一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管及其製造方法
2023-10-08 21:31:14
專利名稱：一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管及其製造方法
技術領域：
:本發明屬於石油管道領域，涉及一種輸油、輸氣管線領域所用的焊管及其製造方法，尤其是一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管及其製造方法。
背景技術：
:近年來，隨著天然氣的開發、開採向沙漠、極地和海洋等偏遠地區延伸，長輸管道不僅要經過凍土帶、滑坡帶、地震帶等地質和氣候條件十分複雜的地區，而且還要在服役期間承受由於地面塌陷、移動引起的鋼管變形，可能承受巨大的變形和應力。因此從技術進步及管道安全性的角度出發，對焊管及管件產品提出了新的更高的要求，以保證管線的安全性和完整性。大變形管線鋼管是一種用於油氣長輸管道在通過地質複雜地區(滑坡、地震、凍土等)時，為了降低地層移動對管道可能造成的變形損傷而開發出來的基於應變設計同時具有較大均勻塑性變形容量的管線鋼管。這種新型管線鋼的典型組織是由軟質基體相和硬質第二相的雙相組織所組成，其性能特點是在高強韌性的基礎上，具有較高的形變強化指數，較大的均勻伸長率和較低的屈強比，因而具有在大應變環境中抵抗屈曲、失穩和延性斷裂的極限變形能力，滿足大變形的需求。用於油氣輸送的高強度管線鋼目前主要有直縫埋弧焊管和螺旋埋弧焊管兩種類型，其中螺旋焊管主要應用於一、二類地區，直縫焊管主要用於三、四類地區。中國專利201010251848.3,201010550557.4 和 201110223978.0 都是通過 JCOE 或 UOE 成型工藝生產大變形直縫埋弧焊管，對於目前我國管線建設以螺旋焊管為主的背景下，抗大變形焊管採用螺旋成型的埋弧焊工藝未涉及。將螺旋焊管與直縫焊管做一個簡單的比較，螺旋埋弧焊管的主要優點有:1)鋼管直徑與帶鋼寬度不再受「 η 」的比例的約束，直徑最大可以達到2500mm以上和超長長度(最長可達80m 100m);可以採用同一寬度的卷板製造出不同管徑的鋼管。2)從焊接工藝而言，螺旋焊管與直縫鋼管的焊接方法一致，但直縫焊管在現場環焊時不可避免地會有很多的丁字焊縫，而且丁字焊縫處的焊接殘餘應力較大，焊縫金屬往往處於三向應力狀態，增加了產生裂紋的可能性。3)螺旋焊管在止裂性能方面優於直縫焊管。由於螺旋焊管的卷板軋制方向不是垂直鋼管軸線方向(其夾角取決於鋼管的螺旋角)，而直縫鋼管的鋼板軋制方向垂直於鋼管軸線方向，因而，螺旋焊管發生爆破時，由於焊縫所受正應力與合成應力比較小，爆破口一般不會起源於螺旋焊縫處，其安全性比直縫焊管高。爆破試驗還顯示出螺旋焊管爆破口的環向變形率明顯大於直縫焊管。由此證實，螺旋焊管的塑性變形能力優於直縫焊管，爆破口 一般只局限於一個螺距內，這是螺旋焊縫對裂口的擴展起了有力的約束作用所致。雖然螺旋管的焊縫比直縫管的長，但在使用過程中，鋼管的主應力方向，即鋼管軸線方向的當量缺陷長度比直縫管小，其次，由於管線鋼均為軋制鋼板，衝擊韌性有較大的各向異性，順軋制方向的CVN值可比垂直於軋制方向的CVN值高，直縫管所受的主應力恰恰垂直於管材抗衝擊能力最低的方向，而螺旋管則錯開了管材抗衝擊能力最低的方向，使螺旋管焊縫長的劣勢轉變成了優勢。管子在承受內壓時，通常在管壁上產生兩種主要應力，即徑向應力δ Y和軸向應力SX。焊縫處合成應力δ = 6￥(1/4^112(1+(；082(1)1/2，其中，(1為螺旋焊管焊縫的螺旋角。螺旋焊管焊縫的螺旋角一般為50-75度，因此螺旋焊縫處合成應力是直縫焊管主應力的 60-85%。直縫焊管在焊接後為了保證鋼管的尺寸精度，改善鋼管的內應力分布狀態，一般需要鋼管全尺寸擴徑，這就在鋼管生產中進行了預應變，增加了鋼管的變形量，減小了鋼管的預應變量，使管體的變形能力變差，對大變形鋼管的性能產生了不利的影響。螺旋埋弧抗大變形鋼管採用抗大變形熱軋卷板並配以低匹配的焊接材料制管，制管後不需要擴徑，最大限度地保留了縱向塑性變形容量，可滿足地震斷裂帶、沉陷帶、凍土帶等基於應變管道設計地區對該管線鋼管的使用要求。隨著國家西氣東輸三線等工程的開工，在高鋼級油氣輸送管道技術迅速發展的背景下，基於應變設計的抗大變形埋弧焊管的需求也越來越迫切，掌握高鋼級抗大變形螺旋埋弧焊管的開發、生產和評價，降低管線建設成本，為今後大型輸氣管線採購打下良好基礎，推動國產抗大變形鋼管的開發進程。 發明內容:本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管及其製造方法，該抗大變形螺旋埋弧焊管主要應用於凍土帶、滑坡帶、地震帶等容易產生地質移動的地區，能夠經受較大的變形和應力的油氣輸送管線鋼管，保證管道的安全服役。本發明的目的是通過以下技術方案來解決的:一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管，其金相組織是貝氏體+鐵素體的雙相組織，管體屈服強度為530 630MPa，管體抗拉強度為625 770MPa，屈強比彡0.85，均勻延伸率彡6%，拉伸曲線形狀為拱頂型曲線形狀。採用大變形熱軋卷板為原料，螺旋成型的工藝，採用埋弧焊接工藝製造而成；使用了低強度匹配焊接材料進行管體的焊接。採用組織為貝氏體+鐵素體雙相組織的抗大變形熱軋卷板，在螺旋焊管機組生產線上經矯平後連續不斷地送至成型器內，並以成型角a捲曲成螺旋狀圓筒，然後在接縫位置進行內焊三絲、外焊四絲的埋弧焊工藝進行焊接，然後經過飛剪、管端擴徑、檢驗、靜水水壓試驗、超聲探傷、管端倒稜及成品檢驗合格後獲得螺旋成型抗大變形埋弧焊管。採用低強度匹配焊接材料進行管體的焊接。所述的製造方法，按照如下步驟:(I)、抗大變形熱軋卷板開卷、矯平，為鋼管的成型做準備；(2)、銑邊:包括去除多餘板邊的粗銑和X型坡口的精銑，開坡口保證卷板在焊接過程中能夠焊透，並提高焊接速度，改善焊縫形貌，減小焊接線能量，降低焊接殘餘應力和焊接熱輸入對焊接熱影響區組織和性能的影響，提高焊縫熱影響區的性能；(3)、成型:將經過預彎的帶鋼按一定的曲率半徑在三輥成型器中製成所需管徑的螺旋狀圓筒；
(4)、焊接:對螺旋成型的鋼管初始接縫部位先進行內焊縫三絲埋弧焊、再在半個螺距處外焊縫進行四絲埋弧焊焊接；(5)、飛剪:按照要求把連續成型焊接好的鋼管切割成所需長度的鋼管；(6)、管端擴徑:在鋼管管端300mm範圍進行冷擴徑，對鋼管管端進行整圓，控制鋼管管端尺寸，提高現場管線施工的效率；(7)、檢驗:對焊縫進行X射線檢驗，對焊縫X射線探傷的圖像進行掃描分析，完成缺陷的識別、標記；(8)、靜水水壓試驗；(9)、超聲探傷:對焊縫進行超聲自動探傷和管端超聲波手探；(10)、管端倒稜:對鋼管管端進行坡口加工；(11)、成品檢驗。這種管線鋼管的主要組織是貝氏體+鐵素體的雙相組織。大變形管線鋼既要有足夠的強度，又要有足夠的變形能力，其組織一般由多相組成，有硬質相和軟質相。硬質相為管線鋼提供強度，軟質相提供塑性。雙相組織中兩相組織的體積分數及形態分布對鋼管的性能也有重要的影響。隨著硬質相含量的增大，管線鋼的強度增大。如鐵素體+貝氏體管線鋼，貝氏體體積分數增加到30 %時，屈服平臺小時，應力-應變曲線為Round House型，且當貝氏體為條狀時，形變強化指數能達到0.12。對於貝氏體+Μ/A管線鋼，Μ/A含量在5%時，管線鋼的屈強比最低，韌性最好。本發明通過低 碳、超低碳的多元微合金化設計和控制軋制、加速冷卻等技術，在較大的厚度範圍內獲得以低碳貝氏體為主的多種形態的復相組織，主要合金元素以Si，Mn為主，另外根據生產工藝及使用要求不同，還可加入適量的Cr、Mo、Nb、V、T1、B等合金兀素，組成了以 C-S1-Mn 系、C-S1-Mn-Mo 系、C-Si—Mn-Cr—Mo 系、C-Si—Mn-Cr—Nb 系和C-S1-Mn-Cr-Mo-Nb係為主的雙相鋼系列。為了得到理想的組織和性能，可以通過添加合金元素的方式來改變相的熱力學穩定性和相變動力學，使得相變點改變，相變被促進或被抑制，相分布也被改變，此外，合金元素也可以作為固溶或析出硬化相影響強度和晶粒尺寸。它在滿足高強度、高韌性的前提下具有較低的屈強比(Y/T ( 0.85)、較大的均勻伸長率(ε B ^ 6)、較高的形變硬化指數(η彡0.1)以及Round House型的應力_應變曲線。本發明採用大變形熱軋卷板為原料，在螺旋焊管機組生產線上經矯平後連續不斷地送至成型器內，以一定的螺旋角a將熱軋卷板捲曲成螺旋狀圓筒，採用多絲焊埋弧焊方法進行焊接。採用螺旋成型的方式可以實現用同一寬度的熱軋卷板製造出不同管徑的鋼管。採用低強度匹配焊接材料進行管體的焊接。焊接接頭一般是鋼管的最薄弱區域，強度組配對焊接接頭斷裂性能的影響很大，所謂焊接接頭強度組配是指焊縫金屬的屈服強度與母材的屈服強度的比值，用M表示。當M I時稱作高強匹配，當M= I時稱作等強匹配。一般選擇焊接材料時，基於不同的考慮，有三種組配方式，即:低強匹配、等強匹配和高強匹配。對於承受大位移的管線，管道焊接尤其是厚壁管道焊接時，由於焊接過程的熱脹冷縮，容易在焊縫位置形成較大的焊接殘餘應力，由於低強度金屬有相對比較好的塑性變形能力和抗開裂能力，所以採用強度級別稍低的焊接材料進行焊接，這樣在焊縫金屬收縮時，可以充分利用低強度金屬的上述特性來緩解、釋放一部分焊接應力並防止焊接裂紋的產生。另外，低強匹配焊縫金屬經大變形強化後，其強度可以達到或者接近周圍母材的強度級別，從而形成比較均勻的焊接接頭。
:圖1為本發明的管體焊接示意圖；其中:1為外焊部位；2為內焊部位。
具體實施方式
:下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述:參見圖1，本發明採用的實施方案是:採用組織是貝氏體+鐵素體雙相組織的X80抗大變形熱軋卷板，在螺旋焊管機組生產線上經矯平後連續不斷地送至成型器內，鋼帶以一定的成型角a捲曲成螺旋狀圓筒，如圖1所示，然後在接縫位置進行內焊三絲、外焊四絲的埋弧焊工藝，具體的鋼管制造工藝步驟如下:1、抗大變形熱軋卷板開卷、矯平，為鋼管的成型做準備；2、銑邊:包括去除多餘板邊的粗銑和X型坡口的精銑，開坡口的目的是保證卷板在焊接過程中能夠焊透，並提高焊接速度，改善焊縫形貌，減小焊接線能量，降低焊接殘餘應力和焊接熱輸入對焊接熱影響區組織和性能的影響，提高焊縫熱影響區的性能；3、成型:將經過預彎的帶鋼按一定的曲率半徑在三輥成型器中製成所需管徑的螺旋狀圓筒；4、焊接:對螺旋成型的鋼管初始接縫部位先進行內焊縫三絲埋弧焊、再在半個螺距處外焊縫進行四絲埋弧焊焊接。所述內焊、外焊工藝均採用S、P雜質含量較低的高韌性埋弧焊焊絲和焊劑，並採用雷射焊縫自動跟蹤裝置；5、飛剪:按照要求把連續成型焊接好的鋼管切割成所需長度的鋼管；6、管端擴徑:在鋼管管端300mm範圍進行冷擴徑，對鋼管管端進行整圓，控制鋼管管端尺寸，提高現場管線施工的效率；7、檢驗:對焊縫進行X射線檢驗，對焊縫X射線探傷的圖像進行掃描分析，完成缺陷的識別、標記；8、靜水水壓試驗；9、超聲探傷:對焊縫進行超聲自動探傷和管端超聲波手探；10、管端倒稜:對鋼管管端進行坡口加工；11、成品檢驗。由上述方法製成的X80抗大變形螺旋埋弧焊主要性能:管體屈服強度530 630MPa，管體抗拉強度625 770MPa，屈強比彡0.85，均勻延伸率彡6%，拉伸曲線形狀為「拱頂型」曲線形狀。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法 及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管，其特徵在於:其金相組織是貝氏體+鐵素體的雙相組織，管體屈服強度為530 630MPa，管體抗拉強度為625 770MPa，屈強比彡0.85，均勻延伸率> 6%，拉伸曲線形狀為拱頂型曲線形狀。
2.如權利要求1所述螺旋成型抗大變形埋弧焊管，其特徵在於:採用大變形熱軋卷板為原料，螺旋成型的工藝，採用埋弧焊接工藝製造而成；使用了低強度匹配焊接材料進行管體的焊接。
3.一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管的製造方法，其特徵在於:採用組織為貝氏體+鐵素體雙相組織的抗大變形熱軋卷板，在螺旋焊管機組生產線上經矯平後連續不斷地送至成型器內，並以成型角a捲曲成螺旋狀圓筒，然後在接縫位置進行內焊三絲、外焊四絲的埋弧焊工藝進行焊接，然後經過飛剪、管端擴徑、檢驗、靜水水壓試驗、超聲探傷、管端倒稜及成品檢驗合格後獲得螺旋成型抗大變形埋弧焊管。
4.如權利要求3所述的製造方法，其特徵在於:採用低強度匹配焊接材料進行管體的焊接。
5.如權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，按照如下步驟: (1)、抗大變形熱軋卷板開卷、矯平，為鋼管的成型做準備； (2)、銑邊:包括去除多餘板邊的粗銑和X型坡口的精銑，開坡口保證卷板在焊接過程中能夠焊透，並提高焊接速度，改善焊縫形貌，減小焊接線能量，降低焊接殘餘應力和焊接熱輸入對焊接熱影響區組織和性能的影響，提高焊縫熱影響區的性能； (3)、成型:將經過預彎的帶鋼按一定的曲率半徑在三輥成型器中製成所需管徑的螺旋狀圓筒； (4)、焊接:對螺旋成型的鋼管初始接縫部位先進行內焊縫三絲埋弧焊、再在半個螺距處外焊縫進行四絲埋弧焊焊接； (5)、飛剪:按照要求把連續成型焊接好的鋼管切割成所需長度的鋼管； (6)、管端擴徑:在鋼管管端300mm範圍進行冷擴徑，對鋼管管端進行整圓，控制鋼管管端尺寸，提聞現場管線施工的效率； (7)、檢驗:對焊縫進行X射線檢驗，對焊縫X射線探傷的圖像進行掃描分析，完成缺陷的識別、標記； (8)、靜水水壓試驗； (9)、超聲探傷:對焊縫進行超聲自動探傷和管端超聲波手探； (10)、管端倒稜:對鋼管管端進行坡口加工； (11)、成品檢驗。
全文摘要
本發明公開了一種螺旋成型抗大變形埋弧焊管及其製造方法，將抗大變形熱軋卷板，經過開卷和矯直，在板材的兩邊加工焊接坡口後，連續送入螺旋鋼管成型機組進行成型，逐漸彎曲成管狀，採用埋弧焊接工藝進行焊管焊接，經過擴徑、檢測、水壓試驗超聲檢測等後續處理形成產品。本發明在滿足高強度、高韌性的前提下具有較低的屈強比、較大的均勻伸長率、較高的形變硬化指數以及Round House型的應力-應變曲線，主要應用於凍土帶、滑坡帶、地震帶等容易產生地質移動的地區，能夠經受較大的變形和應力的油氣輸送管線鋼管，保證管道的安全服役。
文檔編號C22C38/00GK103192234SQ20131010931
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者畢宗嶽, 劉海璋, 牛輝, 張錦剛, 陳長青, 張君, 張萬鵬, 趙紅波, 劉斌, 牛愛軍, 黃曉輝, 包志剛, 楊軍 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司