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高强度薄壁输油钢管的试制

文档作者：宋花平崔虹张文国李桂银文档来源：中国人民解放军		点击数：	更新时间： 2021年09月26日
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●应用与开发
高强度薄壁输油钢管的试制
宋花平, 崔　虹, 张文国, 李桂银
(中国人民解放军62025部队, 北京102300)
摘　要: 用于快速装配式输油管线的薄壁输油钢管采用X65管线钢,具有较高的强度安全系
数和良好的刚性,电镀Zn - Ni合金镀层具有较好的耐蚀性。液压爆破试验、交变应力试验、组
合应力试验、实际使用等结果表明,这种高强度薄壁输油钢管具有良好的使用可靠性。
关键词: 薄壁; 钢管; 输油, 可靠性
中图分类号: TG335. 75　文献标识码: B　文章编号: 1001- 3938 (2007) 02 - 0055- 04
　　在地面敷设一种<150mm快速装配式输油
管线,主要依靠人工进行连接,为了减轻作业人员
的劳动强度,应尽量降低输油钢管的单根质量,即
减小输油钢管的壁厚。因此,为了确保设计所要
求的管线输送能力,需要研制高强度薄壁输油钢
管。
1　输油钢管主要技术参数
<150mm快速装配式输油管线用钢管主要技
术参数如下:
(1)钢管外径152mm;
(2)管线工作压力6. 0MPa;
(3)管线接头型式为承插式;
(4)钢管单根长度(不含接头)为5 845mm;
(5)钢管单根质量(不含接头) ≤57 kg;
(6)管线工作环境温度- 41～46 ℃。
2　管材研究
2. 1　强度计算
根据确定的单根钢管长度和质量的限制,按
公式[ 1 ] (1)计算钢管壁厚。
M = 0. 024 661 5 (D -δ)δ, (1)
式中: M —钢管单位长度质量, kg/m;
　D—钢管外经,mm;
　δ—钢管壁厚,mm。
由式(1)计算钢管壁厚最大值为2. 65mm,因
此,求得钢管壁厚与外径之比最大值为0. 017 4。
该钢管属薄壁钢管,能够按最大剪应力理论的壁
厚计算公式[ 2 ] (2)求出管材许用应力。
δ= PD0 /2 (SE - 0. 6P) , (2)
式中: P—设计内压力,MPa;
　D0 —钢管内径(D0 =D - 2δ) ,mm;
　S —材料的许用应力,MPa;
　E—焊接接头系数,管线钢取1. 0。
由式( 2 ) 计算出钢管的最小许用应力为
169. 7MPa。
可以看出,该许用应力值是很低的,实际上,
它仅考虑了强度要求。这种敷设于地面的快速装
配式输油管线需要人工搬运和连接,跌落和磕碰
是难免的,沿公路敷设更应考虑过往车辆可能对
管线的撞击和碾压,所以钢管要具有很好的刚性,
更应着重提高钢管的强度。国内外同类输油钢管
安全系数见表1,我们在设计时取强度安全系数
为2. 5,最低屈服强度为424. 2MPa。根据国内管
材发展趋势,优先选用AP I X65级高强度管线钢,
因其最低屈服强度为448MPa。
2. 2　X65级专用管线钢的技术性能
为了掌握宝钢高强度管线钢技术性能,检验
其薄带钢轧制水平,于1999年订购了50 t厚度为
2. 5mm的X60级管线钢,进行了高频焊接试验和
焊管性能检验,并通过使用检验了薄壁钢管的刚
性。在充分试验的基础上, 与宝钢签订了订购
X65级专用管线钢技术协议,并确定带钢厚度为
2. 6mm。
焊管·第 30卷第 2期 ·2007年 3月 ·55·
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表1　国内外同类输油钢管安全系数
国
家
外径/
mm
壁厚/
mm
工作压
力/MPa
材质
最低屈
服强度/
MPa
安全
系数
单根质
量/kg
(含接头)
美
国
114. 3 1. 9 4. 0
168. 3 2. 7 4. 0
219. 1 2. 7 3. 5
168. 3 4. 78 5. 2
B级钢241
T6063
铝合金
177
2. 0 37. 2
1. 93 77. 1
1. 70 96. 2
1. 93 48. 5
德
国
168. 3 2. 8 6. 4
168. 3 4. 5 10. 0
STE2
360. 7
338
1. 76 72
1. 81 89
俄
罗
斯
102. 0 2. 0 2. 5
152. 0 3. 25 2. 5
102. 0 2. 2 6. 0
152. 0 3. 2 6. 0
219. 0 3. 5 6. 0
10#钢205
16ΓC 350
3. 22 31. 4
3. 51 76
2. 52 36. 2
2. 46 80. 9
1. 86 124
中
国
102. 0 2. 0 2. 5 10#钢205 3. 22 31
159. 0 2. 3 4. 0 X60JY 413 1. 99 56
　　X65级专用管线钢按低碳Mn - Nb - V - Ti
系微合金化成分设计,通过C、Mn元素的固溶强
化,Ni、V、Ti微合金元素的晶粒细化、沉淀等强化
机制,以及先进的控轧控冷工艺获得细晶粒贫珠
光体组织机制,并以微Ti处理工艺改善热影响区
冲击韧性和以低S、低Ca处理工艺提高带钢的横
向冲击韧性等工艺,从而使该钢种具有高强度、高
韧性及良好的焊接性能。目前已进行了5批次,
共3 600 t的带钢轧制和焊管生产。
2. 2. 1　化学成分
宝钢X65级管线钢的熔炼化学成分见表2,
可以看出化学成分均能很好地满足技术条件的要
求。
　　　　　　　　　　　　　　　　　表2　X65级管线钢化学成分%　　　　
项目w (C) w ( Si) w (Mn) w ( P) w ( S) w (Nb) w ( Ti) w (V) Ceq
平均值0. 079 6 0. 234 2 1. 001 1 0. 012 61 0. 003 02 0. 035 5 0. 018 7 0. 039 9 0. 263 4
最大值0. 090 0 0. 260 0 1. 070 0 0. 015 0 0. 004 0 0. 040 0 0. 021 0 0. 043 0 0. 270 0
最小值0. 070 0 0. 210 0 0. 890 0 0. 010 0 0. 001 0 0. 031 0 0. 015 0 0. 036 0 0. 250 0
技术条件≤0. 11 ≤0. 35 ≤1. 40 ≤0. 025 ≤0. 010 ≤0. 060 ≤0. 060 ≤0. 060
　　注:碳当量按Ceq =C +Mn /6 + (Cr +Mo +V) /5 + (Ni +Cu) /15计算[ 3 ]。
2. 2. 2　力学性能
X65级管线钢45°方向拉伸试验结果和横向
夏比冲击试验结果见表3。检验结果表明, X65
级管线钢性能均满足技术条件的要求。
表3　X65级管线钢拉伸试验及夏比冲击试验结果
统计值R t 0. 5 /MPa Rm /MPa R t 0. 5 /Rm
Ak /J
( - 40 ℃)
平均值535 601 0. 88 33. 7
最大值581 628 0. 91 43
最小值488 575 0. 85 30
技术条件≥490 ≥570 ≤0. 92
平均≥30
单个≥23
3　焊接工艺研究
采用高频直缝焊接工艺生产焊管。在直缝焊
管生产中,当直径壁厚比大于50 时,称为“超薄
壁”钢管,这样的钢管在成型时边缘被拉伸很容
易产生皱折,即所谓“起包”而无法对齐焊接,直
径壁厚比越大,“起包”现象越严重。<152mm ×
2. 6mm 薄壁钢管,直径壁厚比达58. 5,且采用
X65级高强度管线钢,屈强比最高达0. 91,成型
时回弹不易控制。我们在<159mm ×2. 5mm薄
壁钢管生产经验的基础上,经过精心设计,采用先
进的“W”成型法,不仅保证了带钢边缘延伸控制
在弹性极限范围内,而且将生产<159mm ×2. 5
mm钢管的12 架成型改为8 架成型,使现有的
173焊管机组能够适应多品种生产。经过反复实
践,确定了如下工艺参数:
焊接速度vmin = 18m /min;
加热温度1 480～1 520 ℃;
顶锻压力2～3 kg/mm2 ;
挤压量2. 0mm;
开口角3°～5°,实际为3. 8°;
采用辊压式去除内毛刺,残留高度不大于
0. 5mm。
4　防腐研究
实践表明,钢铁制品防腐效果的好坏不仅取
决于防腐层性能,还与其大批量生产的工艺有直
接关系。对这种薄壁输油钢管的防腐层来说,既
要有好的防腐性能和理想的抗机械划伤能力,还
要有好的工艺性,即环境污染小,设备不需要进行
大规模技术改造。
在反复调研、样板试验和小批量试生产的基
·56· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月 　
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
础上,我们采用了电镀Zn - Ni合金防腐新技术,
即在钢管外壁电镀具有高耐蚀性、低氢脆性、良好
力学性能和工艺性能的Zn - Ni合金防腐层,保证
耐磕碰和防腐功能;钢管内壁喷涂耐油环氧粉末
涂料,确保输送喷气燃料质量和应有的防腐功能。
4. 1　Zn - Ni合金性能测试
镀层结合力试验结果见表4。镀层厚度测量
执行GB /T4956标准,采用LX - 100测厚仪;附着
强度测试执行GB /T5270标准。
表4　Zn - Ni合金镀层结合力试验结果
w (Ni) /%
镀层厚度/μm
最大值
正面/反面
最小值
正面/反面
镀层结合力
磨擦
抛光
划线
划格
热震
试验
10 13. 0 /10. 0 10. 8 /6. 6
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
10 15. 0 /10. 0 12. 0 /7. 0
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
10 14. 0 /6. 0 11. 4 /6. 0
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
无起皮
无剥落
4. 2　耐蚀性
Zn镀层和Zn - Ni合金镀层耐蚀性能对比结
果见表5。执行GB /T6458标准,试验采用CA101
温度湿度试验箱,试验用盐水质量浓度为3% ,温
度为35 ±2 ℃,喷雾8 h,停喷周期为16 h。由表5
可以看出, Zn - Ni合金镀层的耐蚀性能优于Zn
镀层。
表5　Zn镀层和Zn - Ni合金镀层耐蚀性能试验结果
镀层周期数/个试样变化情况
Zn
(10～15μm)
4 色泽轻微变暗
6 出现不均匀氧化膜
8 腐蚀表面积超过3%
Zn - Ni合金
(10～15μm)
4 无变化
12 轻微变暗
22 无氧化膜和附属物
27 出现锈蚀点超过3%
4. 3　镀层硬度测试
Zn镀层和Zn - Ni合金镀层硬度对比测试结
果见表6。执行GB /T5934 标准,试验采用国产
631型显微硬度计。由表6可以看出, Zn - Ni合
金镀层的硬度要高于Zn镀层。
表6　Zn镀层和Zn - Ni合金镀层
　　　　　　　　　　　硬度试验结果HV　　　
镀层1# 2# 3# 平均硬度
Zn - Ni合金67. 80 62. 20 71. 02 67. 00
Zn 38. 17 32. 45 34. 61 35. 07
5　性能试验
在对输油钢管逐根进行9. 0MPa水压试验的
基础上,还进行了5项使用可靠性试验。
5. 1　液压爆破试验
在常温和- 41 ℃条件下分别进行爆破试验,
通过检查爆口位置和形貌,判断钢管低温韧性。
试样理论爆破压力为18. 1MPa,常温爆破压
力为18. 5～24. 3MPa。- 41 ℃爆破压力为22. 0
MPa,爆破后试样爆口形貌为100%塑性变形,最
大鼓胀直径214mm,鼓胀百分数为29% ,爆口距
离焊缝52mm。试验结果表明,钢管具有较好的
低温韧性。
5. 2　自由悬空试验
从合格钢管中抽取4根6m长钢管,连接在
一起,将连接的管段两端吊起使其自由悬空。以
水为介质,打压6. 0MPa,分别稳压24 h和48 h,检
验高频焊缝和环焊缝是否渗漏。试验过程中没有
发现任何渗漏,拆开检查接头,无损坏。
5. 3　交变压力试验
从合格钢管中抽取8根6m长钢管,连接在
一起,以水为介质,打压6. 0MPa,稳压15 s,泄压
至2. 0MPa,再恢复压力6. 0MPa,在24 h内如此
往复,检验高频焊缝和环焊缝是否渗漏。试验结
果表明,钢管及密封胶圈能够确保密封要求。
5. 4　承插接头拉力试验
为了验证承插接头承受轴向拉力的能力,将
连接好的承插接头用卡具安装在1 000 kN液压拉
力试验机上进行拉力试验。在770 kN的拉力作
用下,钢管管身被拉断,承插接头没有被拉脱和出
现损伤。
5. 5　组合应力试验
为了模拟钢管在实际管线中承受拉力的苛刻
工况,专门制做了带3°偏转角的连接管件。试验
在1 000 kN液压拉力试验机上进行,在管内打压
6. 0MPa、轴向拉力为714. 2 kN 时,堵头<49mm
圆棒被拉断,承插接头没有被拉脱和出现损伤。
5. 6　实际使用情况
对生产的120 km高强度薄壁输油钢管先后
在寒冷的北方和湿热的沿海地区进行了人工装
卸、搬运、连接和输油(水)试验,额定工作压力为
6. 0MPa,最高压力达7. 0MPa,并进行了3根钢管
　第 30卷第 2期　　　　　　　　　　　宋花平等:高强度薄壁输油钢管的试制 ·57·
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的实际悬空试验。部分管线敷设在野外已达6年
之久,防腐层没有出现脱落和锈蚀现象。实际使
用表明,试制的高强度薄壁输油钢管各项性能良
好,达到了预期的设计要求。
6　结　语
采用X65级高强度管线钢试制的<152mm ×
2. 6mm承插式薄壁输油钢管具有较高的强度安
全系数和良好的刚性,电镀Zn - Ni合金镀层具有
较好的耐蚀性。液压爆破试验、交变应力试验、组
合应力试验及实际使用结果表明,这种高强度薄
壁输油钢管具有良好的使用可靠性。
参考文献:
[ 1 ]GB /T9711. 1—1997,石油天然气工业输送钢管交货技
术条件第1部分:A级钢管[ S].
[ 2 ]郑津洋,徐平,方晓偶斌,等译. ASME压力容器设计指
南(第2版) [M ]. 北京:化学工业出版社, 2003.
[ 3 ]AP I 5L, Specification for L ine Pipe[ S].
作者简介:宋花平(1964 - ) ,汉族,高级工程师, 1985年毕
业于中国人民解放军后勤工程学院油料储运专业,一直
从事装配式输油管线研究,先后获得国家科技进步二等
奖1项,军队科技进步一等奖2项,军队科技进步二等奖
2项,实用新型专利3项,申报发明专利2项,于2000年
获得国务院颁发的政府特殊津贴。
收稿日期: 2006 - 11 - 02
专利技术
专利名称:管道自动焊用焊枪距离自动调节装置
专利申请号: 03264511. 2　公开号: CN2649249
申请日: 2003. 06. 18　公开日: 2004. 10. 20
申请人:中国石油天然气集团公司
本实用新型涉及一种管道自动焊用焊枪距离自动调节
装置,与管道全位置自动焊机配合可实现大中管径长输管
线的野外自动化焊接。包括距离传感控制器、步进电机组
件、调整组件、焊枪支架、焊枪,其中步进电机组件包括步进
电机、齿轮、丝杠;调整组件包括螺母、导轨、防护罩;焊枪包
括焊丝。可自动调节焊接过程中焊枪距焊件表面的距离、
自动控制焊丝伸长,保证焊接电弧的平稳、可靠,保证焊接
质量,操作简便。
专利名称:管道内环缝自动焊机多焊头同步驱动机构
专利申请号: 03217441. 1　公开号: CN2626659
申请日: 2003. 05. 23　公开日: 2004. 07. 21
申请人:中国石油天然气管道局
本实用新型涉及一种长输管道焊接设备,尤其是涉及
一种管道内环缝自动焊接设备。这种管道内环缝自动焊机
多焊头同步驱动机构的改进之处在于所述缸杆的悬臂端装
入中间套的中心孔内,中间套由涨紧基盘固定,涨紧基盘固
装在涨紧机构上;在涨紧基盘上设有小支撑轴及支撑轴承,
支撑滑动环,滑动环位于中间套的外侧;所述滑动环的内侧
槽上设有部分齿圈,齿圈与固装在驱动轴上的驱动齿轮啮
合,驱动轴支撑在一侧涨紧基盘上。这种多焊头同步驱动
机构是管道内环缝自动焊机的一个重要组成部分。由于设
有驱动机构,因此能确保内焊机的多个焊头实现焊接旋转
驱动,保证焊接过程顺利进行,从而保证焊接质量,提高焊
接效率。
专利名称: CO2 气体保护焊内缝的钢管焊制设备
专利申请号: 03269951. 4　公开号: CN2638904
申请日: 2003. 09. 18　公开日: 2004. 09. 08
申请人:沧州龙马钢管制造有限公司
提供了一种CO2 气体保护焊内缝的钢管焊制设备。
是由钢管焊机分别连接着外焊机头和CO2 气体保护焊内
缝的微型跟踪长臂式内焊机头。内焊机头是由长臂式内焊
机头主体连接于升降定位联座,在内焊机头主体位于联座
的后部分别装设有焊丝盘和配重块,在内焊机头主体内穿
连着CO2 气输送管、送风管、焊丝穿送管、跟踪器信号线和
电源电缆线,在内焊机头主体的中部设有内装传送焊丝机
构的联节,联节的前部体上装连着焊枪,在焊枪体内穿连着
焊丝,在焊枪焊嘴的焊丝露头后部的同轴线上装有激光跟
踪器及焊缝监控摄象机,并在焊枪焊嘴前部的内焊机头主
体下部装设导向轮。对应钢管焊机的内、外焊机头配制与
之相配套的钢管锁紧拖移车。
专利名称:钢管焊前预热与自动切割两用机运行机构
专利申请号: 03258267. 6　公开号: CN2633496
申请日: 2003. 08. 15　公开日: 2004. 08. 18
申请人:刘连增
本实用新型属于一种用于钢管焊前预热与自动切割两
用机的运行机构,主要特点是在固装在车架上的电机托板
的其中一侧安装有一可使链轮在预紧后进行张紧的链轮张
紧装置,链轮的断开和续接采用一链条连接块。本实用新
型定位和导向精度比较高,安装比较容易,行走速度快,效
率高,切割形成绝对的闭环,提高了预热和切割的质量,构
造简单,成本低,尤其适用于大口径的钢管加工。
(杭情　供稿)
·58· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月 　
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ison of different tensile specimens, effect of different welding consumable matches and different welding heat input on hardness,
strength and toughness of weld joint. Recommendations are given on strength op timization and alloying of steel p late.
Key words:Grade X100; Longitudinal2seam submerged arc welded steel p ipe;manufacture technique; research
Developmen t of LSAW P ipe with X80 Grade
TANG Zi2jin
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200482EA
Abstract: This article introduces development of LSAW p ipe with X80 grade in Shashi steel p ipe mill, series testing and inspec2
tion data shows that all technical indexes can meet requirement of relevant specification.
Key words:X80 grade LSAW p ipe; development; inspection
High2stength and Th inWa ll2th ickness Steel P ipe for O il Tran sm ission
SONG Hua2p ing, CU I Hong, ZHANGWen2guo,L I Gui2yin
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200552EA
Abstract: Thin wall2thickness steel p ipe of X65 grade is app lied into oil transmission p ipeline, and possess high strength security
coefficient and well rigidity, and galvanization Zn - Ni layer also have good anti2corrosion p roperty. Those results of hydraulic &amp;amp;
bursting test, alternative stress test , combination stress test and actual app lication show that the high2strength and thin wall2thick2
ness steel p ipe possess outstand usablity and reliability.
Key words: thin wall2thickness; steel p ipe; oil transmission; reliability
Simula tion the Roll Form ing Process of AHSS
SH I Yong2ling,L IU J i2ying
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200592EA
Abstract:MSC. Marc is used to simulate and analysis the roll forming p rocess of advanced high strengthen steel. The simulation
result is agreed with that in p ractice verywell. Setting up a rollformingmodelwith the same forming sequence, two differentmate2
rialsDP800 and Q235 have been app lied to the model in order to compare their sp ring back angles and deformation energy. The
conclusions of the study indicate that,with the increase of forming angle and compare with Q235, the sp ring2back angles ofDP800
has a marked difference characters, the deformation energy ofDP800 is increased obviously. Sp ringback of simulation is contrasted
with calculation of B ISWASmethod. The results indicate that,B ISWAS equation can not be directly used to calculate the sp ring2
back of roll forming of double phase steel. The changed yield stress S should be considered, a new calculation method should be
developed.
Key words:AHSS; roll forming; FEA; sp ringback; deformation energy; B ISWAS equation
New Type Roller Con tour of Bond ing Pad Roll for SSAW Pipe Un it
L IU Yao2min
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200632EA
Abstract:Roller contour of bonding pad roll for SSAW p ipe unit has a sensitive effect on welded p ipe forming and welding quali2
ty, imp roper roller contourmay result the occurence of defects such as offset and crack of inside2welding. According to the p roce2
dure requirement of India East2West Pipeline Project contracted byBaoji Petroleum Steel Pipe Co. ,LTD, the new type of bonding
pad rollwith comp lex curve roller contour is design, it avoid point and arc touching between the bevel edge of outside welding and
roller surface, also can p revent groove outside welding toe from occurence, at the same time the original p rocedure p roperty of
bonding pad roll is hold, and better quality of welding path is obtained.
Key words: SSAW p ipe unit; boning pad roll; comp lex curve roller contour; groove of outside welding toe; roller contour imp rove2
ment
In troduction of Square and Rectangular Double2welded Seam P ipe Production Process
DU Hong2qing
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200652EA
Abstract: This paper introduces the p roducing and technology characteristics of the square and rectangular double2welded seam
p ipe. And designing of the pass parameters of the cold2bent channel steel. We carried out the manufacture of the double2welded
seam square and rectangular p ipe by it, it is the p racticing and app lication of steel p ipe with heavy in section.
Key words: square and rectangular p ipe; double2welded seams; equilateral channel steel; pass design;welding
Ana lysis on Pa ssDesign of Shelf Post
ZHANGWei2guo
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200692EA
Abstract: It introduces pass disign method of shelf post. Bymeans ofAUTO CAD 2002 design software, pass design of shelf post
is researched and discussed, and p rove that the method basically can meet development demand of new type post and repair re2
quirement of original roller afterweared and teared, and possess the advantage of simp le design, low design and making cost, as
well as convenient forwidely app lication.
　第 30卷第 2期 　　　　　　　　　　　　　　　　英文摘要 ·99·
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