一種改善x90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，該方法的主要加工工序?yàn)椋喊寰淼拈_卷和矯平、銑邊、預(yù)彎、成型、內(nèi)焊、中頻加熱高溫回火熱處理、外焊。本方法工藝步驟中增加了中頻加熱高溫回火熱處理工序，對(duì)焊接接頭進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力高溫回火熱處理，有效的消除焊接接頭區(qū)域的焊接應(yīng)力和卷板變形造成的成型應(yīng)力，降低了焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)顯著改善X90螺旋埋弧焊管內(nèi)焊熱影響區(qū)組織狀態(tài)，提高焊接接頭熱影響區(qū)韌性，改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能。
【專利說明】
-種改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種螺旋縫焊管技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣作為一種高效清潔的能源正日益受到人們的重視。由于天然氣田一般位于 偏僻的遠(yuǎn)離市場(chǎng)的荒漠地區(qū)，如何安全、經(jīng)濟(jì)地將天然氣輸送到消費(fèi)市場(chǎng)一直是天然氣產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的管件問題之一。通過技術(shù)創(chuàng)新W及采用更高壓力和更高強(qiáng)度的管道，是降低天然 氣長(zhǎng)距離輸送成本最有效的途徑。提高輸送壓力是天然氣長(zhǎng)輸管線發(fā)展的最明顯的趨勢(shì)。 天然氣管道輸送壓力在30年間從最初的0.23M化提高到14MPa。輸送壓力的提高要求采用更 高強(qiáng)度的管線鋼。如今，世界范圍內(nèi)的天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)已經(jīng)從過去采用的X52、X60和 X65管線鋼發(fā)展到X70和X80高強(qiáng)度管線鋼，并且正在開發(fā)X90~X120超高強(qiáng)度管線鋼。
[0003] X90與X80相比，可W有效減小壁厚，從而節(jié)省用鋼量，節(jié)約采購成本。據(jù)預(yù)算，在管 線的口徑和壓力確定后，鋼級(jí)每提高一個(gè)等級(jí)，可W減少用鋼量約8%~12%。W450億方/年 天然氣數(shù)量、管道設(shè)計(jì)為1219mm為例，與X80相比，西氣東輸四線/五線如采用XlOO可減少用 鋼量41萬噸/76萬噸，節(jié)省管材采購成本24億元/45億元。
[0004] 然而，在國(guó)內(nèi)，鋼廠為了提高管線鋼卷板的強(qiáng)度，普遍加入了相對(duì)較高的微合金元 素，利用控社、控冷技術(shù)可使鋼板的強(qiáng)度提高到X90級(jí)別，但碳當(dāng)量也隨之提高，造成高鋼級(jí) 管線鋼的可焊性降低，熱影響區(qū)硬脆的板條馬氏體相的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了 X90熱影響區(qū)沖擊 初性；同時(shí)由于板卷的強(qiáng)度大大提高，焊接接頭應(yīng)力集中嚴(yán)重，成為制約X90螺旋縫埋弧焊 管發(fā)展的瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改善X90鋼級(jí)螺 旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，有效的消除內(nèi)焊工序后焊接接頭的焊接應(yīng)力和卷板變 形引起的應(yīng)力，提高焊接接頭熱影響區(qū)初性，改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧 焊管接頭力學(xué)性能的方法，該X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管主要化學(xué)成分重量的百分含量為: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; 其余為Fe，其中CEpcm:《0.21，該方法主要加工工序?yàn)?①板卷的開卷、矯平;②銳邊;③預(yù) 彎;④成型;⑤內(nèi)焊;⑥外焊;其特征在于，在工序⑤內(nèi)焊和⑥外焊之間加入高溫回火熱處理 工序。
[0007] 作為優(yōu)選，所述高溫回火熱處理工序，為中頻加熱高溫回火熱處理工序，其加熱溫 度控制在450°C-55(rC，對(duì)內(nèi)焊縫和外坡口及周邊區(qū)域進(jìn)行高溫回火，W消除內(nèi)焊工序后焊 接接頭的焊接應(yīng)力和卷板變形引起的應(yīng)力，提高焊接接頭熱影響區(qū)初性，改善焊接接頭的 綜合力學(xué)性能，同時(shí)起到對(duì)外坡口預(yù)熱的作用。
[0008] 作為優(yōu)選，所述中頻加熱高溫回火熱處理工序?yàn)?，中頻感應(yīng)加熱裝置放置于距離 內(nèi)焊點(diǎn)一個(gè)螺距位置，與外焊點(diǎn)距離小于一個(gè)螺距，隨著鋼管一邊進(jìn)行滾動(dòng)焊接、一邊前 進(jìn)；中頻感應(yīng)加熱裝置的導(dǎo)電銅管處于外坡口下部1 〇mm-20mm，對(duì)內(nèi)焊縫、熱影響區(qū)和外坡 口加熱。
[0009] 作為優(yōu)選，所述銳邊工序的工藝為:先粗銳后精銳;粗銳，坡口形式為I型坡口，使 板寬控制在：1550 ± 5mm;精銳，坡口類型為X型，坡口加工尺寸為:外坡口深度為4.1 ± 1 mm， 坡口底部角度為40°，內(nèi)坡口深度為4.2±1 mm，張開角度35°，純邊厚度為8.0±1 mm。
[0010] 作為優(yōu)選，所述內(nèi)焊工序的工藝為：采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反 接，電流1025-1125 A、電壓30-34 V;第二絲為交流正接，電流450-550 A、電壓34-38 V;焊 接速度為 1.25-1.35m/min。
[0011] 作為優(yōu)選，外焊工序的工藝為:采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊:第一絲為直流反接，電 流1125-1225A、電壓31-35 V;第二絲為交流正接，電流450-550 A，電壓34-38 V;焊接速度 為1.25-1.35 m/min。
[0012] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:消除內(nèi)焊焊接應(yīng)力和管體變形后的拘 束應(yīng)力;在消除焊接接頭內(nèi)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，降低了焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能對(duì)內(nèi) 焊熱影響區(qū)出現(xiàn)的板條狀馬氏體進(jìn)行回火處理，使其生成回火馬氏體，增加內(nèi)焊熱影響區(qū) 初性，提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能。攻克了目前國(guó)內(nèi)X90M焊接過程中焊接熱影響區(qū)沖擊 初性出現(xiàn)離散低值等瓶頸問題，使得焊接接頭的綜合性能有了明顯的提升。由于中頻熱處 理設(shè)備與其他鋼管生產(chǎn)設(shè)備工作上同步進(jìn)行，因此并不會(huì)降低鋼管生產(chǎn)效率。銳邊工序及 焊接工藝參數(shù)均是基于X90鋼的化學(xué)成分和性能確定的，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說明】
[OOK]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中頻加熱高溫回火熱處理的原理示意圖。
[0014] 圖中：1、娃鋼片;2、導(dǎo)電銅管;3、電磁線;4、內(nèi)焊縫;5、外坡口；6、鋼管;7、冷卻水。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0016] 本實(shí)施例X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管所用板卷的主要化學(xué)成分重量的百分含量為C :0.05;Si:0.24;Mn:l.75;P:0.0093;S:0.0003; Nb巧i+V:0.115;Ni+Cr+Cu:0.271;Cr+Mo+ 111:2.22;其余為化，其中〔69畑1:0.19;〔69:0.45;板卷的力學(xué)性能如表1所示。鋼板的厚度為 16.3mm，最終制成管徑為O 1219 X 16.3mm的鋼管。本實(shí)施例X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管的制 造工藝步驟如下： 1、板卷的開卷、矯平。
[0017] 2、對(duì)頭焊;為滿足鋼管焊接的連續(xù)生產(chǎn)，需將鋼管使用對(duì)頭焊工序相互連接，對(duì)頭 焊工藝為：電流880 A，電壓36 V，焊絲直徑4.0 mm;采用焊絲牌號(hào)為：H08C;焊劑牌號(hào)為 SJ101G+995N;焊接速度0.4 m/min。
[001引 3、銳邊； 進(jìn)一步地，銳邊工序具體為:先粗銳后精銳。粗銳，坡口形式為I型坡口，去除卷板缺陷 和月牙彎，使板寬控制在1550mm;精銳，坡口類型為X型，坡口加工尺寸為：外坡口深度為 4.1mm，坡口底部角度為40°，內(nèi)坡口深度為4.2mm，張開角度35°，純邊厚度為8.0 mm。
[0019] 4、預(yù)彎:在二漉彎邊機(jī)上對(duì)卷板的遞送邊和自由邊進(jìn)行預(yù)彎邊。。
[0020] 5、成型:將經(jīng)過上述預(yù)彎邊的卷板在=漉成型器卷制成外直徑為O 1219的螺旋狀 圓筒。
[0021 ] 6、內(nèi)焊；考慮X90級(jí)卷板合金成分較高，內(nèi)外焊均采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊接工 藝，第一絲需要采用大焊接電流、較低電弧電壓，主要作用是保證烙透深度;第二絲的作用 主要是蓋面，即獲得良好的外觀質(zhì)量，焊縫與母材平滑過渡，避免外表面烙合處出現(xiàn)應(yīng)力集 中，減少和消除咬邊現(xiàn)象，需要采用小焊接電流和較高電弧電壓，W獲得良好的焊縫形貌和 優(yōu)良的焊縫質(zhì)量。
[0022] 作為優(yōu)選，內(nèi)焊工藝為：第一絲為直流反接，電流1075 A，電壓32 V，焊絲直徑4.0 mm;第二絲為交流正接，電流500 A，電壓36 V，焊絲直徑3.2 mm;焊接速度為1.30m/min，采 用焊絲牌號(hào)為:冊(cè)8C;焊劑牌號(hào)為:SJ101G+995N。
[0023] 7、高溫回火熱處理，對(duì)內(nèi)焊焊接接頭進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力，對(duì)外坡口 5進(jìn)行預(yù)熱。
[0024] 進(jìn)一步地，該高溫回火熱處理工序?yàn)闉橹蓄l加熱高溫回火熱處理工序，其加熱溫 度控制在450°C-55(rC，對(duì)內(nèi)焊縫4和外坡口5及周邊區(qū)域進(jìn)行高溫回火，W消除內(nèi)焊工序后 焊接接頭的焊接應(yīng)力和卷板變形引起的應(yīng)力，提高焊接接頭熱影響區(qū)初性，改善焊接接頭 的綜合力學(xué)性能，同時(shí)起到對(duì)外坡口 5預(yù)熱的作用。
[0025] 進(jìn)一步地，中頻加熱高溫回火熱處理工序具體為：隨著X90鋼級(jí)鋼管6-邊自轉(zhuǎn)、一 邊進(jìn)給，即一邊進(jìn)行滾動(dòng)內(nèi)焊和外焊，一邊前進(jìn)，位于內(nèi)焊點(diǎn)和外焊點(diǎn)之間中頻感應(yīng)加熱裝 置對(duì)鋼管的內(nèi)焊縫4、熱影響區(qū)和外坡口 5進(jìn)行高溫回火。中頻感應(yīng)加熱裝置距內(nèi)焊點(diǎn)約1個(gè) 螺距位置，與外焊點(diǎn)距離約0.5個(gè)螺距，同時(shí)內(nèi)焊、外焊和中頻加熱高溫回火熱處理的進(jìn)給 速度相同即保持1.30m/min，X90鋼級(jí)鋼管6的自轉(zhuǎn)速度為1.30m/min，高溫回火的加熱溫度 控制在450°C-55(rC;如圖1所示，中頻感應(yīng)加熱裝置導(dǎo)電銅管2處于外坡口5下部15mm，正對(duì) 著外坡口 5，確保焊接接頭部位被加熱。中頻感應(yīng)加熱的原理是將工業(yè)用的380V，50HZ的S 相交流電整流濾波，成為恒定的直流電源，經(jīng)逆變成所需頻率和電壓的單相中頻交流電，再 經(jīng)變壓器輸送到感應(yīng)線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電磁線3在焊管焊縫及其附近區(qū)域感應(yīng)出頻 率相同、方向相反的滿流，產(chǎn)生滿流熱效應(yīng)，對(duì)內(nèi)焊縫4、熱影響區(qū)和外坡口巧日熱。中頻感應(yīng) 加熱裝置中娃鋼片1能強(qiáng)烈地降低其所處區(qū)域的磁阻，將娃鋼片1應(yīng)用于感應(yīng)器（即導(dǎo)電銅 管2)，通過控制磁通流量的走向改善加熱區(qū)域的磁場(chǎng)分布，用W增強(qiáng)局部加熱效果或進(jìn) 行電磁場(chǎng)屏蔽，提高加熱部位溫度的均勻性。由于靠近被加熱表面，導(dǎo)電銅管2和娃鋼片1 也會(huì)被加熱，導(dǎo)電銅管2和娃鋼片1材料的屬性會(huì)發(fā)生變化，影響感應(yīng)加熱過程的穩(wěn)定性，因 此導(dǎo)電銅管2截面為空屯、，可通冷卻水7。鋼管6-邊進(jìn)行滾動(dòng)焊接，一邊前進(jìn)，中頻熱處理設(shè) 備與其他鋼管生產(chǎn)設(shè)備工作上同步進(jìn)行，因此增加的中頻熱處理工藝不影響生產(chǎn)效率。
[0026] 8、外焊； 作為優(yōu)選，該工藝為:第一絲為直流反接，電流1175 A，電壓33 V，焊絲直徑4.0 mm;第 二絲為交流正接，電流500 A，電壓36 V，焊絲直徑3.2 mm;焊接速度為1.30m/min。采用焊絲 牌號(hào)為:冊(cè)8C;焊劑牌號(hào)為:SJ101G+995N。
[0027] 9、切管:為便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，采用等離子切割機(jī)將鋼管切成11.0 m-12.2m長(zhǎng)度鋼 管。
[0028] 10、管端擴(kuò)徑：在鋼管管端300mm范圍內(nèi)進(jìn)行冷擴(kuò)徑，最大擴(kuò)徑量為鋼管直徑的 0.6%;管端周長(zhǎng)偏差《3. Omm;楠圓度偏差《4.0mm。
[0029] 11、對(duì)母材分層進(jìn)行超聲波檢查和X射線檢查。
[0030] 12、水壓試驗(yàn)。
[0031 ] 13、對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢查和超聲波手探。
[0032] 14、倒棱:對(duì)鋼管的端部棱邊進(jìn)行倒純。
[0033] 為驗(yàn)證本實(shí)施例工藝的有益性，特依據(jù)本實(shí)施例的工藝進(jìn)行了對(duì)比例及現(xiàn)有技術(shù) 工藝下的試驗(yàn)，同時(shí)為保證單一變量原則，對(duì)比例的X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管所用板卷的 主要化學(xué)成分重量的百分含量、力學(xué)性能等與實(shí)施例完全一致，工藝方法只是取消了第7步 使用中頻感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行450°C-55(rC的中頻加熱高溫回火熱處理工序，其他工序及工 藝參數(shù)均與實(shí)施例完全一致。實(shí)施例和對(duì)比例依據(jù)各自工藝各做十組試驗(yàn)后，分別對(duì)實(shí)施 例和對(duì)比例焊接熱影響區(qū)的沖擊初性、焊接接頭拉伸強(qiáng)度和焊接接頭彎曲性能進(jìn)行了檢 ，得到的性能數(shù)據(jù)如表2、表3和表4所示。
[0034] 如表2所示，對(duì)比例即現(xiàn)有技術(shù)工藝下的X90鋼管焊縫平均沖擊功為114J，熱影響 區(qū)平均沖擊功為135J，但焊縫和熱影響區(qū)初性離散;本實(shí)施例工藝下焊縫和熱影響區(qū)沖擊 功均值均升高，分別升高了 6J和25J;且沖擊功初性無離散的低值出現(xiàn)。沖擊初性上看，經(jīng)過 改進(jìn)后的新工藝下，低值離散現(xiàn)象消失，數(shù)值較為集中，且單值和平均值均不小于100J。本 實(shí)施例工藝的焊接接頭的沖擊初性明顯改善，有效的消除了焊接應(yīng)力和卷板變形引起的應(yīng) 力。
[0035] 如表3所示，因?yàn)樵黾恿烁邷鼗鼗鸸ば虻脑?，?shí)施例的焊接接頭拉伸強(qiáng)度要略小 于對(duì)比例的焊接接頭拉伸強(qiáng)度，但采用實(shí)施例工藝的X90鋼管焊接接頭拉伸強(qiáng)度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿 足《天然氣輸送管道用X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求。
[0036] 如表4所示，實(shí)施例的焊接接頭彎曲性能全部滿足《天然氣輸送管道用X90鋼級(jí)螺 旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，對(duì)比例的其中一組焊接接頭彎曲性能未能滿足《天然氣輸送 管道用X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，相對(duì)于對(duì)比例即現(xiàn)有技術(shù)的工藝，采用實(shí) 施例工藝的X90鋼管焊接接頭彎曲性能更加穩(wěn)定可靠，有效的消除了焊接應(yīng)力和卷板變形 引起的應(yīng)力。
[0037] 綜上所述，采用W上本實(shí)施例工藝的有益效果:增加內(nèi)焊熱影響區(qū)初性，提高焊接 接頭的綜合力學(xué)性能，攻克了目前國(guó)內(nèi)X90M焊接過程中焊接熱影響區(qū)沖擊初性出現(xiàn)離散 低值等瓶頸問題，使得焊接接頭的綜合性能有了明顯的提升，且新增加的中頻高溫回火熱 處理工序不影響生產(chǎn)效率。
[0〇3引表1卷板巧L審巧向30° )拉伸試驗(yàn)值
表2實(shí)施例和對(duì)比例焊接熱影響區(qū)的沖擊初性

【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，該X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管 主要化學(xué)成分重量的百分含量為:C :0.04-0.06;SKO.30;Mn:彡1.95;P:彡0.015;S:彡 0.005 ； Cr ： ^0.30 ；Mo ：^0,25； Ni ：^0,25； Al ：^0,06； Cu ：^0,25； Ti ：^0,025； Nb: ^ 0.080; V:彡0.04;B:彡0.0005;Κ0·008;其余為Fe，其中CEpcm:彡0.21，該方法主要加工 工序?yàn)?①板卷的開卷、矯平;②銑邊;③預(yù)彎;④成型;⑤內(nèi)焊;⑥外焊;其特征在于，在工序 ⑤內(nèi)焊和⑥外焊之間加入高溫回火熱處理工序。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，其特征在 于所述高溫回火熱處理工序，為中頻加熱高溫回火熱處理工序，其加熱溫度控制在450°C-550°C，對(duì)內(nèi)焊縫和外坡口及周邊區(qū)域進(jìn)行高溫回火，以消除內(nèi)焊工序后焊接接頭的焊接應(yīng) 力和卷板變形引起的應(yīng)力，提高焊接接頭熱影響區(qū)韌性，改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能，同 時(shí)起到對(duì)外坡口預(yù)熱的作用。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，其特征在 于所述中頻加熱高溫回火熱處理工序?yàn)?，中頻感應(yīng)加熱裝置放置于距離內(nèi)焊點(diǎn)一個(gè)螺距位 置，與外焊點(diǎn)距離小于一個(gè)螺距，隨著鋼管一邊進(jìn)行滾動(dòng)焊接、一邊前進(jìn)；中頻感應(yīng)加熱裝 置的導(dǎo)電銅管處于外坡口下部10mm-20mm，對(duì)內(nèi)焊縫、熱影響區(qū)和外坡口加熱。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，其特征在 于所述銑邊工序的工藝為:先粗銑后精銑； 粗銑，坡□形式為I型坡□，使板寬控制在：1550 ± 5mm; 精銑，坡口類型為X型，坡口加工尺寸為：外坡口深度為4.1 ± I mm，坡口底部角度為 40°，內(nèi)坡口深度為4.2±1 mm，張開角度35°，鈍邊厚度為8.0±1 mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，其特征在 于所述內(nèi)焊工序的工藝為:采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊:第一絲為直流反接，電流1025-1125 A、電壓30-34 V;第二絲為交流正接，電流450-550 A、電壓34-38 V;焊接速度為1.25-1·35m/min〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善X90鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管接頭力學(xué)性能的方法，其特征在 于所述外焊工序的工藝為：采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反接，電流1125-1225A、電壓31-35 V;第二絲為交流正接，電流450-550 A，電壓34-38 V;焊接速度為1.25-1 ·35 m/min〇
【文檔編號(hào)】B23K33/00GK105925890SQ201610499811
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】劉振偉, 田鵬, 孫志剛, 路廣平, 陳松, 唐瑤瑤, 崔明亮, 王玉, 婁剛
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司, 華油鋼管有限公司