X70大管径厚壁海底管线用感应加热弯管工艺参数研究
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[摘 要]针对钢管的力学性能、化学成分等特点，通过调整弯管加热温度、冷却速度、回火温度等关键因素，对海底管线用弯管进行试制，最终确定了优化的弯制工艺参数。
[关键词]海底管线；感应加热弯管；工艺参数；试制；
中图分类号：G3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0256-03
1 前言
在海底输油输气管线的应用中，弯管是其重要组成部分，一般位于导管架立管、海底膨胀弯及登陆处，特殊的位置使弯管的受力较直管段更为复杂。由于国内外海底管道失效案例中有不少是弯管失效，所以弯管的生产及质量控制一直是一个关键问题。尤其对于高强度大管径厚壁弯管的生产，目前国内外尚无成熟的弯制工艺可参考，必须综合考虑可能影响弯管性能的各种因素，制定一套最佳弯制工艺参数。
2 工程概况
我国南海某气田的外输天然气海底管道设计压力为23.6MPa。该项目海底管线为高强度大口径厚壁直缝埋弧焊钢管，材质为API 5L PSL2 x70，规格为Φ762mm×31.8mm。弯管主要位于导管架立管、海底膨胀弯及登陆段，弯曲半径为3810mm。
该项目弯管生产的难点在于：
*本项目没有成熟的热弯工艺可借鉴使用；
*没有单独开发母管材料；
*钢管碳含量仅为0.05%左右，这样钢管热弯后控制强度的难度较大；
*钢管弯制加热时会出现管壁内外部受热不均匀的现象，淬透难度较大；
*钢管壁厚的正公差为1mm，可提供的壁厚富余量较少。
为了生产出满足该项目使用要求的感应加热弯管，必须针对以上难点进行有针对性的热弯工艺试验研究，优化热弯工艺参数。
2 影响弯管性能的因素
2.1 母管的影响
母管的化学成分、机械性能和壁厚等对热弯工艺及弯管性能有很大的直接影响。
（1）化学成分的影响
一般来说，母管化学成分中的Nb是重要的合金元素之一，在弯管感应加热和弯曲过程中能够抑制奥氏体晶粒的长大，有助于提高钢管的韧性，但由于Nb的存在对获得高强度有不利影响，因此还需要添加别的合金元素，如V、Mo、Cr等。
碳的含量也是一个重要的影响因素，碳含量高，淬透性好，有利于获得高强度，但是可焊性和韧性相对较差；碳含量低，钢管淬透性差，弯制后钢管强度可能会降低。
（2）机械性能的影响
母管的机械性能会直接影响热煨弯管的性能。由于母管再次加热后机械性能会发生变化，如果热弯工艺参数控制不当，弯制后强度可能会有较大幅度的降低。如果母管不能提供更多的强度富余量，可能会导致弯管的强度不满足要求。
（3）壁厚的影响
弯管高温加热后需快速水冷，如管壁较厚，加热不均匀会造成管子内壁、中部和外壁的温差较大。同时管壁厚会造成冷却速度慢，钢管淬透性差，这样也会导致弯管弯制后强度降低。
由于弯管在弯制时其外弧侧受拉，壁厚会发生一定减薄。所以母管的壁厚以及如何较好的控制壁厚减薄率也是生产满足要求的弯管的重要因素之一。
2.2 弯制工艺的影响
感应加热弯管是将中频感应圈套在直管上，依靠中频感应电流将直管局部加热到所需温度，立即对加热部位进行弯制，并在弯制后紧接着喷水冷却，随后对弯制成型的弯管进行整体回火处理，提高韧性，消除弯管加工中造成的残余应力，这样生产出来的弯管整体质量比较稳定。
总的说来严格的弯制工艺参数应取决于母管的合金元素含量、力学性能指标、管径和壁厚等参数，只有选用合理的弯制工艺参数，才能使生产出来的弯管满足使用要求。
3 弯管试制
根据本项目母管的性能特征，结合弯管的技术要求和弯制设备的实际情况，弯管弯制工艺参数研究工作由两个厂家（以下简称甲厂和乙厂）来完成。
3.1 弯管性能要求
根据弯管技术规格书要求，弯管性能指标要求如下：
3.2 弯制工艺参数研究
3.2.1 试验材料
甲厂用于弯制工艺参数研究的母管力学性能如下：
乙厂用于弯制工艺参数研究的母管力学性能如下：
根据以上母管的化学成分和力学性能指标，可以看出母管的碳含量非常低（小于0.05%），其他有利于提高弯制后强度的V、Mo、Ni、Nb等合金元素含量也较低。同时母管的屈服强度也刚刚满足标准要求，可提供的强度富余量很少。
3.2.3 研究结果
（1）甲厂研究结果
根据弯管强度结果可以看出：弯制后的各组钢管强度均较原材料有所降低，随着煨制温度的升高，抗拉强度有升高趋势，屈服强度没有明显的变化规律，屈服强度基本在460-480MPa范围内，抗拉强度基本在545-580MPa范围内，均低于标准要求值。
根据冲击韧性结果可以看出，随着温度的升高，冲击韧性略有下降趋势，在焊缝中心和融合线处冲击韧性变化没有规律可循。
根据金相结果可以看出随着温度升高，晶粒度有下降的趋势。
经过对各组弯管进行壁厚测量，发现壁厚减薄率为9-10%。
根据该厂的试制工艺和结果，发现在1100℃时弯管的强度和韧性达到最佳匹配，随着温度升高弯管的韧性会下降，但是强度却没有得到明显改善。
（2）乙厂试制结果
根据弯管强度结果可以看出：弯制后各组钢管强度均较原材料有所降低，随着煨制温度的升高，抗拉强度和屈服强度均呈升高趋势（强度变化曲线参见图1），屈服强度基本在475-500MPa范围内，抗拉强度基本在565-635MPa范围内，部分强度值满足标准要求。
根据冲击韧性结果可以看出，随着加热温度的升高，管体和焊缝处的冲击韧性均明显下降，但是回火温度为600℃时焊缝处的冲击韧性明显高于回火温度为520℃的值（冲击韧性变化曲线参见图2）。
根据金相结果可以看出随着温度升高，晶粒度有下降的趋势。
经过对各组弯制后的弯管进行壁厚测量，发现壁厚减薄率小于8%。
从以上研究结果可以看出该厂的最佳匹配参数为加热温度1150℃，回火温度为600℃。
该厂在确定了弯制温度后，为进一步验证加大冷却能力对加强钢管淬火强化、提高强度的影响，又进行了单因素试验-加强冷却能力试验。该厂将冷却水压力提高至0.26MPa，推进速度降低至25mm/min，发现弯管的屈服强度反而降低，经分析认为：提高水压导致冷却水喷淋到管体表面时向加热带的返水增多，影响了加热效果，而且推进速度降低对弯管强度无明显改善。
3.2.4 结论
*经综合对比，确定了本项目弯管工艺参数如下：
*由于本项目钢管的碳含量较低，强化强度的合金元素含量偏少，钢管的淬透性差，热成型后钢管会损失部分强度；
*钢管壁厚较厚，加热时钢管内壁、外壁、心部温差较大，淬火难度大。采用钢管内外壁同时冷却的方式可以有效的提高钢管的冷却效果，有利于增加弯管的强度，而且对于弯管壁厚减薄率的控制也有明显的效果；
*加热温度的升高有利于提高弯管强度，回火温度的升高有利于提高焊缝处的冲击韧性。
4 补充措施
根据弯制工艺研究的结果，弯管成型后的强度会发生一定的损失，为了保证弯管满足使用要求，本项目进一步采取了如下措施：
（1）进行爆破试验
（2）优化弯管母材的选取
（3）设计校核
5 建议
（1）由于海底管线应用中弯头数量普遍较少，一般来说母管通常选择与干线用管一致。建议在今后的弯管设计时，尤其对于高强度厚壁弯管的使用，应对其母管提出专门的化学成分和力学性能要求，以保证生产出来的弯管各项性能指标满足标准要求。
（2）一般来说热弯工艺参数并不是固定不变的，建议在弯管生产时，根据母管的壁厚、化学成分、力学性能等优化热弯工艺参数，以使弯管的各项性能稳定。
参考文献
[1] 刘迎来，李平全，感应加热弯管的生产技术现状与发展。见：中国石油天然气集团公司管材研究所编：石油管工程应用基础研究论文集。北京：石油工业出版社，2001，181.
[2] 魏寿昆，冶金过程热力学[M]，北京：科学出版社，2010.