一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管及其制造方法
阅读：1031发布：2020-09-01
专利汇可以提供一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供的一种 焊缝 质量 优良的厚规格ERW海底管线焊管及其制造方法，所述焊管含有以下质量百分比化学成分为C：0.020％～0.070％、Si：0.2％～0.30％、Mn：1.0％～1.70％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Nb:0.04％～0.06％、Ti:0.010％～0.025％、V:0.020％～0.060％、Mo:0.10％～0.20％、N≤0.008％；其余为Fe及不可避免的夹杂。与 现有技术 相比，本发明获得高强度、高韧性的ERW海底管线焊管，而且，使得X65级海底管线焊缝质量获得了明显的提升，焊缝冲击功提升到300J以上，并稳定保持。，下面是一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管及其制造方法专利的具体信息内容。
1.一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，其特征在于，所述焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管含有以下质量百分比化学成分为：C：0.020％～0.070％、Si：0.2％～
0.30％、Mn：1.0％～1.70％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Nb:0.04％～0.06％、Ti:0.010％～0.025％、V:0.020％～0.060％、Mo:0.10％～0.20％、N≤0.008％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
2.一种权利要求1所述的焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：原料检验、开卷对焊、活套储料、钢板铣边、钢管成型、钢管焊接、焊缝热处理、焊缝空冷水冷、钢管定径和钢管探伤。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述钢管焊接：钢管焊接过程中采用氩气保护焊接。
4.根据权利要求2或3所述的制造方法，其特征在于，钢管焊接过程中，焊接功率控制在
1000KW以内，焊接速度控制在7±2m/min。
5.根据权利要求2或3所述的制造方法，其特征在于，钢管焊接过程中，接开口角控制4～7°；挤压量9～11mm。
6.根据权利要求2或5所述的制造方法，其特征在于，钢管焊接过程中，金属流线角控制在70°。
7.根据权利要求2或5所述的制造方法，其特征在于，所述焊缝热处理具体为：采用中频热处理4架温度分别为：1#900±20℃，2#1000±20℃，3#1000±20℃，4#1000±20℃。
8.根据权利要求2或5所述的制造方法，其特征在于，所制造的焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的金相组织为针状铁素体组织，晶粒度等级为10.0～12.0级。
9.根据权利要求2或5所述的制造方法，其特征在于，所制造的焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，0℃焊缝冲击功平均300J以上。
一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管及其制造方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着海底油气资源持续扩大的勘探和开采工作，海底管线的需求量也在逐年增加。出于安全性的考虑，海底管线在具备一定壁厚的基础上兼备良好的强韧性、焊接性以及耐腐蚀性能等指标。ERW制管技术的成型方式和焊接工艺决定了ERW管具有尺寸精度高、壁厚均匀、抗挤毁能力强等优点，焊缝质量是决定钢管服役安全性的关键性指标。
[0003] 厚规格(壁厚≥20mm)ERW海管在焊接过程中，由于其壁厚已经达到了机组的极限，焊接过程中由于开口角大小、挤压量设定、焊缝组织中的夹杂物等都会影响到焊缝质量，特别是冲击性能，如何改善焊接工艺提高焊缝冲击性能是厚规格ERW海底生产过程中的关键技术。
[0004] 专利CN 103526108 B公开了一种SSCC应力腐蚀优良的X70MS的ERW焊管及其制造方法，具体包括对焊、刨边、成型、高频焊接、热处理等工序，针对的X70MS钢管壁厚在8～12.7mm之间，焊接速度达到了20m/min。
[0005] 专利CN 101745731 B公开了一种N80级ERW油井套管的制造方法，其工艺流程包括原料检验、钢管焊接、焊缝热处理，所述的轧制钢卷板的化学成分重量百分比为：C≤0.12％、Mn≤1.85％、S≤0.010％、V+Nb+Ti≤0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述钢管焊接采用高频直缝电阻焊。
[0006] 但是，上述现有技术仍不能满足日益提高的对焊缝性能的要求。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于针对厚规格ERW海底管线存在焊缝冲击性能低的问题，提供一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，是厚规格X65级ERW焊管，且焊缝质量优良。
[0008] 本发明另一目的在于提供一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，本发明采用ERW生产流程，在焊接区域增加了氩气保护装置，保证了厚规格ERW管高质量焊缝，壁厚达到20.6mm的ERW海管焊缝质量优良。
[0009] 本发明具体技术方案如下：
[0010] 本发明提供的一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，所述焊管含有以下质量百分比化学成分为：C：0.020％～0.070％、Si：0.2％～0.30％、Mn：1.0％～1.70％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Nb:0.04％～0.06％、Ti:0.010％～0.025％、V:0.020％～
0.060％、Mo:0.10％～0.20％、N≤0.008％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
0.060％、Mo:0.10％～0.20％、N≤0.008％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
[0011] 上述ERW海底管线焊管板材成分设计原理如下：采用超低C、低Mn、低S、P及添加Nb、Mo等微合金化元素进行板材成分设计。C、Mn含量过高会引起海底管线耐腐蚀性能恶化，控制Mn与Si的用量比，主要是要降低ERW焊接过程中焊缝不可避免的氧化物熔点使其易排出。P、S属于钢中有害元素，优选极低水平。Nb、Ti是固溶强化元素，又是碳氮化物形成元素，可以起到良好的细晶和强化效果，但其含量过高会影响韧性和焊接性，所以Nb元素优选在
0.04％～0.06％，Ti元素优选在0.010％～0.025％。Mo元素可以有效增大材料的淬透性，增加强度和韧性，但是其含量过高不但会增加成本，也会对材料焊接性能有不利影响，所以Mo元素优选在0.10％～0.20％范围。微量的Nb、Ti、V、Mo合金化元素均能够通过细化晶粒并产生沉淀强化作用，其中Mo元素能够提高淬透性，促进上贝氏体的形成，对获得最终的针状铁素体组织有促进作用，Nb元素能够促进析出物的形成，并且在后续焊接过程中，铌原子的析出能够阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，改善焊接性能。
0.04％～0.06％，Ti元素优选在0.010％～0.025％。Mo元素可以有效增大材料的淬透性，增加强度和韧性，但是其含量过高不但会增加成本，也会对材料焊接性能有不利影响，所以Mo元素优选在0.10％～0.20％范围。微量的Nb、Ti、V、Mo合金化元素均能够通过细化晶粒并产生沉淀强化作用，其中Mo元素能够提高淬透性，促进上贝氏体的形成，对获得最终的针状铁素体组织有促进作用，Nb元素能够促进析出物的形成，并且在后续焊接过程中，铌原子的析出能够阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，改善焊接性能。
[0012] 一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，包括以下步骤：原料检验、开卷对焊、活套储料、钢板铣边、钢管成型、钢管焊接、焊缝热处理、焊缝空冷水冷、钢管定径和钢管探伤。
[0013] 进一步的，所述原料检验具体为：对热轧卷进行成分和性能检测。
[0015] 所述活套储料具体为：采用外进内出，下进上出式螺旋活套，长度达2000余米的储料量，可以保证供料，满足焊管的连续化生产。
[0016] 所述钢板铣边：钢带进入成型前，两侧边经铣边机铣至设定宽度，铣边后宽度设定为1884mm，预计单边铣边5～8mm，以满足高质量成型和焊接工艺要求。
[0018] 所述钢管焊接具体为：钢管焊接过程中采用氩气保护焊接，通过输气管连接到集气罐中，输气管平行放置于焊接区上方进行出气，通过氩气保护，抑制焊接区金属氧化。氩气保护：通过输气管道将在集气罐中的氩气均匀的在焊接区上方进行出气，输气管末端均匀分布4个孔，水平放置在焊接区上方，孔眼对着焊接区，进行出气，使得保护气体出气分布均匀，进一步提高了气体保护效果，保证了焊接质量。采用高频焊机对成型后的钢管采用高频直缝电阻焊进行焊接。
[0019] X65级厚规格ERW海底管线的焊接方式采用高频直缝电阻焊，焊接功率控制在1000KW以内，焊接速度控制在7±2m/min，焊接开口角控制4～7°，目标5°焊接开口角设定目标为5°，以便于获得稳定的焊缝质量大开口角的焊缝质量更趋于稳定，但过大的开口角度大大提高了焊接功率，高频焊接设备不能满足，同时焊缝质量下降；挤压量设定在9～11mm，目标值10mm；金属流线角控制在70°左右，大的挤压量提高了焊缝的质量，较大的挤压量有利于夹杂物的挤出，提高焊缝的纯净度也提高了焊缝的质量，较小的挤压量不利于夹杂物的挤出，残留在焊缝中的夹杂物大大影响焊缝的冲击韧性。
[0020] 焊缝热处理：为了保证极限厚度规格的ERW海底管线具备高强度、高韧性，应该对焊缝进行充分热处理，以此改善焊缝及其热影响区内的显微组织。950℃热处理试样中存在细小的铁素体晶粒，而在1050℃热处理试样中存在粗晶粒的贝氏体，大部分的碳化物Nb和Ti在奥氏体中处于不溶状态，奥氏体晶粒在热处理阶段会迅速长大，因此，热处理温度在1050℃以上时，后续冷却过程中会形成粗大的奥氏体，不易选用。为了获得高强度、高韧性的ERW海底管线，中频热处理4架温度分别为：1#900±20℃，2#1000±20℃，3#1000±20℃，
4#1000±20℃。
4#1000±20℃。
[0022] 所述钢管定径具体为：定径段减径量控制在2-4mm，在满足钢管尺寸的要求下尽可能减小减径量，定径机架应均匀分配减径量，减径后保证钢管的管径和椭圆度均匀满足要求。
[0023] 所述钢管探伤具体为：对切完定尺后的钢管焊缝及焊缝上下50mm范围内进行手工探伤，采用N5(φ1.6)标准，探伤不合格钢管做降级处理。
[0024] 本发明制造的焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的金相组织为针状铁素体组织，晶粒度等级为10.0～12.0级。
[0025] 与现有技术相比，本发明通过控制焊管的成分，并且在焊接的过程中，增加氩气保护装置、调整焊缝开口角和焊接挤压量。使本发明生产的焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线的力学性能：横向力学性能：Rt0.5：480～500MPa，Rm：567～655MPa，A50mm：34％～48％；纵向力学性能：Rt0.5：500～530MPa，Rm：550～636MPa，A50mm：34％～48％；0℃，焊缝冲击功平均300J以上。从而使得X65级海底管线焊缝质量获得了明显的提升，焊缝冲击功由之前偶发性的低于50J，大幅提升到300J以上，并稳定保持。附图说明
[0026] 图1为本发明焊接过程中氩气保护示意图；图中1-氩气保护装置、2-挤压辊、3-排辊；
[0027] 图2为本发明实施例1生产的钢金相组织。
具体实施方式
[0028] 实施例1
[0029] 一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，采用壁厚20.6mm的X65MO热轧板卷，所制钢管规格为φ610×20.6mm，其化学成分分析如下：C：0.020％、Si：0.20％、Mn：1.0％、P：0.012％、S：0.0040％、N：0.006％、Nb：0.040％、Ti：0.010％、V：0.02％、Mo：
0.10％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
0.10％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
[0030] 上述焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，包括以下步骤：钢卷经过原料检验、开卷对焊、活套储料、钢板铣边、钢管成型、钢管焊接、焊缝热处理、焊缝空冷水冷、钢管定径和钢管探伤。
[0031] 其中，所述原料检验具体为：对热轧卷进行成分和性能检测。
[0032] 所述开卷对焊具体为：钢带开卷后，经过矫平，将头尾切除，经过埋弧焊方式将前一卷卷尾与后一卷卷头进行对焊，并送入活套。
[0033] 所述活套储料具体为：采用外进内出，下进上出式螺旋活套，长度达2000余米的储料量，可以保证供料，满足焊管的连续化生产。
[0034] 钢卷铣边后控制宽度为1884mm，最大的铣边总宽度≤12mm，焊接功率控制在950KW，焊接速度控制在7m/min，焊接开口角控制5°；挤压量10mm；金属流线角控制在70°。所述钢管焊接过程中采用氩气保护装置1，利用氩气保护焊接，通过输气管连接到集气罐中，输气管平行放置于焊接区上方进行出气，如下图1所示。通过输气管道将在集气罐中的氩气均匀的在焊接区上方进行出气，输气管末端均匀分布4个孔，水平放置在焊接区上方，孔眼对着焊接区，进行出气，使得保护气体出气分布均匀，进一步提高了气体保护效果，保证了焊接质量。焊接开口角是指挤压辊2前管坯两边缘的夹角，本发明通过排辊3调整开口角度为5°。
[0035] 焊缝热处理：为了获得高强度、高韧性的ERW海底管线，应该对焊缝进行充分热处理，以此改善焊缝及其热影响区的显微组织。中频热处理4架温度分别为：1#910℃，2#1010℃，3#1000℃，4#1000℃。
[0036] 热处理后钢管经过空冷和水冷段：经过热处理后的焊缝采用60米空冷段进行空冷，为了保障钢管的几何尺寸不因温度影响过大，焊缝出水冷槽的温度控制在80℃以下。
[0037] 然后经过定径处理，定径段减径量为2mm；
[0038] 最后对钢管焊缝及焊缝上下50mm范围内进行手工探伤，采用N5(φ1.6)标准。
[0039] 通过上述方法制造的厚规格ERW海底管线焊管，随机抽取2个，分别为1#及2#钢管，1#及2#钢管焊缝和焊缝上下50mm以内范围探伤均合格。
[0040] 对1#及2#钢管的拉伸性能检验按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，检验结果见表1所示，冲击性能检验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准，检验结果见表2所示。
[0041] 表1钢管拉伸性能数据表
[0042]
[0043] 表2钢管的冲击性能数据表(0℃)
[0044]
[0045] 实施例2
[0046] 一种焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管，采用壁厚20.6mm的X65MO热轧板卷，所制钢管规格为φ610×20.6mm，其化学成分分析如下：C：0.070％、Si：0.30％、Mn：1.70％、P：0.013％、S：0.0040％、N：0.006％、Nb：0.060％、Ti：0.025％、V：0.06％、Mo：
0.20％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
0.20％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
[0047] 上述焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，包括以下步骤：钢卷经过原料检验、开卷对焊和活套储料，钢卷铣边后控制宽度为1884mm，最大的铣边总宽度≤12mm，焊接功率控制965KW，焊接速度控制在8.5m/min，焊接开口角控制5°；挤压量10mm；金属流线角控制在70°。
[0048] 焊缝中频热处理：为了获得高强度、高韧性的ERW海底管线，应该对焊缝进行充分热处理，以此改善焊缝及其热影响区的显微组织。中频热处理4架温度分别为：1#920℃，2#980℃，3#1010℃，4#1010℃。热处理后钢管经过空冷和水冷段，然后经过定径处理，定径段减径量为3mm，最后对钢管焊缝及焊缝上下50mm范围内进行手工探伤，采用N5(φ1.6)标准。
[0049] 通过上述方法制造的厚规格ERW海底管线焊管，随机抽取2个，分别为1#及2#钢管，1#及2#钢管焊缝和焊缝上下50mm以内范围探伤均合格。
[0050] 对1#及2#钢管的拉伸性能检验按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，检验结果见表3所示，冲击性能检验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准，检验结果见表4所示。
[0051] 表3钢管拉伸性能数据表
[0052]
[0053] 表4钢管的冲击性能数据表(0℃)
[0054]
[0055] 实施例3
[0056] 采用壁厚20.6mm的X65MO热轧板卷，所制钢管规格为φ610×20.6mm，其化学成分分析如下：C：0.060％、Si：0.25％、Mn：1.30％、P：0.014％、S：0.0030％、N：0.007％、Nb：0.045％、Ti：0.020％、V：0.04％、Mo：0.15％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
[0057] 上述焊缝质量优良的厚规格ERW海底管线焊管的制造方法，包括以下步骤：钢卷经过原料检验、开卷对焊和活套储料，钢卷铣边后控制宽度为1884mm，最大的铣边总宽度≤12mm，焊接功率控制980KW，焊接速度控制在8m/min，焊接开口角控制5°；挤压量10mm；金属流线角控制在70°。
[0058] 焊缝中频热处理：为了获得高强度、高韧性的ERW海底管线，应该对焊缝进行充分热处理，以此改善焊缝及其热影响区的显微组织。中频热处理4架温度分别为：1#915℃，2#990℃，3#1020℃，4#1020℃。热处理后钢管经过空冷和水冷段，然后经过定径处理，定径段减径量为3.5mm，最后对钢管焊缝及焊缝上下50mm范围内进行手工探伤，采用N5(φ1.6)标准。
[0059] 通过上述方法制造的厚规格ERW海底管线焊管，随机抽取2个，分别为1#及2#钢管，1#及2#钢管焊缝和焊缝上下50mm以内范围探伤均合格。
[0060] 对1#及2#钢管的拉伸性能检验按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，检验结果见表5所示，冲击性能检验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准，检验结果见表6所示。
[0061] 表5钢管拉伸性能数据表
[0062]
[0063] 表6钢管的冲击性能数据表(0℃)
[0064]
[0065] 本发明生产的厚壁ERW海底管线的金相组织为针状铁素体组织，晶粒度等级为10.0～12.0级，图2为本发明实施例1的金相组织。
[0066] 从表1-表6可以得到，本发明获得高强度、高韧性的ERW海底管线焊管，而且，使得X65级海底管线焊缝质量获得了明显的提升，焊缝冲击功由之前偶发性的低于50J，大幅提升到300J以上，并稳定保持。
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