一種抗硫化氫應力腐蝕的x80級直縫埋弧焊管及其製造方法
2023-05-22 13:05:36 4
一種抗硫化氫應力腐蝕的x80級直縫埋弧焊管及其製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法，直縫埋弧焊管包括焊縫和焊管管體，其特徵在於：所述焊管管體由以下質量百分比的元素組成：C≤0.04，Si：0.20～0.40，Mn1.20～1.80，P≤0.008，S≤0.002，Ni0.10～0.30，Cr≤0.15，Cu≤0.15，Nb0.01～0.10，Ti0.01～0.10，Mo0.10～0.30，Al0.04～0.10，B≤0.0005，Ca≤0.002，其餘為鐵和不可避免的雜質。本發明通過材料成分、製造工藝、製造技術與後續處理的合理調配與控制，使X80直縫埋弧焊管具備了良好的強度、韌性、焊接性、延性和耐蝕性。滿足酸性環境油氣的高壓大流量輸送要求。
【專利說明】一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法
【技術領域】:
[0001]本發明屬於焊接領域，涉及直縫埋弧焊管及其製造方法，尤其是一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法。
【背景技術】:
[0002]高鋼級、大管徑已經成為管線鋼管發展的總趨勢。提高輸送工作壓力，加大管道直徑，能夠提高輸送效率，從而提高管道運營的經濟效益。隨著我國天然氣工業的發展，長輸管道建設將在未來幾年進入高速發展期，高鋼級管線鋼擁有廣闊的應用前景。X80管線鋼作為我國重點發展的長輸管道高鋼級管線鋼，已經大量應用於我國管道工程建設中。
[0003]長輸管道在服役過程中，通常遇到土壤、原油或天然氣等強腐蝕介質，其中許多是在高溫、高壓和高流速等條件下服役，其腐蝕問題顯得更為突出和嚴重。長輸管線穿越沙漠、沼澤和鹽鹼等複雜地區，管線外壁長期與土壤中的腐蝕性介質相接觸，內有強腐蝕的輸送介質，腐蝕狀況非常嚴重。我 國大多數油田的石油天然氣含硫量較高，很多管道事故的發生都與H2S有關。H2S是石油和天然氣中最具有腐蝕作用的有害介質之一，嚴重地影響著油氣輸送管線的使用壽命，其中氫致開裂(HIC)和硫化物應力開裂(SSCC)是H2S酸性腐蝕的主要形式，制約著油氣輸送管道的安全服役。
[0004]應力腐蝕破裂(Stress Corrosion Cracking SCC)是金屬材料在應力和腐蝕介質的聯合作用下，產生的一種低應力脆斷現象。應力腐蝕破裂是一種沒有預兆的失效形式，所造成的損失非常巨大。隨著高寒地帶油氣田的開發以及管道輸送壓力和鋼材等級的提高，管道發生脆性斷裂的問題尤為突出。壓力管道作為一種典型的焊接結構，由於焊接過程常使焊接接頭的組織性能劣化及焊接缺陷處嚴重的應力集中，使焊接缺陷處成為整個焊接管道中最薄弱部位，服役過程中往往成為裂紋的源頭。而制管過程中的冷成型工藝不當，也會造成焊管有害殘餘應力過大，影響管道安全性。
[0005]從國外生產酸性服役鋼管發展趨勢來看，低碳合金鋼管從八十年代以X60鋼級，到九十年代鋼級已提升為X65為主，再到目前發展到X70鋼級。新日鐵、JFE和蒂森-克虜伯等公司可批量生產和供應X70耐腐蝕管線鋼管。歐洲鋼管有近30年抗酸管線鋼的發展歷史，2005年發展到X70抗酸管線鋼。歐洲鋼管主要採用的是超低碳、超低硫、低錳、低磷的成分設計以降低碳、錳、硫、磷等元素的偏析，通過鈮、釩的微合金化使其性能很好地滿足抗酸管線管的要求。目前國外耐腐蝕管線鋼生產比例高達65%以上。國內批量用於現場的耐H2S腐蝕的焊管仍為X52(L360)。長期以來，國內酸性服役鋼管大量採用進口鋼管。現有已授權專利技術中，專利號ZL201110297210.8涉及的是一種X65MS鋼級螺旋焊管及其製造方法，專利號ZL201110331254.8涉及的是一種X70MS鋼級的螺旋埋弧焊管及其製造方法，以上兩種焊管SSCC試驗加載應力水平為72%名義應力；專利號ZL00123185.5、ZL200710193032.8、ZL200910033695.2 涉及的是一種抗硫化氫腐蝕管線用鋼；專利號ZL200610016498.6涉及的是一種抗硫化氫腐蝕無縫鋼管；因而，目前現有專利技術中，沒有涉及X80MS鋼級，且具備抗硫化氫應力腐蝕能力的直縫埋弧焊管及其製造方法。另外，現有申請已公開專利文件中，201210026833.6涉及的是一種高強度無縫鋼管；201310177193.3所涉及的是一種無縫鋼管材料及其製造方法；201310032759.3所涉及的是一種L360MS直縫埋弧焊管及其生產方法；201310150492.8涉及了一種耐酸管用埋弧焊絲；201310150513.6涉及了一種80ksi級石油套管及其製造方法；200310119050.3涉及了一種抗硫化氫管線鋼及其生產方法；200410025443.2涉及的是一種抗硫化氫用鋼的生產方法。因而現有已授權或公開專利技術中，均未涉及到SOksi鋼級抗硫化氫應力腐蝕直縫埋弧焊管及其製造方法。
[0006]隨著「西氣東輸」天然氣管道的全面投產和中俄、中哈跨國油氣管道建設高潮的來臨，油氣田逐漸向高寒地區、海上以及高含硫等資源進展，油氣管線使用的安全性成為學術界普遍關心的問題，從而對管道材料提出了更高的要求。
[0007]我國大部分油氣田中含有的硫化氫濃度含量較高，部分集輸管線屬於酸性腐蝕環境，使用的鋼管主要是低強度X52鋼級的耐酸管，由於強度低，無法承受高壓大流量輸送。隨著管線鋼的強度增加，硬度一般隨之升高。因為硬度與鋼材強度密切相關，而硫化氫應力腐蝕敏感性與鋼材的硬度有關，硬度愈高，敏感性愈大。因而隨著油氣輸送管線鋼管強度、硬度升高，極易發生SSCC，因此急需開發腐蝕環境用高強度X80耐酸性鋼管。
【發明內容】
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[0008]本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法，通過材料成分、製造工藝、製造技術與後續處理的合理調配與控制，使X80直縫埋弧焊管具備了良好的強度、韌性、焊接性、延性和耐蝕性。滿足酸性環境油氣的高壓大流量輸送要求。
[0009]本發明要解決的技術問題是提供管體高強度，同時具備抗硫化氫環境應力腐蝕性能的X80鋼級直縫埋弧焊管及其製造方法。
[0010]為解決上述技術問題，本發明提供了一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法，主要技術方案如下:
[0011]一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管及其製造方法，該方法包括以下步驟:鋼板銑邊、板邊預彎、鋼管JCO成型、預焊、內焊、外焊、去應力擴徑，水壓試驗、倒稜、坡口加工、X射線檢查、超聲波檢查、磁粉檢查、在線噴標和成品檢查。
[0012]所述管體由以下質量百分比的元素組成:C≤0.04，S1:0.20~0.40，Mnl.20~1.80，P ≤ 0.008，S ≤ 0.002，Ni0.10 ~0.30，Cr ≤ 0.15，Cu ( 0.15，Nb0.01 ~0.10，Ti0.01 ~0.10，Mo0.10 ~0.30，A10.04 ~0.10，B ≤ 0.0005，Ca ≤ 0.002，其餘為鐵和不
可避免的雜質。
[0013]所述鋼管焊縫由以下質量百分比的元素組成:C0.02~0.08 ;Si0.2~0.5 ;Mn0.8 ~1.6 ;P ≤ 0.015 ；S ≤ 0.005 ；Cr≤ 0.30 ；Mo0.15 ~0.35 ；A1 ≤ 0.010 ；Ti0.01 ~0.10 ；B0.001~0.008 ；;其餘為Fe和不可避免的雜質。
[0014]所述鋼板是帶狀組織控制在0.5級以下的高純淨控軋鋼板，其金相顯微組織為針狀鐵素體，組織均勻，晶粒度為12級或更細。
[0015]所述鋼板銑邊的工藝為雙銑邊工藝，先粗銑I型坡口，然後精銑X型坡口，精銑邊後上坡口角度70°~110°、下坡口角度60°~90°，鈍邊高6~8_。
[0016]所述內焊的工藝為:採用三絲埋弧自動焊在鋼管內側坡口進行焊接，內焊的第一號焊絲採用直流反接，第二號焊絲、第三號焊絲採用交流；第一號焊絲電流900±100A，電壓33±1V ;第二號焊絲電流750±50A，電壓35±1V ;第三號焊絲電流650±50A，電壓37±1V ;焊接速度為1.6~1.8m / min。
[0017]所述外焊的工藝為:採用三絲埋弧自動焊在鋼管外側坡口進行焊接，外焊的第一號焊絲採用直流反接，第二號焊絲、第三號焊絲採用交流；第一號焊絲電流1150±150A，電壓33±1V ;第二號焊絲電流900±100A，電壓36±1V ;第三號焊絲電流600± 100A，電壓39±1V ;焊接速度為1.6~L 8m / min。
[0018]通過以上方案，開發出一種高強度X80MS鋼級耐硫化氫腐蝕直縫埋弧焊管，其製造工藝技術包括以下步驟:
[0019]I)鋼板銑邊:根據鋼管設計的直徑和厚度選取鋼板，銑邊後外焊坡口角度70°~110°、下坡口角度60°~90°，鈍邊高度6~8mm;，以獲得精確的鋼板寬度和坡口形狀；
[0020]2)鋼板預彎；進料臺架將鋼板傳輸到彎邊工位，通過上下模的擠壓使鋼板變形達到成型工藝設計弧度要求；
[0021]3)鋼板JCO成型；對不同壁厚，不同管徑的鋼管，根據現場彈復量試驗分析，先將鋼板一邊用成型機折彎，使鋼板變為「 J」形，再將其另外一邊對稱折彎，鋼板截面變成「C」形，最後將鋼板從鋼板中部壓成「O」形，通過合理設定衝壓次數與衝壓量，確保鋼管成型後具有良好的圓度和低的殘餘應力。
[0022]4)預焊:預焊採用MAG焊接方法，對管坯進行連續焊接完成合縫工序；
[0023]5)內焊:採用三絲埋弧自動焊在鋼管內側坡口進行焊接，內焊的一號焊絲採用直流反接，以保證有足夠的熔深。第二、第三絲採用交流，以保證焊縫的填充及焊道美觀；
[0024]6)外焊:採用三絲埋弧自動焊在鋼管外側坡口進行焊接，外焊工序的工藝為:採用三絲埋弧自動焊在鋼管內側坡口進行焊接，外焊接的一號焊絲採用直流反接，以保證有足夠的熔深。第二、第三絲採用交流，以保證焊縫的填充及焊道美觀；
[0025]7)焊絲採用專用高韌性耐硫化氫腐蝕焊絲；
[0026]8)焊劑採用鹼性焊劑；
[0027]9)第一次X射線檢查和超聲波檢查:對焊縫及熱影響區進行檢測；
[0028]10)機械擴徑:成型、焊接後鋼管進行全長擴徑，擴徑率為0.6~1.4% ;
[0029]11)水壓試驗:對擴徑後的鋼管進行水壓試驗；
[0030]12)管端坡口加工:按照要求尺寸在鋼管兩端加工坡口 ；
[0031]13)第二次X射線檢查和超聲波檢查:對焊縫及熱影響區進行檢測；
[0032]14)外觀尺寸檢查:根據要求對鋼管外觀尺寸進行測量。
[0033]採用以上工藝步驟的技術原理如下:
[0034]原料:用於製造焊管的鋼板採用超低C、低Mn成分設計，採用高純淨冶煉技術和夾雜物變性處理技術，嚴格控制P、S雜質元素含量，其中對S雜質含量控制到0.002以下，從而大大降低MnS等夾雜物含量，使得板材組織均勻，純淨度高，帶狀偏析少。添加一定量的Cr.Mo等合金元素，降低材料中元素偏析、帶狀組織等內部缺陷，減少氫原子聚集形核質點，提高板材的抗H2S腐蝕能力，添加一定量Nb、Ti微合金元素，細化晶粒，確保板材具有高的強韌性。
[0035]銑邊:特別設計的坡口尺寸可以優化焊接過程中材料的熔合比，控制焊縫成分與熱影響區性能，並最終保證焊接接頭部位的硬度不超過標準要求。同時優選的銑邊工序是保證板卷在焊接過程中能夠焊透，並提高焊接速度，改善焊縫形貌，儘量減小焊接線能量，降低焊接殘餘應力和焊接熱輸入對焊縫組織和性能的影響，提高焊縫性能。 [0036]鋼板預彎:鋼板在輥道上對中後，進料臺架將鋼板傳輸到彎邊工位，預彎後鋼板直邊寬度小於板厚，通過上下模的擠壓使鋼板變形達到成型工藝設計弧度要求。
[0037]JCO低應力控制:為了減少JCO成型應力，並使JCO成型應力在管體周向更加分散，壓制過程通過優化壓制工藝，採用較小的步長，減少壓下量。首先根據成型鋼管設計尺寸調整成型機模具，先將鋼板一邊用成型機折彎，使鋼板變為「 J」形，再將其另外一邊對稱折彎，鋼板截面變成「C」形，最後將鋼板從鋼板中部壓成「O」形。其中，衝壓次數，成型機步長和衝壓量根據鋼管尺寸設計。壓第一根頭兩步用較小壓下量，成型曲率不夠時再逐漸增加壓下量將鋼管壓至理想曲率，從而有效控制周向殘餘應力。
[0038]內外精焊:焊接參數的選擇，充分考慮三絲焊中各絲的作用，調節各絲的電流、電壓、伸長率、角度和絲間距，確保焊縫的熔深和良好的焊縫形貌，在合理的範圍內儘量選擇低的熱輸入，確保焊縫具有良好韌性。
[0039]採用新研發的耐硫化氫腐蝕焊絲，通過添加Mo、T1、B來彌補焊縫強度，同時又提高耐蝕性。Mo是最有效的耐H2S腐蝕元素，可和S—起彌散析出，Mo2C也是S的陷阱。T1、B的聯合作用促進焊縫中細小針狀鐵素體的形成，確保焊縫具有耐硫化氫腐蝕能力和強韌性。
[0040]採用鹼性耐硫化氫腐蝕焊劑，配合專用焊絲，可以達到更好的焊縫性能。普通管線鋼焊劑選用的是普通原料，P、S雜質元素多，而耐硫化氫腐蝕焊劑選用都是高純淨度原料，焊劑中的P、s含量等雜質都比較低，所以焊接過程中過渡到焊縫中的P、S含量低，也減少了氫的聚集點，增強了焊縫的耐HIC和SSCC能力。對原料經過配比後進行焊接，開發出的焊劑脫渣性、穩弧性、成型性及脫氣性等都很優良。
[0041]焊縫低硬度控制:為提高高強度X80MS直縫埋弧焊管抗SSCC能力，在焊接過程中需對焊縫硬度進行嚴格控制，硬度控制主要從焊接材料與焊接工藝兩個方面進行。耐硫化氫腐蝕焊材中都儘可能降低Mn、Si及合金等含量，避免這些元素在焊接過程中過多過渡到焊縫中，引起焊縫硬度升高。根據板厚，調節焊接過程中各絲的電流、電壓、伸長率、角度和絲間距，將t8 / 5控制在18~25s範圍內，可減少粗大的淬硬組織的形成。
[0042]擴徑工藝:根據成型後鋼管的尺寸和形狀，確定最佳的擴徑工藝，釋放母材和焊縫中應力，減小應力集中，預防SSCC發生，並確保鋼管擴徑後尺寸、形狀和性能滿足要求。
[0043]水壓試驗:進行水壓試驗，檢驗鋼管的強度及嚴密性，進一步釋放應力。
[0044]本發明的有益效果在於:本發明的X80直縫埋弧焊管具備了良好的強度、韌性、焊接性、延性和耐蝕性,滿足酸性環境油氣的高壓大流量輸送要求。
【具體實施方式】:
[0045]實施例1: Φ813X 15.3mmX80MS鋼級耐硫化氫腐蝕直縫埋弧焊管制造
[0046]I)原料[0047]採用壁厚為15.3mm的X80MS鋼板，其化學成分分析如下表1:
[0048]表1X8OMS化學成分分析)
[0049]
【權利要求】
1.一種抗硫化氫應力腐蝕的X80級直縫埋弧焊管，包括焊縫和焊管管體，其特徵在於:所述焊管管體由以下質量百分比的元素組成:c ( 0.04，S1:0.20~0.40，Mnl.20~1.80，P ≤ 0.008，S ≤ 0.002，Ni0.10 ~0.30，Cr ( 0.15，Cu ( 0.15，Nb0.01 ~0.10，Ti0.01 ~.0.10，Mo0.10 ~0.30，A10.04 ~0.10, B ^ 0.0005，Ca ( 0.002，其餘為鐵和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的X80級直縫埋弧焊管，其特徵在於:所述焊管由鋼板製成，鋼板是帶狀組織控制在0.5級以下的高純淨控軋鋼板，鋼板的金相顯微組織為針狀鐵素體，組織均勻，晶粒度為12級或更細。
3.如權利要求1所述的X80級直縫埋弧焊管，其特徵在於，所述鋼管焊縫由以下質量百分比的元素組成:C0.02 ~0.08 ；Si0.2 ~0.5 ；Mn0.8 ~1.6 ;P ≤ 0.015 ；S ( 0.005 ；Cr ( 0.30 ；Mo0.15 ~0.35 ；A1 ( 0.010 ；Ti0.01 ~0.10 ；B0.001 ~0.008 ；;其餘為 Fe 和不可避免的雜質。
4.如權利要求1所述的X80級直縫埋弧焊管的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟:鋼板銑邊、板邊預彎、鋼管JCO成型、預焊、內焊、外焊、去應力擴徑，水壓試驗、倒稜、坡口加工、X射線檢查、超聲波檢查、磁粉檢查、在線噴標和成品檢查。
5.如權利要求4所述的製造方法，其特徵在於:所述鋼板銑邊的工藝為雙銑邊工藝，先粗銑I型坡口，然後精銑X型坡口，精銑邊後上坡口角度70°~110°、下坡口角度60°~.90° ,純邊高6~8mm。
6.如權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述內焊的工藝為:採用三絲埋弧自動焊在鋼管內側坡口進行焊接，內焊的第一號焊絲採用直流反接，第二號焊絲、第三號焊絲採用交流；第一號焊絲電流900±100A，電壓33±1V ;第二號焊絲電流750±50A，電壓.35±1V;第三號焊絲電流650±50A，電壓37±1V;焊接速度為1.6~1.8m / min。
7.如權利要求4所述的製造方法，其特徵在於，所述外焊的工藝為:採用三絲埋弧自動焊在鋼管外側坡口進行焊接，外焊的第一號焊絲採用直流反接，第二號焊絲、第三號焊絲採用交流；第一號焊絲電流1150±150A，電壓33±1V;第二號焊絲電流900±100A，電壓.36±1V ;第三號焊絲電流600±100A，電壓39±1V ;焊接速度為1.6~1.8m / min。
【文檔編號】C22C38/54GK103540867SQ201310470053
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月7日 優先權日:2013年10月7日
【發明者】畢宗嶽, 牛輝, 張萬鵬, 張錦剛, 劉海璋, 黃曉輝, 趙紅波, 牛愛軍, 張君, 陳長青, 劉斌, 包志剛, 楊軍 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司