论文部分内容阅读
1 海底用管线钢管及其焊材
1.1 深水用管线钢的概况与发展趋势
海底管道在国外发展很快，自1954年美国在墨西哥湾覆设世界第一条海底管道以来，北海、黑海、地中海、巴西等海洋油气田被相继发现和开发，全世界海底管道工程得到蓬勃发展。目前世界最长的海底管道是挪威至英国的朗格勒得北海管道，总长度1 200 km，管径1 016 mm，壁厚34.1 mm，材质X70，最大工作压力25 MPa，最大水深1 000 m。目前世界最深海底管道是美国墨西哥湾东部湾的独立管道，水深为2 454 m，其管径为610 mm，壁厚34.3 mm，材质X65，最大工作压力25 MPa。目前世界深水管道的典型水深为2 500 m，正面临3 000 m及以上深度的挑战。
中国拥有300万平方千米的海洋面积，油气资源储量丰富，仅南海海域探明的油气储量达到220亿桶当量，是墨西哥湾的两倍。政府开始加大海洋油气资源的开发力度，在“十二五”发展纲要中，明确提出要重点扶持海洋装备制造产业，并出台了一系列扶持政策。与此相适应的南海荔湾3-1项目已于2009年启动，预计2014年竣工投产，总投资规模100亿美元。该气田水深为1 410 m（最深），海底管道分深水和浅水两段，钢管均已完成供货任务，其中浅水段265 km由珠江钢管有限公司和国内其他两家管厂共同完成供货，而深水段150 km由珠江钢管公司独家完成供货，这也是国内制管企业第一次提供1 500 m深海用海底管线。深海段管径为559 mm，壁厚22～27 mm（弯管用母管壁厚31.8 mm），材质X65，最大工作压力29.4 MPa，年运行时间350天，使用年限50年。
1.2 深海管线钢管的特点
海底管道与陆地管道有很大差异，海底管道除了考虑管道正常运行中承受的工作载荷外，还需考虑管道铺设过程中承受的拉伸屈曲应力和铺设完成后的残余应力，以及运行过程中环境载荷对管道的影响，如外水压力、风、海浪、暗流、地震等对管道造成的平移和振动。为满足应变设计需求，使钢管获得最大的临界应变屈曲能力，要求钢管具有足够小的D/t（即径厚比），因此小直径和大壁厚是深海管线钢管的主要特点。海水深度与管径的关系如表1所示。由表1可以看出，随水深的增加，要求的径厚比减小。
为适应海底管道的安装要求和服役条件，海底管线在成分设计和性能方面要求更为严格。主要特点有：①具有高的形变强化指数和均匀延伸率；②低的屈强比；③优良的纵向拉伸性能；④低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的断口分离和层状撕裂的几率；⑤优异的夏比冲击、落锤撕裂和CTOD性能；⑥优异的 焊接性；⑦严格的尺寸偏差和精度控制。为保证钢管具有上述性能，其化学成分设计特点是：低的碳含量、低的碳当量、低的硫磷含量，其轧制工艺为TMCP。荔湾3-1项目国产钢板的典型化学成分如表2所示，力学性能如表3所示。
从化学成分和力学性能结果看，国产钢板钢质纯净，性能优良，断裂韧性优异，完全可满足深海管线的使用性能。
1.3 深海X65钢管的焊接材料及其焊接
深海管线在前期的试制过程中，采用国内现有的焊接材料有针对性地进行了大量的焊接X65厚壁板的试验研究，结果不能令人满意。表现在：①焊缝中心熔合线的夏比冲击吸收能量偏低，甚至不能够满足标准要求，更不能满足应大于标准规定的二倍的内控标准；②现有焊接材料强度偏低，焊接接头的横向拉伸试验断在焊缝的情况时有发生，不符合标准的要求。因此有必要开发一种性能更高、更稳定的新型焊丝，绝对保证焊缝接头具有足够的低温冲击韧性和断裂韧性以及足够的焊缝抗拉强度，为此珠江钢管与猴王焊材进行了共同开发，并取得成功。
南海荔湾深海钢管的焊接要求如下：
（1）焊接接头的低温韧性：试验温度为-20 ℃，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm时，焊缝中心、FL，FL+2，FL+5的单个最小值≥38 J，平均值≥45 J。内控标准加倍，即：最小值≥80 J，平均值≥90 J。
（2）焊缝的低温断裂韧性：试验温度为-10 ℃时，CTOD值≥0.2 mm。
（3）焊接接头横向抗拉强度：Rm ≥535 MPa，且不允许断在焊缝中心，即要求焊缝的抗拉强度必须大于母材的抗拉强度。从前面数据看出，X65母材的抗拉强度一般在600～620 MPa，为保证接头断于母材，焊材熔敷金属的抗拉强度应在630～660 MPa之间（即匹配系数为1.05～1.10为佳）。
1.3.1 焊丝成分设计思路
目前在制管行业主要使用二种合金化思路的高强高韧性焊丝，效果都比较好，已应用了10多年。一种是以H08C为代表的Mn-Mo-Ti-B合金化方式，另一种则是以H08D为代表的Mn-Ni-Ti-B合金化方式，这二种焊丝各有千秋，就熔敷金属性能而言，H08C的强度更强，H08D的韧性则更高。新型焊丝成分设计立足于二者的优点，将采用Mn-Mo-Ni-Ti-B的新合金成分体系，适当提高Mn，Mo含量以提高抗拉强度，添加适量Ni元素以提高焊缝韧性，降低P，S含量，以稳定焊缝力学性能和改善焊缝的抗裂性能。其合金化元素作用如下：
（1）C：C含量对焊缝的强韧塑性及其组织均有较大的影响，不宜过高或过低。C含量过高，将会使焊缝的韧性和塑性迅速下降，甚至引起焊缝开裂，C含量过低，将影响焊缝强度，一般含量在0.04%～0.10%。
（2）Si：加入一定的Si可以使焊缝金属镇静，加快熔池金属的脱氧过程，保证焊缝的致密性，同时也可提高焊缝的强度。但过量的Si含量，容易形成硅酸盐夹杂，还易出现硅裂。
（3）Mn：焊缝强韧化的有效元素。Mn可以细化晶粒，提高焊缝的低温冲击韧性，并有脱氧脱硫作用；另由于降碳会引起强度下降，所以加入Mn的同时会弥补所失去的强度。 （4）Mo： 焊缝中含有一定量的Mo元素有利于提高焊缝中针状铁素体的含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝的强韧性。
（5）Ni：有助于提高焊缝金属的韧性，降低韧脆转变温度。此外，Ni还能有效地阻止Cu的热脆性引起的网裂，并能有显著提高钢和焊缝的耐腐蚀性能。
（6）Ti：焊接时Ti可与N和O结合形成TiN或TiO质点作为晶核，在焊接加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大而细化焊缝奥氏体晶粒，同时又可在焊接冷却过程中作为相变核心，形成晶内形核的针状铁素体，使焊缝的韧性提高。但若Ti过量，形成大量的TiC和TiN质点，将使韧性降低。
（7）B：加入微量的B，可明显降低奥氏体晶界的界面能，抑制铁素体从奥氏体晶界上形核，避免不利的魏氏铁素体或网状先共析铁素体形成，因而可使焊缝最大限度地获得韧性较高的晶内针状铁素体组织，提高焊缝的韧性。
（8）S，P：焊缝中的主要有害元素，显著降低焊缝金属的低温冲击韧性和塑性，这也是焊缝性能波动的重要原因。为了消除S对焊缝的热脆和P对焊缝冷脆作用，焊丝钢冶炼时应尽量降低S，P的含量，焊缝中S的含量应低于0.003%，P的含量应低于0.012%。
1.3.2 焊缝熔敷金属性能
熔敷金属试验按GB/T12470—2003标准进行，焊丝牌号为MK65HGX-III，匹配的焊剂为SJ102G的氟碱性焊剂。检验结果见表4和表5。熔敷金属性能满足预期要求。
1.3.3 对接试板焊缝性能对比试验
对接采用4丝焊，第1组4根丝全部为新型焊丝，第2组前2根为新型焊丝，后2根为H08DG焊丝。对接试板均为SMYS 450F/X65深海用钢板，壁厚27 mm。试板对接性能结果如表6所示。第1组结果要优于第2组，但二组试验结果均合格，且均有加大的富余。第2组的成本优势明显，故正式生产拟选用第2组匹配。
1.3.4 埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ的应用
以埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ为主和SJ102G焊剂匹配焊接了南海荔湾项目浅海段的钢管6.5万吨。其材质为X65（武钢），管径为φ762 mm，壁厚度为28.6和30.2 mm。
以同样的焊接材料匹配焊接了南海荔湾项目深海段钢管5万吨，其材质为SMYS 450F（POSCO和南钢），管径为φ558.8 mm，管壁厚度分别为31，29，27，26，25.4，24和22.2 mm，深海段弯管250 t，其材质为SMYS 450F（南钢），管径为φ566 mm，壁厚为30.5 mm。
以上所有规格的焊接接头实物质量的低温冲击韧性均大于标准规定的二倍以上。焊缝中心的CTOD值，浅海段和深海段先后进行了15次试验，焊缝实物质量的CTOD值均满足了标准的要求，而且富余量较大。焊接接头的横向拉伸试验全部都断在母材上，试验证明埋弧焊的焊接接头具有高强度、高韧性和高塑性的性能。图1为部分钢管焊缝性能数据分布图。表7为钢管焊缝CTOD试验结果。
2 关于焊接材料标准的二点建议
2.1 关于S，P含量的问题
通过近10年的发展，中国的冶金和轧钢技术有了长足的进步，国内重点钢厂企业建立了现代化炼钢流程和现代化TMCP轧钢工艺。铁水几乎100%实现了预处理，80%实施了炉外精炼工艺，极大地提高了钢材的纯净度，匹配现代TMCP轧制工艺，实现了当代板材高强度、高韧性和良好焊接性的统一。例如：现在普通的热轧板杂质含量可控制S≤0.010%，P≤0.020%；普通低合金高强板可控制S≤0.005%，P≤0.015%；X80，X90管线钢S≤0.001 5%，P≤0.010%；抗HIC钢板S≤0.001%，P≤0.008%。然而现在的焊缝性能已经明显落后于钢板性能，焊缝性能不稳定，波动大，其主要原因之一，就是焊接材料中S，P偏高，焊接材料实物质量虽然可满足现行焊接材料标准的最低要求，但已难满足用户实际生产需要。现行的焊丝标准S，P大都≤0.030%或≤0.035%，而焊剂更离谱，S≤0.06%，P≤0.08%，作为焊接材料使用单位完全无法接受。建议新修订标准时应进行适当修正，以满足和规范国内焊接材料市场。
2.2 关于ASME牌号焊接材料的问题
现行焊接材料国家标准和国际标准接轨力度较弱，基本在国内采购不到完全符合ASME标准的国产焊丝，低合金钢焊丝表现尤为明显，总是有个别元素对不上，致使公司接国外订单时麻烦重重，评定工作量加多不少，因此建议在修订标准时适当加以考虑。
3 结束语
（1）南海1 500 m深海管线的开发成功，开创了中国制造的SAWL焊管适用于深海管线的先河，这是国内企业向深海进军的里程碑。
（2）开发高端产品，需要走联合开发的路子，例如企业与企业联合、企业与研究院（所）联合。深海管线项目的成功开发，就是一个很好的范例。
（3）现行焊接材料国家标准应进行适当修订，以满足用户的需求。
黎剑峰简介： 1970年出生，本科学历，总焊接师；主要从事钢管的制管工艺和新产品开发工作； lijf@pck.com.cn 。
1.1 深水用管线钢的概况与发展趋势
海底管道在国外发展很快，自1954年美国在墨西哥湾覆设世界第一条海底管道以来，北海、黑海、地中海、巴西等海洋油气田被相继发现和开发，全世界海底管道工程得到蓬勃发展。目前世界最长的海底管道是挪威至英国的朗格勒得北海管道，总长度1 200 km，管径1 016 mm，壁厚34.1 mm，材质X70，最大工作压力25 MPa，最大水深1 000 m。目前世界最深海底管道是美国墨西哥湾东部湾的独立管道，水深为2 454 m，其管径为610 mm，壁厚34.3 mm，材质X65，最大工作压力25 MPa。目前世界深水管道的典型水深为2 500 m，正面临3 000 m及以上深度的挑战。
中国拥有300万平方千米的海洋面积，油气资源储量丰富，仅南海海域探明的油气储量达到220亿桶当量，是墨西哥湾的两倍。政府开始加大海洋油气资源的开发力度，在“十二五”发展纲要中，明确提出要重点扶持海洋装备制造产业，并出台了一系列扶持政策。与此相适应的南海荔湾3-1项目已于2009年启动，预计2014年竣工投产，总投资规模100亿美元。该气田水深为1 410 m（最深），海底管道分深水和浅水两段，钢管均已完成供货任务，其中浅水段265 km由珠江钢管有限公司和国内其他两家管厂共同完成供货，而深水段150 km由珠江钢管公司独家完成供货，这也是国内制管企业第一次提供1 500 m深海用海底管线。深海段管径为559 mm，壁厚22～27 mm（弯管用母管壁厚31.8 mm），材质X65，最大工作压力29.4 MPa，年运行时间350天，使用年限50年。
1.2 深海管线钢管的特点
海底管道与陆地管道有很大差异，海底管道除了考虑管道正常运行中承受的工作载荷外，还需考虑管道铺设过程中承受的拉伸屈曲应力和铺设完成后的残余应力，以及运行过程中环境载荷对管道的影响，如外水压力、风、海浪、暗流、地震等对管道造成的平移和振动。为满足应变设计需求，使钢管获得最大的临界应变屈曲能力，要求钢管具有足够小的D/t（即径厚比），因此小直径和大壁厚是深海管线钢管的主要特点。海水深度与管径的关系如表1所示。由表1可以看出，随水深的增加，要求的径厚比减小。
为适应海底管道的安装要求和服役条件，海底管线在成分设计和性能方面要求更为严格。主要特点有：①具有高的形变强化指数和均匀延伸率；②低的屈强比；③优良的纵向拉伸性能；④低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的断口分离和层状撕裂的几率；⑤优异的夏比冲击、落锤撕裂和CTOD性能；⑥优异的 焊接性；⑦严格的尺寸偏差和精度控制。为保证钢管具有上述性能，其化学成分设计特点是：低的碳含量、低的碳当量、低的硫磷含量，其轧制工艺为TMCP。荔湾3-1项目国产钢板的典型化学成分如表2所示，力学性能如表3所示。
从化学成分和力学性能结果看，国产钢板钢质纯净，性能优良，断裂韧性优异，完全可满足深海管线的使用性能。
1.3 深海X65钢管的焊接材料及其焊接
深海管线在前期的试制过程中，采用国内现有的焊接材料有针对性地进行了大量的焊接X65厚壁板的试验研究，结果不能令人满意。表现在：①焊缝中心熔合线的夏比冲击吸收能量偏低，甚至不能够满足标准要求，更不能满足应大于标准规定的二倍的内控标准；②现有焊接材料强度偏低，焊接接头的横向拉伸试验断在焊缝的情况时有发生，不符合标准的要求。因此有必要开发一种性能更高、更稳定的新型焊丝，绝对保证焊缝接头具有足够的低温冲击韧性和断裂韧性以及足够的焊缝抗拉强度，为此珠江钢管与猴王焊材进行了共同开发，并取得成功。
南海荔湾深海钢管的焊接要求如下：
（1）焊接接头的低温韧性：试验温度为-20 ℃，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm时，焊缝中心、FL，FL+2，FL+5的单个最小值≥38 J，平均值≥45 J。内控标准加倍，即：最小值≥80 J，平均值≥90 J。
（2）焊缝的低温断裂韧性：试验温度为-10 ℃时，CTOD值≥0.2 mm。
（3）焊接接头横向抗拉强度：Rm ≥535 MPa，且不允许断在焊缝中心，即要求焊缝的抗拉强度必须大于母材的抗拉强度。从前面数据看出，X65母材的抗拉强度一般在600～620 MPa，为保证接头断于母材，焊材熔敷金属的抗拉强度应在630～660 MPa之间（即匹配系数为1.05～1.10为佳）。
1.3.1 焊丝成分设计思路
目前在制管行业主要使用二种合金化思路的高强高韧性焊丝，效果都比较好，已应用了10多年。一种是以H08C为代表的Mn-Mo-Ti-B合金化方式，另一种则是以H08D为代表的Mn-Ni-Ti-B合金化方式，这二种焊丝各有千秋，就熔敷金属性能而言，H08C的强度更强，H08D的韧性则更高。新型焊丝成分设计立足于二者的优点，将采用Mn-Mo-Ni-Ti-B的新合金成分体系，适当提高Mn，Mo含量以提高抗拉强度，添加适量Ni元素以提高焊缝韧性，降低P，S含量，以稳定焊缝力学性能和改善焊缝的抗裂性能。其合金化元素作用如下：
（1）C：C含量对焊缝的强韧塑性及其组织均有较大的影响，不宜过高或过低。C含量过高，将会使焊缝的韧性和塑性迅速下降，甚至引起焊缝开裂，C含量过低，将影响焊缝强度，一般含量在0.04%～0.10%。
（2）Si：加入一定的Si可以使焊缝金属镇静，加快熔池金属的脱氧过程，保证焊缝的致密性，同时也可提高焊缝的强度。但过量的Si含量，容易形成硅酸盐夹杂，还易出现硅裂。
（3）Mn：焊缝强韧化的有效元素。Mn可以细化晶粒，提高焊缝的低温冲击韧性，并有脱氧脱硫作用；另由于降碳会引起强度下降，所以加入Mn的同时会弥补所失去的强度。 （4）Mo： 焊缝中含有一定量的Mo元素有利于提高焊缝中针状铁素体的含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝的强韧性。
（5）Ni：有助于提高焊缝金属的韧性，降低韧脆转变温度。此外，Ni还能有效地阻止Cu的热脆性引起的网裂，并能有显著提高钢和焊缝的耐腐蚀性能。
（6）Ti：焊接时Ti可与N和O结合形成TiN或TiO质点作为晶核，在焊接加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大而细化焊缝奥氏体晶粒，同时又可在焊接冷却过程中作为相变核心，形成晶内形核的针状铁素体，使焊缝的韧性提高。但若Ti过量，形成大量的TiC和TiN质点，将使韧性降低。
（7）B：加入微量的B，可明显降低奥氏体晶界的界面能，抑制铁素体从奥氏体晶界上形核，避免不利的魏氏铁素体或网状先共析铁素体形成，因而可使焊缝最大限度地获得韧性较高的晶内针状铁素体组织，提高焊缝的韧性。
（8）S，P：焊缝中的主要有害元素，显著降低焊缝金属的低温冲击韧性和塑性，这也是焊缝性能波动的重要原因。为了消除S对焊缝的热脆和P对焊缝冷脆作用，焊丝钢冶炼时应尽量降低S，P的含量，焊缝中S的含量应低于0.003%，P的含量应低于0.012%。
1.3.2 焊缝熔敷金属性能
熔敷金属试验按GB/T12470—2003标准进行，焊丝牌号为MK65HGX-III，匹配的焊剂为SJ102G的氟碱性焊剂。检验结果见表4和表5。熔敷金属性能满足预期要求。
1.3.3 对接试板焊缝性能对比试验
对接采用4丝焊，第1组4根丝全部为新型焊丝，第2组前2根为新型焊丝，后2根为H08DG焊丝。对接试板均为SMYS 450F/X65深海用钢板，壁厚27 mm。试板对接性能结果如表6所示。第1组结果要优于第2组，但二组试验结果均合格，且均有加大的富余。第2组的成本优势明显，故正式生产拟选用第2组匹配。
1.3.4 埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ的应用
以埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ为主和SJ102G焊剂匹配焊接了南海荔湾项目浅海段的钢管6.5万吨。其材质为X65（武钢），管径为φ762 mm，壁厚度为28.6和30.2 mm。
以同样的焊接材料匹配焊接了南海荔湾项目深海段钢管5万吨，其材质为SMYS 450F（POSCO和南钢），管径为φ558.8 mm，管壁厚度分别为31，29，27，26，25.4，24和22.2 mm，深海段弯管250 t，其材质为SMYS 450F（南钢），管径为φ566 mm，壁厚为30.5 mm。
以上所有规格的焊接接头实物质量的低温冲击韧性均大于标准规定的二倍以上。焊缝中心的CTOD值，浅海段和深海段先后进行了15次试验，焊缝实物质量的CTOD值均满足了标准的要求，而且富余量较大。焊接接头的横向拉伸试验全部都断在母材上，试验证明埋弧焊的焊接接头具有高强度、高韧性和高塑性的性能。图1为部分钢管焊缝性能数据分布图。表7为钢管焊缝CTOD试验结果。
2 关于焊接材料标准的二点建议
2.1 关于S，P含量的问题
通过近10年的发展，中国的冶金和轧钢技术有了长足的进步，国内重点钢厂企业建立了现代化炼钢流程和现代化TMCP轧钢工艺。铁水几乎100%实现了预处理，80%实施了炉外精炼工艺，极大地提高了钢材的纯净度，匹配现代TMCP轧制工艺，实现了当代板材高强度、高韧性和良好焊接性的统一。例如：现在普通的热轧板杂质含量可控制S≤0.010%，P≤0.020%；普通低合金高强板可控制S≤0.005%，P≤0.015%；X80，X90管线钢S≤0.001 5%，P≤0.010%；抗HIC钢板S≤0.001%，P≤0.008%。然而现在的焊缝性能已经明显落后于钢板性能，焊缝性能不稳定，波动大，其主要原因之一，就是焊接材料中S，P偏高，焊接材料实物质量虽然可满足现行焊接材料标准的最低要求，但已难满足用户实际生产需要。现行的焊丝标准S，P大都≤0.030%或≤0.035%，而焊剂更离谱，S≤0.06%，P≤0.08%，作为焊接材料使用单位完全无法接受。建议新修订标准时应进行适当修正，以满足和规范国内焊接材料市场。
2.2 关于ASME牌号焊接材料的问题
现行焊接材料国家标准和国际标准接轨力度较弱，基本在国内采购不到完全符合ASME标准的国产焊丝，低合金钢焊丝表现尤为明显，总是有个别元素对不上，致使公司接国外订单时麻烦重重，评定工作量加多不少，因此建议在修订标准时适当加以考虑。
3 结束语
（1）南海1 500 m深海管线的开发成功，开创了中国制造的SAWL焊管适用于深海管线的先河，这是国内企业向深海进军的里程碑。
（2）开发高端产品，需要走联合开发的路子，例如企业与企业联合、企业与研究院（所）联合。深海管线项目的成功开发，就是一个很好的范例。
（3）现行焊接材料国家标准应进行适当修订，以满足用户的需求。
黎剑峰简介： 1970年出生，本科学历，总焊接师；主要从事钢管的制管工艺和新产品开发工作； lijf@pck.com.cn 。