一种螺旋成型X80钢级隔水管主管及其制造方法

摘要

本发明公开了一种螺旋成型X80钢级隔水管主管，所述隔水管主管的化学成分按照质量百分比为C：≤0.04～0.08％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.55～1.85％，P：≤0.012％，S：≤0.004％，Ni：0.15～0.30％，Cr：0.15～0.30％，Cu：0.10～0.30％，Mo：0.15～0.30％，Nb：0.03～0.06％，V：≤0.06％，Ti：≤0.06％，Al：≤0.04％，其碳当量Ceq≤0.45％，CEpcm≤0.22％，其余为铁和不可避免的杂质；所述隔水管主管以热轧卷板为原料，主要组织是针状铁素体十贝氏体的复合细晶组织。本发明的螺旋成型的X80隔水管主管，不仅强度高、尺寸精度高，而且抗疲劳性能、抗断裂性能以及耐腐蚀性等综合性能优异。

说明书

技术领域：

本发明涉及石油管材技术领域，具体涉及一种螺旋成型X80钢级隔水管主管及其制造方法。

背景技术：

随着人类对能源需求不断增大，海洋已经成为全球资源开发的新领域，海洋钻井隔水管主管是海洋钻井隔水管系统的一个重要装备单元，它是连接海底井口与钻井船的重要部件，技术指标要求较高，尤其是对焊管的几何尺寸精度提出更高的要求，开发难度较大，是一种具有高风险、高难度、高技术、高附加值的石油钻采装备。

近年来，海洋钻井隔水管适应海水深度的能力已经超过3000米。目前具有海洋钻井隔水管开发能力的国家只有美国、挪威、日本、法国等国家，深水钻井隔水管系统整体设计与分析技术仅被少数几个公司所掌握。近年来，我国虽然在海洋钻井隔水管理论研究方面做了一些工作，在隔水管维修方面积累了一定的经验，但一直未能进入实质性的形成产品阶段，达到国产化工程应用。

海洋隔水管在深海极端环境中的稳定性失效是其破坏的主要模式，一旦发生局部压溃，将诱发屈曲传播，导致管线整体失效，后果十分严重，因此防止管道压溃失效是保障深海结构安全所必须要解决的关键问题。作为钻井隔水管主管，为了防止因水压而导致的塌陷和压溃，使用小管径、大壁厚即小径厚比(D/t)的管线管，并且要求高圆度，且对于管线管的材质而言，为了对抗因外压而在沿管周方向产生的压缩应力，需要较高的抗压强度。

2014年公布的公布号为CN103556079A的发明专利，名称为一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法，隔水管主管的化学成分为C：≤0.04～0.08％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.55～1.85％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Ni≤0.30％，Cr≤0.30％，Cu≤0.25％，Mo≤0.25％，Nb 0.02～0.06％，V：≤0.06％，Ti0.008～0.06％，Al0.010～0.04％，N≤0.008％，Al/N≥3，Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％，Nb+V+Ti≤0.12％，余量为铁和不可避免的杂质，其碳当量Ceq≤0.45％，冷裂纹系数Pcm≤0.23％，并通过JCOE成型制造直缝埋弧海洋隔水管主管，该制造方法与本发明不同。本发明采用螺旋成型，相对于该直缝焊管，有非常好的管口椭圆度和端面垂直度，避免了现场环焊时焊接残余应力较大的丁字焊缝，降低了产生裂纹的可能性，且螺旋焊管在止裂性能方面优于直缝焊管。

2015年公告的公告号为CN103540834B和2016年公告的公告号为CN103484788A的发明专利，都属于一步法，都主要包括开卷、矫平、铣边、成型、内焊、外焊、定尺切割、管端扩径、超声波检查、X射线检查、水压、管端倒棱、成品检查。本发明采用两步法预精焊工艺，将成型与焊接分开，即预焊工艺在焊管机组生产线上完成，内外精焊工艺在离线的精焊台架上采用多丝焊完成，从而提高成型精度，消除了在成型焊接时对焊缝的拉应力，避免了焊缝缺陷，进一步提高了管体的几何尺寸和生产效率。本发明采用高刚性强力成型器，通过优化三辊弯板机构的辊型、辊距和布置方式、外控辊的结构，使得小管径、大壁厚螺旋焊管结构应力低，几何尺寸稳定。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种螺旋成型X80钢级隔水管主管及其制造方法，本发明的隔水管主管的管径为Ф533.4mm，壁厚为25.4mm，隔水管主管管体横向及纵向屈服强度≥555MPa，抗拉强度≥625MPa，管体横向及纵向屈强比≤0.90，焊接接头抗拉强度≥625MPa，在0℃及以下管体横向落锤平均剪切面积≥85，单值剪切面积≥75％，0℃及以下管体及焊接接头处的裂纹尖端张开位移CTOD特征值δm≥0.254mm，管体及焊接接头最大硬度值镇260≥HV10，壁厚不均度≤5.5％，椭圆度≤0.3％，直线度≤0.05％，且在模拟海水外压情况下管体无失稳凹陷或压溃现象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种螺旋成型X80钢级隔水管主管，所述隔水管主管的化学成分为C：≤0.04～0.08％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.55～1.85％，P：≤0.012％，S：≤0.004％，Ni：0.15～0.30％，Cr：0.15～0.30％，Cu：0.10～0.30％，Mo：0.15～0.30％，Nb：0.03～0.06％，V：≤0.06％，Ti：≤0.06％，Al：≤0.04％，其碳当量Ceq≤0.45％，CEpcm≤0.22％，其余为铁和不可避免的杂质，所述隔水管主管以热轧卷板为原料，主要组织是针状铁素体十贝氏体的复合细晶组织。

上述螺旋成型X80钢级隔水管主管的制造方法，包括：开卷、矫平、铣边、预弯、成型、预焊、切割、内焊、外焊、超声波检查、X射线检查、管端扩径、水压、管端倒棱、成品检查。

1)矫平：卷板开卷后首先进行初矫平，再对卷板头部进行剪切对焊后，进行二次精矫平，为控制厚壁小直径螺旋焊管管体几何尺寸精度打下基础。

2)卷板铣边：根据焊管设计的小直径和大壁厚选取卷板，尽量减少卷板的月牙弯，铣边后内外焊坡口角度均为60°～65°、钝边高度10～12mm，以消除合缝后产生的“内紧外松”现象，获得有利于小径厚比成型咬合的坡口形状，确保后序焊接时候两边缘端面平齐，保证厚板焊缝熔透。

3)螺旋成型：采用高刚性强力成型器，要求主电机功率较高，通过优化三辊弯板机构的辊型、辊距和布置方式，根据大壁厚卷板实物屈服强度水平，采用外控成型方式，通过调整1#、3#辊包角，主要调整2#辊压下量2.5～3mm，同时调整内外辊间距和角度，消除成型过程中的撅嘴，尽量减少错边量，确保小直径和大壁厚焊管成型后具有较好的椭圆度和较低的残余应力，有效控制螺旋埋弧焊管椭圆度超标。

4)预焊：采用二氧化碳气体保护焊对螺旋成型的卷筒进行预焊。

5)切割：对预焊完的螺旋焊管进行定尺切割。

6)内焊：内焊的工艺为：第一号焊丝采用直流反接，焊丝直径电流1350±200A，电压35±2V；第二号焊丝采用交流，焊丝直径电流600±50A，电压37±2V；焊接速度为1.0～1.5m/min。

7)外焊：外焊的工艺为：第一号焊丝采用直流反接，焊丝直径电流1350±200A，电压34±3V；第二号焊丝采用交流，焊丝直径电流550±50A，电压38±2V；焊接速度为1.0～1.5m/min。

8)水压试验：采用应力为100％最小屈服强度进行静水压试验，确保管体和焊缝不但具有X80钢级的强度，并且水压能控制小直径、大壁厚管体几何尺寸精度要求，水压后，也使隔水管主管具有较低的残余应力。

9)X射线检查和超声波检查：对焊接接头和管母进行检测。

10)管端坡口加工：按照要求尺寸在钢管两端加工坡口。

11)外观尺寸检查：根据要求对钢管外观几何尺寸精度进行测量。

本发明的有益效果：

1、本发明通过对海洋隔水管主管管材的合金成分设计及显微组织控制，使卷板主要组织被控制为针状铁素体十贝氏体的复合细晶组织，确保管材具有高强度、高韧性、耐腐蚀和可焊性好等特性，保证小直径和大壁厚卷板制管后焊管管体及焊接接头对强度、韧性、抗疲劳性及耐腐蚀性能等的要求。

2、本发明通过预精焊两步法对海洋隔水管主管螺旋成型方式的控制，有效地解决了成型和焊接之间的相互干扰问题。采用高刚性强力成型器，调整2#辊压下量2.5～3mm，保证小径厚比(D/t)螺旋焊管具备足够压力而成型，且保证管体和管端几何尺寸精度符合要求；铣边后内外焊X坡口角度各为60°、钝边高度11mm，保证厚壁板卷在焊接过程中能够焊透，防止咬边，并改善焊缝形貌。通过减小焊接线能量，降低焊接接头残余应力和焊接热输入，提高焊缝组织性能。

3、本发明通过对海洋隔水管主管焊接工艺的控制，采用一种高Ni新型焊丝，成功提高了X80钢级隔水管主管焊缝的低温韧性和焊缝强度，降低焊管焊缝的低温脆化转变温度，优选的内外焊工艺确保焊缝的强度和韧性满足要求。焊接参数的选择，充分考虑双丝焊中各丝的作用，调节各丝的电流、电压、伸长率、角度和丝间距，确保焊缝的熔深和良好的焊缝形貌，依据25.4mm板厚，外焊一号焊丝直径选择其余内焊一号、二号焊丝和外焊二号焊丝直径均采用尽量选择低的热输入，确保焊缝具备良好的韧性和适当的硬度。

4、对扩径后的X80海洋隔水管主管进行100％最小屈服强度静水压试验，保压时间15s，使焊管成型后具有良好的圆度，且具有一定的低残余应力。

具体实施方式：

实施例：X80钢级Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管的制造方法。

1)原料：采用X80钢级1140×25.4mm钢卷，其卷板化学成分分析如下表：

表1 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管化学成分分析(wt％)

表2海洋隔水管用高Ni焊丝化学成分分析(wt％)

2)铣边：铣边后上坡口角度60°、下坡口角度60°，钝边高度11mm。

3)成型；根据卷板实物屈服强度水平，采用外控成型方式，精密测量控制各成型辊的位置与角度，调整转盘角度为45°50＇，内辊角度为45°5＇，外辊角度为45°45＇，合理调整2#辊压下量2.5～3mm，测量管环弹复量为-20mm，确保小直径和大壁厚即小径厚比(D/t)螺旋焊管成型后具有良好的圆度和低的残余应力。

4)预焊及切割：采用二氧化碳气体保护焊进行预焊，然后按照订货条件对螺旋焊管进行定尺切割约12米；

5)内焊：第一号焊丝采用直流反接，电流1350A，电压36V；第二号焊丝采用交流，电流640A，电压38V；焊丝均采用高Ni新型焊丝；焊接速度为1.30m/min。

6)外焊：外焊的工艺为：第一号焊丝采用直流反接，电流1400A，电压34V；第二号焊丝采用交流，电流600A，电压36V；焊丝均采用高Ni新型焊丝；焊接速度为1.30m/min。

7)水压试验：对扩径后的钢管进行100％最小屈服强度静水压试验，保压时间15s。

8)管端坡口加工：对管端进行加工，上坡口角度为10°，下坡口角度为30°，钝边为1.0±0.5mm。

9)超声波检验：对焊缝及热影响区进行100％超声波检测，用于检测扩径、水压产生的缺陷。

10)X射线检查：对钢管内外焊缝进行100％的工业电视检查和管端拍片，用于检测管段扩径、水压产生的缺陷。

11)外观尺寸检查：根据要求对螺旋焊管外观几何尺寸精度进行测量。

12)由表3可见，X80Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管强度达到X80钢级水平，强度适中。由表4可见，采用的高Ni新型焊丝，通过焊接工艺参数进一步优化，成功提高了X80钢级隔水管主管焊缝的低温韧性，焊接接头50％FATT低温韧性转变温度达到-40℃，新型焊材与大壁厚小口径高强度螺旋焊管用管线钢协调发展。由表5～表8可见，管体和焊接接头硬度低，抗疲劳和耐酸能力都比较强。由表9可见，管体和焊接接头在海水中作业时具备一定抗压溃能力。

焊管主要性能检测如下：

1)横向拉伸性能。

表3 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管横向拉伸及弯曲试验结果

2)夏比冲击韧性、DWTT及弯曲试验结果。

表4 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管冲击、DWTT及弯曲试验结果

3)焊接接头维氏硬度。

表5 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管母材、焊缝和热影响区维氏硬度

(HV10)

4)裂纹尖端张开位移(CTOD)试验结果。

表6 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管CTOD(0℃)

5)外观尺寸检测结果。

表7 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管外观尺寸

6)抗腐蚀性能检测结果。

表8 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管抗腐蚀测试结果

7)抗压溃性能测试结果。

表9 X80 Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管外观尺寸抗压溃性能

由此可见，本螺旋焊管实物的主要性能检测结果和X80钢级Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管的主要性能要求对比，利用本发明的技术制造的X80钢级Ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管，具有高强度、高韧性、抗压强度高，耐腐蚀性优异等特性，可适用于海洋勘探钻采作业。