一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法，按照质量百分比，隔水管主管的化学成份为C0.04％～0.08％，Si0.15％～0.35％，Mn1.55％～1.85％，P≤0.015％，S≤0.003％，Ni≤0.30％，Cr≤0.30％，Cu≤0.25％，Mo≤0.25％，Nb0.02％～0.060％，V≤0.06％，Ti0.008％～0.06％，Al0.010％～0.040％，N≤0.008％，Al/N≥3，Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％，Nb+V+Ti≤0.12％，其碳当量Ceq≤0.45，冷裂纹系数Pcm≤0.23，显微组织为针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织。本发明的提供了一种具有抗疲劳性能的X80高强度、高尺寸精度隔水管主管，具有塑性、低温韧性，抗断裂性能、耐腐蚀性等综合性能优异的特性。
【专利说明】一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法
【技术领域】:
[0001]本发明属于石油管材领域，涉及一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法，尤其是一种具有良好的抗疲劳性能和低温韧性的高强度、耐腐蚀、高尺寸精度的海洋钻井勘探用X80钢级，管径为Φ 533.4mm,壁厚为25.4mm的海洋隔水管直缝埋弧焊管成型技术及多丝埋弧焊接技术。
【背景技术】:
[0002]钻井隔水管系统是海洋钻井平台上进行钻井的重要装备。海洋钻井隔水管单根是隔水管系统的主体，是一条从海洋钻井平台通往海底防喷器装置的液体输送管道，主要用来隔离外界海水，用于钻井液循环，安装水下Β0Ρ、支撑各种控制管线，以及起到钻杆、钻井工具从钻台到海底井口装置的导向作用，是海上油气开发生产的重要组成部分和关键装备
之一 O
[0003]随着海洋油气资源开发从浅海向深海的延伸，海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等恶劣的海洋服役环境，对深海钻井装备提出了严格的要求，尤其对深海钻井隔水管主管的抗疲劳性能、强度、韧性、抗压溃性及尺寸精度等指标都有着严格的要求。因此，海洋钻井隔水管是一种具有闻风险、闻难度、闻技术、闻附加值的石油钻井装备，技术要求高，开发难度大。
[0004]目前具有海洋钻井隔水管开发能力的国家为数不多，隔水管系统设计与应用技术均被外国垄断，只有美国、挪威、法国、俄罗斯等国家，其它国家和公司还不具备开发能力。深海钻井隔水管技术仅 掌握在美国、挪威、日本等国。我国海洋勘探开发受装备、技术等因素的影响起步较晚，迄今为止，我国在海洋钻井隔水管技术方面仍处于空白，全部依赖进□。
[0005]全球海洋油气开发的重点正逐渐转移到深水区域。走向深水、开发南海也是我国新世纪海洋石油发展的重大战略选择。因此开发具有自主知识产权的深海钻井隔水管，不仅在世界范围内有着广阔的市场前景，对我国海洋油气田开发也具有重要战略意义。
[0006]中国专利200820029879涉及到一个由多个单根隔水管上、下连接组成一个管串，并配套连接其它部件后组成的海洋深水钻井隔水管系统装置。200820211642涉及到一种海洋钻井隔水管全自动快速接头。它包括设置在隔水管上部的母法兰、下部的公法兰、自动卡死装置和辅助管线接头四部分，公法兰与前一节隔水管的母法兰配合，母法兰与后一节隔水管的公法兰配合，自动卡死装置设置在法兰配合处，法兰的边缘附有辅助管线，辅助管线接头设置在辅助管线上。PCT/CN2011/075363涉及到一种用于海洋深水环境使用的钻井隔水管单根与单根之间的连接装置，具体涉及一种旋转型锁块式钻井隔水管连接器。国内专利还未见涉及到隔水管主管的制造工艺方法。
【发明内容】
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[0007]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种具有良好的抗疲劳性能和低温韧性的高强度、耐腐蚀、高尺寸精度的海洋钻井勘探用X80钢级，管径为Φ533.4_，壁厚为25.4mm的海洋隔水管主管及制造方法。
[0008]本发明的目的在于提供一种具有抗疲劳性能、高强度，具有良好的塑性、低温韧性、抗断裂性能、耐腐蚀性等综合性能优异，高尺寸精度的X80钢级深水钻井隔水管主管。通过低碳微合金化成分设计，采用JCO成型技术、多丝埋弧焊接技术及机械扩径技术制造直径为Φ533.4mm，壁厚为25.4mm的X80钢级海洋钻井隔水管直缝埋弧焊钢管。钢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(TC下管体横向落锤平均剪切面积> 85%，单值剪切面积> 75%；在0°C下管体及焊接接头处的裂纹尖端张开位移CTOD特征值δ m > 0.254mm ;管体及焊接接头最大硬度值≤260HV10 ;壁厚不均度≤6.0%，椭圆度≤0.5%，直线度≤0.1 %。
[0009]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是采用如下的具体工艺步骤:
[0010]1、采用TMCP工艺制造的X80热轧钢板，其化学成分(质量百分比)为:C0.04%~0.08%, Si0.15%~0.35%,Mnl.55%~1.85%，P ≤ 0.015%，S ≤ 0.003%，Ni ≤ 0.30%，Cr ( 0.30%, Cu ( 0.25%, Mo ( 0.25%, Nb0.02%~0.060%, V ^ 0.06%, Ti0.008%~0.06 %, A10.010 % ~0.040 %, N ^ 0.008 %, A1/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CeqS 0.45，冷裂纹系数Pcm < 0.23。钢板显微组织为针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织。
[0011]2、焊接引息弧板:在钢板焊接方向的四个直边处焊接引息弧板，将引弧时的焊缝端部和息弧时的弧坑引到焊件外，加强了纵缝末端部位的拘束度，承受末端部位产生的较大的拉伸应力，改善末端部位的磁场分布，减小磁偏吹的程度。
[0012]3、铣边:加工坡口。对厚度为25.4mm的钢板，上下坡口角度均为35°，钝边高度为8.0mm，下坡口高度为10.5mm，铣削后钢板宽度为1577~1583mm。加工坡口的目的是保证焊接过程能完全焊透，避免焊接过程中内部出现未焊透缺陷。
[0013]4、预弯边:利用预弯机进行板边预弯，弯边步长为1800mm，压制力为3.66X IO3KN,根据钢管管径尺寸要求，选用适当模具，使板边具有符合要求的曲率。
[0014]5、JCO成型:在JCO成型机上首先将预弯后的钢板的一半进行多次压制，压成“J”形，再将钢板的另一半同样弯曲，压成“C”形，最后形成开口的“O”形。压制工艺，即压制道次和每道次的压下量根据钢管的尺寸规格确定。对厚度为25.4mm钢板时，压制次数采用13次，步长为100mm，每次压下量在2.0mm~3.0mm。由于钢板的强度高、弹性大，即变形后回弹严重，每道次的压下量应采用过量压下，以保证回弹后达到标准形状，而且尽可能采用较多次数的压制工艺。
[0015]6、合缝及预焊:通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后的钢管的焊接坡口相匹配，保证错边、缝隙尺寸符合要求，并采用大功率混合气体保护焊进行焊接，形成连续、规范、质量稳定的预焊焊缝。
[0016]7、内焊:采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，四丝埋弧自动焊的第一丝为直流反接，第二至四丝为交流。
[0017]Χ80Φ533.4X25.4mm的隔水管直缝埋弧焊管四丝埋弧内焊工艺参数为:第一丝电流1=1000~1100A、电压31~35V，第二丝电流1=850~950A、电压33~37V，第三丝电流1=650~750A、电压35~39V，第四丝电流1=550~650A、电压37~41V ;焊丝间距d=17 ~22mm ;焊接速度 V=130 ~150cm/min。
[0018]8、外焊:采用四丝埋弧焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，采用四丝埋弧自动焊的第一丝为直流反接，第二至四丝为交流。
[0019]Χ80Φ 533.4X25.4mm的隔水管直缝埋弧焊管外焊工艺参数为:第一丝电流1=1150~1250A、电压31~35V，第二丝电流1=950~1050A、电压33~37V，第三丝电流1=850~950A、电压36~40V，第四丝电流1=750~850A、电压U=38~42V ;焊丝间距d=16 ~22mm ;焊接速度 V=130 ~150cm/min。
[0020]上述焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C0.04%~0.08%, Si0.15%~
0.35 %, Mnl.65 % ~1.85 %，P ≤ 0.015 %，S ≤ 0.005 %，Ni ≤ 0.30 %，Cr ≤0.30 %，Cu ^ 0.30 %, Mo ^ 0.30 %, Nb0.02 % ~0.06 %，V0.008 % ~0.060 %，Ti0.008 % ~
0.060 %, A10.010 % ~0.040 %, N ^ 0.008 %, A1/N ≥ 3，Ni+Cu+Mo+Cr ≤ 0.70 %,Nb+V+Ti ( 0.12%，碳当量Ceq为0.41~0.45、冷裂纹系数Pcm为0.16~0.21。焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
[0021]9、超声波检测1:对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。
[0022]10、X射线检查1:采用图像处理系统对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的X射线工业电视检查，保证探伤的灵敏度。
[0023]11、机械扩径:对钢管全长进行0.7%~1.3%扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管内应力的分布状态。
[0024]12、水压试验:对扩径后的钢管逐根进行100%的静水压试验，试验压力为规定最小屈服强度的95%~100%，检查钢管的强度水平以及是否存在泄露点。
[0025]13、倒棱:对检验合格的钢管进行管端坡口加工，达到所需要的管端坡口尺寸。
[0026]14、超声波检验I1:对扩径、水压后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
[0027]15、X射线检查I1:对扩径和水压试验后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查和管端拍片，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
[0028]16、管端磁粉检验:进行管端磁粉检验以发现管端缺陷。
[0029]17、矫直:通过三点弯曲方式进行工序钢管矫直，规范钢管的直线度。
[0030]18、外观质量检查:对钢管外观尺寸和外观质量进行测量和检查，经检查合格的钢管根据用户需要进行防腐和涂层，交用户进行装配。
[0031]由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是:
[0032](I)本发明通过对X80钢级深水钻井隔水管用直缝埋弧焊管用热轧钢板的合金成分设计及显微组织控制，使钢板杂质含量及夹杂物形态得到有效控制，具有高强度、高韧性、高的均匀延伸率、低屈强比及较窄的强度区间，并具有良好的耐腐蚀性能，保证了制管后钢管的各项性能指标要求。
[0033](2)本发明解决了 X80钢级、管径为Φ533.4mm、壁厚为25.4mm的高强度高韧性JCOE直缝埋弧焊管制造中成型控制、焊缝性能、几何精度难以满足技术要求的问题。本发明采用JCO成型，并选择合理的焊接材料和工艺，特别是控制成型、焊接及扩径工艺参数，使焊管性能满足了 X80钢级隔水管主管的性能要求。[0034](3)本发明的关键技术在于JCO成型、焊接及扩径工艺的优化，本发明上述的工艺参数和工艺步骤是经过多次试验取得的。其关键技术主要表现在:
[0035]在成型控制中，由于钢板强度高，弹性大，JCO成型过程中钢板不均匀变形导致局部加工硬化、韧性及均匀延伸率下降的严重问题。本发明是根据钢板板宽、厚度、强度和模具尺寸，精确分析，合理确定压制次数和单道次压下量，使钢管在JCO成型过程中各部分变形均匀、性能稳定。采用过量压下及较多次数的压制工艺，以保证钢板回弹后达到钢管的尺寸要求，使钢管成型后具有良好的圆度。
[0036]在焊接工艺中，首先通过优选焊接材料确保焊缝具有稍高于母材的强度及良好的韧性。为控制焊缝的性能和焊接质量，本发明采用一种四丝串列的焊接方式，内、外焊缝分别分四层连续焊接并一次完成，第一丝为底层，第二丝和第三丝为填充层，第四丝为该面层。其特点是:一是能减少单位长度的热输入，缩小热影响区，使高钢级管线钢焊缝周围的性能达到最优；其二是兼顾了内在质量和外观质量；其三是兼顾了高效率生产和优良质量。
[0037]确定焊接参数时，充分考虑四丝焊中各丝的作用，通过合理设定各丝电流、电压、角度、焊丝间距及焊接速度，使得焊缝获得合适熔透深度和良好的形貌，同时有利于焊接过程中气体及熔渣上浮。在此基础上，为了减小焊接热输入量对焊接热影响区强韧性的影响，对各丝电流、电压及焊丝间距进一步优化，采用较低的热输入，串列四丝埋弧焊的焊丝间距调整为18~22mm，从而避免 热量集中，减小焊接热量对焊缝周围热影响区的影响，保证焊接热影响区的性能。焊缝最终获得以针状铁素体为主的、具有良好强韧性的组织，解决了焊管在焊接过程中局部受热导致强韧性降低的问题。
[0038]在扩径工艺中，根据钢管成型后的尺寸、形状情况，确定最佳扩径工艺，确保钢管扩径后尺寸、形状和理化性能，解决了钢管在机械扩径时由于加工硬化导致强度增加、韧性和均匀延伸率降低的问题。
[0039]通过各工序严格的技术控制，使最终钢管的各项性能完全符合深海用X80钻井隔水管直缝埋弧焊管的各项要求。
【专利附图】
【附图说明】:
[0040]图1为焊接接头硬度检验位置示意图；
[0041]图2为管体母材试样的显微组织形貌(针状铁素体)；
[0042]图3为钢管焊缝处的显微组织形貌(针状铁素体)；
[0043]图4为钢管静水压试验曲线图(最大水压值:32.45MPa，最小水压值:32.08MPa,平均水压值:32.26MPa，持续保压时间:20秒)。
[0044]其中:a为母材；b为热影响区；c为焊缝。
【具体实施方式】:
[0045]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0046]参见图1、图2、图3和图4，本发明的实施例如下: [0047]1.采用厚度为25.4mm的TMCP X80的控轧钢板，其化学成分(质量百分比)为:C0.06%, Si0.21%, Mnl.78%, P0.012%, S0.002%, Ni0.13%, Cr0.13%, Cu0.12%,Mo0.10%, Nb0.04%, V0.004%, Ti0.015%, Al0.03%, B0.0003%, N0.0046%, Al/N=6.52，Ni+Cu+Mo+Cr=0.48%, Nb+V+Ti=0.059%，碳当量 Ceq 为 0.42，冷裂纹系数 Pcm 为 0.18。
[0048]2、焊接引息弧板:在钢板轧制方向的四个直角处各焊接一块引息弧板，在焊接时将引弧时的焊缝端部和息弧时的弧坑引到焊件外，改善末端部位的磁场分布，减小磁偏吹的程度。
[0049]3.铣边:加工坡口。对厚度为25.4mm的钢板，上下坡口角度均为35°，钝边高度为8.0mm,下坡口高度为10.5_。
[0050]4.预弯边:利用预弯机进行板边预弯，根据管径尺寸要求，使板边具有符合要求的曲率。
[0051]5.JCO成型:在JCO成型机上首先将预弯后的钢板的一半经过6道次步进压制，压成“J”形，再将钢板的另一半同样弯曲，压成“C”形，最后在钢板的中间压制一次形成开口的“O”形。整个压制工艺，采用13道次压制成型，每道次压下量为3.0mm。在实际生产中可以根据实际钢管成型情况，适当进行调整。
[0052]6.合缝及预焊:将钢管通过轨道送入合缝预焊机，通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后的钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，并采用气体保护焊进行焊接，形成连续、规范、质量稳定的预焊焊缝。
[0053]7.内焊:采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。内焊焊接工艺参数为:第一丝电流1050A、电压33V，第二丝电流900A、电压35V，第三丝电流700A、电压37V，第四丝电流600A、电压39V，焊丝间距为20_，焊接速度为140cm/min。
`[0054]8.外焊:采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。外焊焊接工艺参数为:第一丝电流1200A、电压33V，第二丝电流1000A、电压35V，第三丝电流900A、电压38V，第四丝电流800A、电压40V，焊丝间距为20_，焊接速度为140cm/min。
[0055]上述焊接工艺中焊缝化学成分的质量百分比为C0.07%，Si0.28%, Mnl.81%,P0.014%, S0.004%, Ni0.089%, Cr0.090%, Cu0.097%, Mo0.26%, Nb0.02%, V0.003%,Ti0.02 %，A10.03 %，N0.0063 %，Al/N=4.76，Ni+Cu+Mo+Cr=0.469 %，Nb+V+Ti=0.043 %，Ceq0.44，Pcm0.20，焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
[0056]9、超声波检测1:对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。
[0057]10、X射线检查1:对焊接后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查。
[0058]11、机械扩径:对钢管全长进行1.2%扩径以提高钢管的尺寸精度，并改善钢管内应力的分布状态。
[0059]12、水压试验:对钢管进行100%的静水压试验，试验压力为32.26Mpa，保压时间大于20s。
[0060]13、倒棱:进行管端加工，加工成符合要求的管端坡口。
[0061]14、超声波检验I1:对扩径、水压后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
[0062]15、X射线检查I1:对扩径和水压试验后的钢管内外焊缝进行100%的工业电视检查和管端拍片，以排除扩径、水压可能产生的缺陷。
[0063]16、管端磁粉检验:对管端进行磁粉检验。
[0064]17、矫直:进行钢管矫直，规范钢管的直线度。
[0065]18、外观质量检查:对钢管外观尺寸和外观质量进行测量和检查，经检查合格的钢管根据用户需要进行防腐、涂层，交用户进行装配。
[0066]表1、表2、表3、表4、表5和表6给出的是本实例的钢管实物的理化性能及外观几何尺寸检测结果，由表中可看出，利用本发明的制造技术制造的X80钢级、管径为Φ533.4mm、壁厚为25.4mm海洋隔水管主管具有良好的抗疲劳性和高的尺寸精度，塑性、韧性及耐腐蚀性等综合性能优异。
[0067]表1钢管拉伸性能试验结果
[0068]
【权利要求】
1.一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管，其特征在于:按照质量百分比，隔水管主管的化学成份为C0.04%~0.08 %, Si0.15%~0.35 %, Mnl.55 %~L 85 %,P ^ 0.015 %, S ^ 0.003 %, Ni ^ 0.30 %, Cr ^ 0.30 %, Cu ^ 0.25 %, Mo ^ 0.25 %,Nb0.02 % ~0.060 %, V ^ 0.06 %, Ti0.008 % ~0.06 %, A10.010 % ~0.040 %，N ≤ 0.008%,A1/N ≥ 3,Ni+Cu+Mo+Cr ^ 0.70%,Nb+V+Ti ( 0.12%，其碳当量 Ceq ≤ 0.45，冷裂纹系数Pcm ≤ 0.23，显微组织为针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织。
2.如权利要求1所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于:包括焊接引息弧板、铣边、预弯边、JCO成型、合缝及预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查、矫直和外观质量检查。
3.如权利要求2所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于，所述钢管是利用JCO成型方式制造X80钢级、管径为Φ533.4mm、壁厚为25.4mm的钢管；首先利用JCO成型机将预弯后的钢板的一半经多次步压制，压制成“J”形，再将钢板的另一半进行相同步进次数压制，压制成“C”形，最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形；采用的压制次数为13次,步长为100mm,每次压下量在2.0mm~3.0mm。
4.如权利要求2所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于:所述机械扩径是对钢管全长进行0.7%~1.3%扩径。
5.如权利要求2所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于:所述内焊采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；内焊工艺参数为:第一丝电流1=1000~1100A、电压31~35V，第二丝电流1=850~950A、电压.33~37V，第三丝电流1=650~750A、电压35~39V，第四丝电流1=550~650A、电压37~.41V ;焊丝间距d=17~22mm ;焊接速度V=130~150cm/min。
6.如权利要求2所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于:所述外焊工序采用四丝埋弧焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；内焊工艺参数为:第一丝电流1=1150~1250A、电压31~35V，第二丝电流1=950~1050A、电压33~37V，第三丝电流1=850~950A、电压36~40V，第四丝电流1=750~850A、电压U=38~42V ;焊丝间距d=16~22mm ;焊接速度V=130~150cm/min。
7.如权利要求2所述高强度隔水管主管的制造方法，其特征在于:所述内焊和外焊中，焊缝化学成分的质量百分比为C0.04%~0.08%, Si0.15%~0.35%,Mnl.65%~1.85%,P ^ 0.015 %, S ^ 0.005 %, Ni ^ 0.30 %, Cr ^ 0.30 %, Cu ^ 0.30 %, Mo ^ 0.30 %,Nb0.02 % ~0.06 %，V0.008 % ~0.060 %，Ti0.008 % ~0.060 %，A10.010 % ~0.040 %，N ≤ 0.008%,A1/N ≥ 3,Ni+Cu+Mo+Cr ≤0.70%,Nb+V+Ti ≤ 0.12%，碳当量 Ceq 为 0.41 ~.0.45、冷裂纹系数Pcm为0.16~0.21,焊缝的显微组织为针状铁素体为主的组织。
【文档编号】C22C38/58GK103556079SQ201310478765
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】毕宗岳, 牛爱军, 牛辉, 张锦刚, 张万鹏, 刘海璋, 黄晓辉, 赵红波, 张君, 刘斌, 陈长青, 杨军, 包志刚 申请人:宝鸡石油钢管有限责任公司