试验与研究

X80钢级Φ1219 mm弯管局部加热热模拟工艺性能研究

郭有田,陈中均,赵向东,段又天,秦 涛,周 鑫,李晓亮

(四川石油天然气建设工程有限责任公司容器制造厂,成都610000)

摘 要: 为了研究X80钢级Φ1 219 mm×22 mm热煨弯管局部加热工艺的可行性,对X80母管管材进行了分析,采用不同加热工艺参数进行了母管直管段、过渡区和加热区热模拟试验,对比优选出了适合局部加热的工艺参数,确定了“加热温度为1 000℃,回火温度为520℃”的局部加热工艺参数,可满足CDP-S-OGP-PL-016—2014-3《油气管道工程用感应加热弯管技术规格书》的相应要求。

关键词: X80;热煨弯管;局部加热;焊接接头;热模拟;性能

随着国内外油气需求的日益增加,大直径、高钢级油气输送管线建设快速发展。弯管是管道建设的必要组成部分,其生产效率是影响管线建设工程进度的关键因素之一。X80 DN1 200 mm,弯管制造工艺一般采用传统的全程加热方式,即弯管段、直管段均需要经过中频加热,每天仅能生产2~3根弯管,对工程的工期造成了极大的制约,因此进行弯管制造局部加热工艺的探索研究就显得尤为重要。

1 母管化学成分及性能分析

试制选用X80钢级Φ1 219 mm×22 mm双面埋弧直缝焊管(SAWL),采用HP Spect Max直读光谱仪,依据GB/T 4336—2002分别对所取钢管进行化学成分复验分析,分析结果见表1。从表1可以看出,化学分析结果均符合CDP-S-OGPPL-017—2014-3《油气管道工程用感应加热弯管母管技术规格书》的要求。

依照标准ASTM A370—2014对Φ1 219 mm×22 mm母管进行力学性能的复验。制取直径为12.5 mm和原始标距50 mm的棒状试样,焊缝接头选用宽度为38 mm的全尺寸板状试样(焊缝区去余高),棒状和板状试样分别在UTM5305电子万能试验机和SHT4106电液伺服万能试验机上进行拉伸试验。夏比V形缺口冲击试样的尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,在JB-500B冲击试验机上进行-20℃冲击试验。其力学性能见表2和表3。

表1 X80钢级Φ 1 219 mm×22 mm母管的化学成分

表2 X80钢级Φ 1 219 mm×22 mm母管的拉伸性能试验结果

表3 X80钢级Φ 1 219 mm×22 mm母管的夏比冲击试验结果

由表2、表3试验结果可知,本项目选用的两种规格X80钢管的强度、塑性、屈强比均能满足CDP-S-OGP-PL-017—2014-3弯管母管标准要求。X80管线钢是通过控轧控冷得到贝氏体组织,经控轧控冷所得组织中的高密度位错诱导相变强化。轧制是在奥氏体温度范围内进行,所以轧制变形冷却相变后得到相当细小且含有位错亚结构的贝氏体;此外,Ti、Nb的碳氮化物的析出对位错的钉扎作用又起着析出强化的作用。二者的共同作用使X80管线钢强度大大提高。钢中复相组织在数量、形态和分布上的配合保证了X80管线钢的强塑性。

2 局部加热制造弯管工艺特点

感应加热弯管制造工艺主要有3种:①直管段不淬火,弯曲部分淬火;②直管段不淬火,弯曲部分淬火,然后对弯管整体进行回火热处理;③直管段和弯曲部分都淬火,即弯管全长淬火处理, 然后对弯管整体进行回火热处理。

第1种工艺的特点是成本低,但质量较差,普遍用于要求较低的感应加热弯管制造;第2种工艺的特点是弯管整体回火热处理,成本较高,质量较好,但直管段与弯曲部分之间过渡段的组织和性能不均匀;第3种工艺的特点是直管段因淬火而耗能,且出现缩径,并在生产弯管用直缝埋弧焊管时需要调整钢板铣边宽度、角度、预焊机的排辊位置以及埋弧焊接机、探伤机、扩径机、水压机和倒棱机等而影响正常生产,所以难度大,成本高,但是弯管全长的组织和性能均匀,质量优良。

为了节约能源,提高生产效率,保证供货周期,进行局部加热工艺的研究显得尤为重要,通过制定局部加热热模拟工艺方案和热模拟试验,从而确定局部加热工艺的可行性。

3 热模拟弯管工艺试验

通过制定热模拟工艺试验方法,分别对局部加热弯管的3个部分,即直管段,加热段和过渡段分别进行热模拟试验,保证每个部分的性能均满足标准要求。

3.1 直管段热模拟

直管段部位只进行回火热处理模拟,制定X80钢级Φ1 219 mm×22 mm热处理工艺参数,将500 mm长度直管进行热处理,每段模拟管推制500 mm,热处理工艺均选用回火,温度选用520℃和600℃,直管段热模拟试验参数见表4。

对模拟段分别进行取样试验,其拉伸和冲击试验结果见表5、表6和图1、图2。

表4 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管直管段热模拟试验参数

表5 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管直管段热模拟拉伸试验结果

表6 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管直管段热模拟夏比冲击试验结果

图1 直管段拉伸试验结果对比

图2 直管段冲击试验结果对比

从热模拟处理前后管体和焊接接头力学性能试验结果可知,本次试验选用的X80弯管经过两种回火热处理后,拉伸性能均较母管原始状态略有下降,但当回火温度升高至600℃时,屈服强度发生了明显下降,且低于标准要求的555 MPa;而回火温度为520℃时,屈服强度仅下降了60 MPa,仍高于标准CDP-S-OGP-PL-016—2014-3弯管技术规格书下限值的要求。

两组试样冲击性能均低于原始状态,其中600℃回火温度过程中管体、焊缝的冲击功降低较多,而520℃回火过程中焊缝的冲击功下降较少,且热影响区冲击值有所提高。

3.2 加热段及过渡区热模拟

制定Φ1 219 mm×22 mm X80弯曲段热模拟工艺参数,取1 000 mm直管进行推制和热处理模拟,加热段相当于弯管推制过程中的弯曲段,从管端位置起300 mm处开始进行推制,推制长度为500 mm,热处理工艺选用520℃回火,推制温度选用两组对比温度,分别为1 000℃以及1 050℃,加热段及过渡区热模拟试验参数见表7。

对模拟段分别进行取样试验,其拉伸和冲击试验结果见表8、表9、图3和图4所示。

表7 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管加热段及过渡区模拟试验参数

表8 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管加热段及过渡区模拟拉伸试验结果

表9 X80钢级Φ1 219 mm×22 mm母管加热段及过渡区模拟冲击试验结果

图3 加热段及过渡区拉伸试验结果对比

图4 加热段及过渡区冲击试验结果对比

从加热段和过渡区模拟过程中管体和焊接接头力学性能试验结果可知,本次试验选用的X80钢管在经过两种推制温度过程中,推制温度升高时,拉伸性能均较母管原始状态有所增加,管体的延伸率有所下降,说明温度较高时,塑性不足导致其不能满足标准要求,管体的冲击性能均有所下降,尤其是加热段和过渡段的母材冲击性能接近下限值,如母材原始状态冲击功储备不足,极易导致冲击性能不能满足要求。而在推制温度为1 000℃时,拉伸性能有所下降,但均满足要求,有一定的余量,冲击性能较原始状态有所提高。

4 结 论

(1)通过调整局部加热工艺参数,规格为X80 Φ1 219 mm×22 mm的热模拟段弯管的力学性能满足CDP-S-OGP-PL-016—2014-3标准要求,为后续产品局部加热工艺的采用提供了可行性参考。

(2)热模拟温度为1 000℃时,使得未溶元素Nb、V、Ti等的碳氮化合物可通过质点钉扎晶界的机制而显著阻止奥氏体晶粒的长大,且通过520℃回火处理,使得部分位错对消或消失,从而使X80钢级母管模拟段的性能趋好。

(3)创新热模拟试验方式,掌握了钢管的加热性能,为弯管局部加热工艺参数的制定提供了试验依据,试验数据可靠,并且节省成本。

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GUO Youtian,CHEN Zhongjun,ZHAO Xiangdong,DUAN Youtian,QIN Tao,ZHOU Xin,LI Xiaoliang
(Container Factory of Sichuan Oil and Gas Construction Engineering Co.,Ltd., Chengdu 610000,China)

Abstract: In order to study the feasibility of the local heating process of X80 grade Φ1 219 mm×22 mm high steel grade hot-bending bends pipes,the raw materials of X80 steel pipe were analyzed,and the mother pipe straight section,transition zone and heating zone were carried out with different heating process parameters.At the same time,the process parameters suitable for local heating were optimized,and the local heating process parameters of heating temperature 1 000℃and tempering temperature 520℃ were determined,which could meet the corresponding requirements of CDP-S-OGP-PL-016—2014-3 Technical specification of induction bend for oil and gas pipeline.

Key words: X80;hot-bending bends pipes;local heating;welded joints;thermal simulation;performance

Process and Performance of Local Heating Thermal Simulation of X80 Grade Φ1 219 mm Elbow

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.002

文献标识码: A

作者简介: 郭有田(1988—),男,工程师,现工作于四川石油天然气建设工程有限责任公司容器制造厂,主要从事压力容器和弯管生产、工艺、设备技术研究工作。

中图分类号: TG151.1

收稿日期: 2018-04-27

编辑:罗 刚