技術領域：
本發(fā)明涉及石油管材技術領域，具體涉及一種螺旋成型x80鋼級隔水管主管及其制造方法。
背景技術：
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隨著人類對能源需求不斷增大，海洋已經(jīng)成為全球資源開發(fā)的新領域，海洋鉆井隔水管主管是海洋鉆井隔水管系統(tǒng)的一個重要裝備單元，它是連接海底井口與鉆井船的重要部件，技術指標要求較高，尤其是對焊管的幾何尺寸精度提出更高的要求，開發(fā)難度較大，是一種具有高風險、高難度、高技術、高附加值的石油鉆采裝備。
近年來，海洋鉆井隔水管適應海水深度的能力已經(jīng)超過3000米。目前具有海洋鉆井隔水管開發(fā)能力的國家只有美國、挪威、日本、法國等國家，深水鉆井隔水管系統(tǒng)整體設計與分析技術僅被少數(shù)幾個公司所掌握。近年來，我國雖然在海洋鉆井隔水管理論研究方面做了一些工作，在隔水管維修方面積累了一定的經(jīng)驗，但一直未能進入實質(zhì)性的形成產(chǎn)品階段，達到國產(chǎn)化工程應用。
海洋隔水管在深海極端環(huán)境中的穩(wěn)定性失效是其破壞的主要模式，一旦發(fā)生局部壓潰，將誘發(fā)屈曲傳播，導致管線整體失效，后果十分嚴重，因此防止管道壓潰失效是保障深海結構安全所必須要解決的關鍵問題。作為鉆井隔水管主管，為了防止因水壓而導致的塌陷和壓潰，使用小管徑、大壁厚即小徑厚比(d/t)的管線管，并且要求高圓度，且對于管線管的材質(zhì)而言，為了對抗因外壓而在沿管周方向產(chǎn)生的壓縮應力，需要較高的抗壓強度。
2014年公布的公布號為cn103556079a的發(fā)明專利，名稱為一種抗疲勞性能優(yōu)良的高強度隔水管主管及其制造方法，隔水管主管的化學成分為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％，nb0.02～0.06％，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％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)，其碳當量ceq≤0.45％，冷裂紋系數(shù)pcm≤0.23％，并通過jcoe成型制造直縫埋弧海洋隔水管主管，該制造方法與本發(fā)明不同。本發(fā)明采用螺旋成型，相對于該直縫焊管，有非常好的管口橢圓度和端面垂直度，避免了現(xiàn)場環(huán)焊時焊接殘余應力較大的丁字焊縫，降低了產(chǎn)生裂紋的可能性，且螺旋焊管在止裂性能方面優(yōu)于直縫焊管。
2015年公告的公告號為cn103540834b和2016年公告的公告號為cn103484788a的發(fā)明專利，都屬于一步法，都主要包括開卷、矯平、銑邊、成型、內(nèi)焊、外焊、定尺切割、管端擴徑、超聲波檢查、x射線檢查、水壓、管端倒棱、成品檢查。本發(fā)明采用兩步法預精焊工藝，將成型與焊接分開，即預焊工藝在焊管機組生產(chǎn)線上完成，內(nèi)外精焊工藝在離線的精焊臺架上采用多絲焊完成，從而提高成型精度，消除了在成型焊接時對焊縫的拉應力，避免了焊縫缺陷，進一步提高了管體的幾何尺寸和生產(chǎn)效率。本發(fā)明采用高剛性強力成型器，通過優(yōu)化三輥彎板機構的輥型、輥距和布置方式、外控輥的結構，使得小管徑、大壁厚螺旋焊管結構應力低，幾何尺寸穩(wěn)定。
技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種螺旋成型x80鋼級隔水管主管及其制造方法，本發(fā)明的隔水管主管的管徑為ф533.4mm，壁厚為25.4mm，隔水管主管管體橫向及縱向屈服強度≥555mpa，抗拉強度≥625mpa，管體橫向及縱向屈強比≤0.90，焊接接頭抗拉強度≥625mpa，在0℃及以下管體橫向落錘平均剪切面積≥85，單值剪切面積≥75％，0℃及以下管體及焊接接頭處的裂紋尖端張開位移ctod特征值δm≥0.254mm，管體及焊接接頭最大硬度值鎮(zhèn)260≥hv10，壁厚不均度≤5.5％，橢圓度≤0.3％，直線度≤0.05％，且在模擬海水外壓情況下管體無失穩(wěn)凹陷或壓潰現(xiàn)象。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為一種螺旋成型x80鋼級隔水管主管，所述隔水管主管的化學成分為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％，其碳當量ceq≤0.45％，cepcm≤0.22％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，所述隔水管主管以熱軋卷板為原料，主要組織是針狀鐵素體十貝氏體的復合細晶組織。
上述螺旋成型x80鋼級隔水管主管的制造方法，包括：開卷、矯平、銑邊、預彎、成型、預焊、切割、內(nèi)焊、外焊、超聲波檢查、x射線檢查、管端擴徑、水壓、管端倒棱、成品檢查。
1)矯平：卷板開卷后首先進行初矯平，再對卷板頭部進行剪切對焊后，進行二次精矯平，為控制厚壁小直徑螺旋焊管管體幾何尺寸精度打下基礎。
2)卷板銑邊：根據(jù)焊管設計的小直徑和大壁厚選取卷板，盡量減少卷板的月牙彎，銑邊后內(nèi)外焊坡口角度均為60°～65°、鈍邊高度10～12mm，以消除合縫后產(chǎn)生的“內(nèi)緊外松”現(xiàn)象，獲得有利于小徑厚比成型咬合的坡口形狀，確保后序焊接時候兩邊緣端面平齊，保證厚板焊縫熔透。
3)螺旋成型：采用高剛性強力成型器，要求主電機功率較高，通過優(yōu)化三輥彎板機構的輥型、輥距和布置方式，根據(jù)大壁厚卷板實物屈服強度水平，采用外控成型方式，通過調(diào)整1#、3#輥包角，主要調(diào)整2#輥壓下量2.5～3mm，同時調(diào)整內(nèi)外輥間距和角度，消除成型過程中的撅嘴，盡量減少錯邊量，確保小直徑和大壁厚焊管成型后具有較好的橢圓度和較低的殘余應力，有效控制螺旋埋弧焊管橢圓度超標。
4)預焊：采用二氧化碳氣體保護焊對螺旋成型的卷筒進行預焊。
5)切割：對預焊完的螺旋焊管進行定尺切割。
6)內(nèi)焊：內(nèi)焊的工藝為：第一號焊絲采用直流反接，焊絲直徑
7)外焊：外焊的工藝為：第一號焊絲采用直流反接，焊絲直徑
8)水壓試驗：采用應力為100％最小屈服強度進行靜水壓試驗，確保管體和焊縫不但具有x80鋼級的強度，并且水壓能控制小直徑、大壁厚管體幾何尺寸精度要求，水壓后，也使隔水管主管具有較低的殘余應力。
9)x射線檢查和超聲波檢查：對焊接接頭和管母進行檢測。
10)管端坡口加工：按照要求尺寸在鋼管兩端加工坡口。
11)外觀尺寸檢查：根據(jù)要求對鋼管外觀幾何尺寸精度進行測量。
本發(fā)明的有益效果：
1、本發(fā)明通過對海洋隔水管主管管材的合金成分設計及顯微組織控制，使卷板主要組織被控制為針狀鐵素體十貝氏體的復合細晶組織，確保管材具有高強度、高韌性、耐腐蝕和可焊性好等特性，保證小直徑和大壁厚卷板制管后焊管管體及焊接接頭對強度、韌性、抗疲勞性及耐腐蝕性能等的要求。
2、本發(fā)明通過預精焊兩步法對海洋隔水管主管螺旋成型方式的控制，有效地解決了成型和焊接之間的相互干擾問題。采用高剛性強力成型器，調(diào)整2#輥壓下量2.5～3mm，保證小徑厚比(d/t)螺旋焊管具備足夠壓力而成型，且保證管體和管端幾何尺寸精度符合要求；銑邊后內(nèi)外焊x坡口角度各為60°、鈍邊高度11mm，保證厚壁板卷在焊接過程中能夠焊透，防止咬邊，并改善焊縫形貌。通過減小焊接線能量，降低焊接接頭殘余應力和焊接熱輸入，提高焊縫組織性能。
3、本發(fā)明通過對海洋隔水管主管焊接工藝的控制，采用一種高ni新型焊絲，成功提高了x80鋼級隔水管主管焊縫的低溫韌性和焊縫強度，降低焊管焊縫的低溫脆化轉變溫度，優(yōu)選的內(nèi)外焊工藝確保焊縫的強度和韌性滿足要求。焊接參數(shù)的選擇，充分考慮雙絲焊中各絲的作用，調(diào)節(jié)各絲的電流、電壓、伸長率、角度和絲間距，確保焊縫的熔深和良好的焊縫形貌，依據(jù)25.4mm板厚，外焊一號焊絲直徑選擇
4、對擴徑后的x80海洋隔水管主管進行100％最小屈服強度靜水壓試驗，保壓時間15s，使焊管成型后具有良好的圓度，且具有一定的低殘余應力。
具體實施方式：
實施例：x80鋼級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鋼級1140×25.4mm鋼卷，其卷板化學成分分析如下表：
表1x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管化學成分分析(wt％)
表2海洋隔水管用高ni焊絲化學成分分析(wt％)
2)銑邊：銑邊后上坡口角度60°、下坡口角度60°，鈍邊高度11mm。
3)成型；根據(jù)卷板實物屈服強度水平，采用外控成型方式，精密測量控制各成型輥的位置與角度，調(diào)整轉盤角度為45°50＇，內(nèi)輥角度為45°5＇，外輥角度為45°45＇，合理調(diào)整2#輥壓下量2.5～3mm，測量管環(huán)彈復量為-20mm，確保小直徑和大壁厚即小徑厚比(d/t)螺旋焊管成型后具有良好的圓度和低的殘余應力。
4)預焊及切割：采用二氧化碳氣體保護焊進行預焊，然后按照訂貨條件對螺旋焊管進行定尺切割約12米；
5)內(nèi)焊：第一號焊絲采用直流反接，電流1350a，電壓36v；第二號焊絲采用交流，電流640a，電壓38v；焊絲均采用高ni新型焊絲；焊接速度為1.30m/min。
6)外焊：外焊的工藝為：第一號焊絲采用直流反接，電流1400a，電壓34v；第二號焊絲采用交流，電流600a，電壓36v；焊絲均采用高ni新型焊絲；焊接速度為1.30m/min。
7)水壓試驗：對擴徑后的鋼管進行100％最小屈服強度靜水壓試驗，保壓時間15s。
8)管端坡口加工：對管端進行加工，上坡口角度為10°，下坡口角度為30°，鈍邊為1.0±0.5mm。
9)超聲波檢驗：對焊縫及熱影響區(qū)進行100％超聲波檢測，用于檢測擴徑、水壓產(chǎn)生的缺陷。
10)x射線檢查：對鋼管內(nèi)外焊縫進行100％的工業(yè)電視檢查和管端拍片，用于檢測管段擴徑、水壓產(chǎn)生的缺陷。
11)外觀尺寸檢查：根據(jù)要求對螺旋焊管外觀幾何尺寸精度進行測量。
12)由表3可見，x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管強度達到x80鋼級水平，強度適中。由表4可見，采用的高ni新型焊絲，通過焊接工藝參數(shù)進一步優(yōu)化，成功提高了x80鋼級隔水管主管焊縫的低溫韌性，焊接接頭50％fatt低溫韌性轉變溫度達到-40℃，新型焊材與大壁厚小口徑高強度螺旋焊管用管線鋼協(xié)調(diào)發(fā)展。由表5～表8可見，管體和焊接接頭硬度低，抗疲勞和耐酸能力都比較強。由表9可見，管體和焊接接頭在海水中作業(yè)時具備一定抗壓潰能力。
焊管主要性能檢測如下：
1)橫向拉伸性能。
表3x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管橫向拉伸及彎曲試驗結果
2)夏比沖擊韌性、dwtt及彎曲試驗結果。
表4x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管沖擊、dwtt及彎曲試驗結果
3)焊接接頭維氏硬度。
表5x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管母材、焊縫和熱影響區(qū)維氏硬度
(hv10)
4)裂紋尖端張開位移(ctod)試驗結果。
表6x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管ctod(0℃)
5)外觀尺寸檢測結果。
表7x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管外觀尺寸
6)抗腐蝕性能檢測結果。
表8x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管抗腐蝕測試結果
7)抗壓潰性能測試結果。
表9x80ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管外觀尺寸抗壓潰性能
由此可見，本螺旋焊管實物的主要性能檢測結果和x80鋼級ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管的主要性能要求對比，利用本發(fā)明的技術制造的x80鋼級ф533×25.4mm螺旋成型海洋隔水管主管，具有高強度、高韌性、抗壓強度高，耐腐蝕性優(yōu)異等特性，可適用于海洋勘探鉆采作業(yè)。