，该方法主要加工工序为：①板卷的开卷、矫平；②铣边；③预弯；④成型；⑤内焊；⑥外焊；其特征在于，在工序⑤内焊和⑥外焊之间加入高温回火热处理工序；所述高温回火热处理工序，为中频加热高温回火热处理工序，其加热温度控制在450℃-550℃，对内焊缝和外坡口及周边区域进行高温回火，以消除内焊工序后焊接接头的焊接应力和卷板变形引起的应力，提高焊接接头热影响区韧性，改善焊接接头的综合力学性能，同时起到对外坡口预热的作用；所述中频加热高温回火热处理工序为，中频感应加热装置放置于距离内焊点一个螺距位置，与外焊点距离小于一个螺距，随着钢管一边进行滚动焊接、一边前进；中频感应加热装置的导电铜管处于外坡口下部10mm-20mm，对内焊缝、热影响区和外坡口加热。
2.如权利要求1所述的改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，其特征在于所述铣边工序的工艺为：先粗铣后精铣；
粗铣，坡口形式为I型坡口，使板宽控制在：1550±5mm；
精铣，坡口类型为X型，坡口加工尺寸为：外坡口深度为4.1±1mm，坡口底部角度为40°，内坡口深度为4.2±1mm，张开角度35°，钝边厚度为8.0±1mm。
3.如权利要求1所述的改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，其特征在于所述内焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1025-1125A、电压30-34V；第二丝为交流正接，电流450-550A、电压34-38V；焊接速度为1.25-1.35m/min。
4.如权利要求1所述的改善X90钢级螺旋缝埋弧焊管接头力学性能的方法，其特征在于所述外焊工序的工艺为：采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1125-1225A、电压31-35V；第二丝为交流正接，电流450-550A，电压34-38V；焊接速度为1.25-1.35m/min。
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