超低溫用高變形能天然氣管線管的開發(fā)

1、超低溫用高變形能天然氣管線管的開發(fā)高宏適1 前言長距離輸送天然氣的管線使用的是UOE鋼管和螺旋焊管。其中在不連續(xù)凍土帶、地震帶和地層滑動帶鋪設的管線多是UOE鋼管。這些地帶地層的變動使鋼管受到塑性變形(見圖 1)。這種塑性變形的典型例子就是不連續(xù)凍土帶地層融化和再凍結引起鋼管彎曲和彎曲復原的變形。 對于在這種環(huán)境下鋪設的鋼管，必須具有一定的變形能，即必須具有在預計的應變條件下保證鋼管完好的允許應變值，這種設計方法叫做基于應變的設計(SBD) 。在 SBD中將彎曲變形、 軸向拉壓變形時的壓縮應變極限。和拉伸應變極限 。納入設計的考慮因素。是發(fā)生壓曲時的應變， 。由環(huán)形焊縫的允許缺陷決定。因此提高

2、鋼管壓縮應變極限是開發(fā)高變形能管線鋼管的首要目標。 。的支配因子是 SS(應力應變 )曲線所代表的鋼管力學性能和環(huán)縫焊接鋼管的形狀不規(guī)整性。在力學性能方面，加工硬化率、塑性各向異性和應變時效對 。的影響最大。在鋼管形狀方面，鋼管長度方向(L 方向 )的形狀不規(guī)整 ( 外徑、壁厚的波動 )、環(huán)縫焊接區(qū)的焊接變形、 環(huán)縫對接錯位等因素對 。的影響最大。為對上述 。的影響因素的影響程度進行定量化評價， 需要開發(fā)用于解析環(huán)縫焊接鋼管彎曲變形行為的高級數(shù)值解析模擬技術。這些技術的成功開發(fā)提高了新日鐵住金產(chǎn)品的可信賴性，成為對客戶技術咨詢的工具，同時也是鋼管材料設計的有利工具。SBD 必須保證在每個管線項

3、目提出的應變條件下，不發(fā)生-焊接區(qū)斷裂和管體壓曲。防止環(huán)縫焊接區(qū)斷裂的重要的設計方法是過匹配。通常，為了防腐蝕對鋼管進行加熱涂裝，這時必須采取措施抑制應變時效引起的鋼管強度升高。鋼管強度的下限值是該鋼級的最小強度，管強度的上限值應小于現(xiàn)場焊接時焊接金屬強度的最小值。因此必須認真研究鋼管的制造方法， 使鋼管的強度滿足上述狹窄的強度范圍。此外， 提高鋼管彎曲變形時的抗壓曲能力的基本方法是鋼管的高均勻伸長率和低屈強比。在鋼管的低溫韌性方面，要求鋼管具有良好的抗裂紋發(fā)生性和抗裂紋傳播性。為使鋼管不發(fā)生脆性斷裂，要求鋼管在極低溫下具有高沖擊值(如夏比沖擊能 )。為此，低碳化和合金元素最佳化是很重要的。另

4、一方面， 由于腐蝕或人為原因，管線一旦發(fā)生損壞，要求鋼管具有良好的止裂特性。良好止裂特性的條件是在-40的低溫下不發(fā)生脆性斷裂，而發(fā)生韌性斷裂。實現(xiàn)這個要求的重要方法是微觀組織的微細化。新日鐵住金為使管線鋼管具有良好的低溫韌性和高變形能、高強度以及均勻壁厚等四項綜合性能，過去在鋼中添加大量的Mo 、 Ni 等稀有高價合金元素，現(xiàn)在開發(fā)出性能好于傳統(tǒng)管線鋼管并節(jié)省合金元素的天然氣用管線鋼管。2 管線鋼管的變形能控制因子和鋼管的設計原則2.1 環(huán)縫焊接鋼管的FEA 模型和變形能預測精度鋼管形狀不規(guī)整模型為進行彎曲時的壓屈解析，需要將鋼管L 方向的形狀不規(guī)整納入FEA 模型。圖2 是直徑 (D)91

5、4mm ×壁厚 (t)19.6mm的 X80UOE鋼管在進行環(huán)縫焊接后的L 方向半徑波動的實測值和模型形狀。鋼管半徑波動由三項構成:第一項是可用正弦波近似表示的UOE 鋼管本身具有的半徑波動b；第二項是基于Timoshenko 彈性理論、管端受到力矩作用使鋼管發(fā)生變形時，環(huán)縫焊接引起的半徑波動g；第三項是環(huán)縫焊接時焊縫對接錯位引起的半徑波動 s。鋼管本身具有按一定周期變化的形狀不規(guī)整性，焊接環(huán)縫附近產(chǎn)生焊接殘余應力引起鋼管徑縮。圖3 是反映環(huán)縫焊接鋼管這種形狀不規(guī)整性的FEA 模型。對鋼管施加操作內(nèi)壓后， 鋼管端部產(chǎn)生彎曲力矩。利用數(shù)值解析方法對鋼管彎曲時的壓曲進行評價，使鋼管本體和

6、鋼管焊接區(qū)的形狀實現(xiàn)了三維模型化。材料模型除了鋼管形狀模型化，鋼管材料特性高精度模型化對于壓縮應變敏感性解析也是很重要的。對于鋼管應特別關注的是，鋼管制造時產(chǎn)生的應變和鋼管出廠后進行加熱耐蝕涂裝引起SS曲線變化的同時產(chǎn)生的塑性各向異性。圖4 是 914D × 19.6t， X80UOE 鋼管 235× 5min加熱耐蝕涂裝前后(as、aged)測定的 SS 曲線。成型狀態(tài) (as)鋼管在長度方向 (L) 和周向 (C) 上都表現(xiàn)出塑性各向異性，并且涂裝加熱后(aged)塑性各向異性有進一步的擴大。涂裝加熱后的 L 方向 SS 曲線呈圓弧狀， C 方向的 SS 曲線出現(xiàn)了屈服

7、伸長，兩個方向的SS 曲線有很大差異。這種L 、 C 方向加工硬化率不同的材料的屈服函數(shù)模型不是通用模型，新日鐵住金開發(fā)出新的模型，研究了強度各向異性對鋼管壓曲特性的影響。2.1.3變形預測精度圖 5是鋼管變形能的實管試驗結果和上述解析模型變形模擬結果。實管試驗鋼管是914D ×19.6t，X80UOE 鋼管， 針對涂裝加熱、 環(huán)縫焊接和原始狀態(tài)，制備了3 個試驗鋼管試樣，采用加拿大C-FER 技術進行試驗。 在管內(nèi)施加水壓， 水壓小于管體屈服內(nèi)壓的72%，在這種狀態(tài)下對鋼管施加彎曲負荷，彎曲力矩達到最大值時的彎曲應變是 bend=e/(2 L/D) 。將 bend 定義為壓縮應變極

8、限c 計算式中的 是彎曲角度， L是測定標距長度， D 是鋼管外徑。環(huán)縫焊接鋼管的焊接環(huán)縫附近發(fā)生局部壓曲，壓曲部位的形狀不規(guī)整情況與鋼管形狀不規(guī)整情況相同，與塑性各向異性FEA 模型的解析結果非常一致。圖 6表示出各鋼管實管試驗得到的 c、使用塑性各向異性函數(shù)的FEA模擬解析結果(ANISO) 和使用 Von Mises 屈服函數(shù)并假定塑性各向同性的解析結果(ISO) 。根據(jù)該圖，在鋼管塑性各向異性條件下， 對各種鋼管都可獲得高精度的 c 預測結果， 但如假定鋼管塑性各向同性，則 c 預測結果偏大。此外，試驗結果還表明，加熱引起的 c 變化很小，帶有環(huán)縫焊接接頭的鋼管， c 約下降 20%。

9、綜上所述，將鋼管形狀不規(guī)整性進行模型化，使用塑性各向異性的屈服函數(shù)，可以對環(huán)縫焊接鋼管的變形能進行高精度預測。利用該技術還可以對變形能影響因子進行解析。2.2鋼管的力學性能對變形能的影響方向力學性能對 c 的影響SBD 使用的鋼管對彎曲負荷時的主應力方向即 L 方向的力學性能有要求。利用 FEA 模型評價了對 c 影響最大的力學性能。圖 7 是 1220D × 32.5t， X60 鋼管在施加 40% 管體屈服內(nèi)壓的負荷時的 c。從商業(yè)生產(chǎn)的 UOE 鋼管中抽取 12 根鋼管的 SS 曲線，繪制出 c 和 Y/T 、 1%/ 5%、 1%/ 2%的相關關系。 在海外的 SBD 項目中

10、使用的是 Y/T 、 1%/ 2%，但在本研究的鋼管使用條件下， 1%/ 5%與 。的相關性最大。原因是壓曲開始時的局部應變達到5%。因此，高變形能管線鋼管開發(fā)的目標是高 1%/ 5%值。2.2.2 C 方向的力學性能對 。的影響涂裝加熱使 L 方向的SS 曲線出現(xiàn)屈服伸長，被認為會導致彎曲變形能下降。因此在鋼管材料開發(fā)時，應在提高加工硬化率的同時，并使SS 曲線圓弧化。但是，關于C 方向SS 曲線產(chǎn)生屈服伸長對 。的影響尚不明確。使用不同時效溫度處理的SS 曲線，利用加工硬化各向同性FEA模型和加工硬化各向異性FEA 模型求出鋼管內(nèi)壓是72%屈服內(nèi)壓條件下的 。，并對兩個模型得到的 。進行比

11、較，圖 8 是比較的結果。圖8 中還有各溫度下的 C 方向屈服伸長 (C-YPE) 。此外， L 方向 SS 曲線都是圓弧形狀。 從圖 8可以看出，加工硬化各向異性FEA 模型求出的 。隨加熱溫度升高而下降，在 200以上時是一定值。但沒有發(fā)現(xiàn)加工硬化各向同性FEA 模型求出的 。隨加熱溫度升高而下降的現(xiàn)象。由此可知，在加工硬化各向同性FEA 模型中， 。和加熱溫度沒有相關關系， 加工硬化各向異性FEA 模型求出的 。與實管試驗結果有很好的一致性，可以判斷， 。下降受到隨溫度升高而升高的C-YPE 的影響。通過以上分析可知， 不僅 L 方向的應力 -應變行為對鋼管的壓曲特性有影響，而且 C方向

12、的應力 -應變行為對鋼管的壓曲特性也有影響。2.2.3 鋼管強度波動對 。的影響在鋼管商業(yè)化生產(chǎn)中，鋼管強度可以在標準規(guī)定范圍內(nèi)波動。因此在鋼管鋪設時，以焊接環(huán)縫為界， 鋼管的強度有所不同。在焊接環(huán)縫附近因焊接產(chǎn)生的形狀不規(guī)整再加上鋼管強度的變化，焊接環(huán)縫附近容易發(fā)生局部壓曲。圖 9 是環(huán)縫焊接鋼管之間屈服強度差 YS 和 。的關系。這是在軸向應變拘束條件下，在小于 72%鋼管屈服內(nèi)壓范圍內(nèi)，改變鋼管內(nèi)壓的解析結果?？梢钥闯觯诟鱾€條件下，YS 越大， 。越小。在高內(nèi)壓下，初始 。越大， s。的降低量也越大。這個結果說明，在對管線進行 SBD 為代表的塑性設計時，不僅要考慮鋼管材料特性，還要考

13、慮鋼管強度的波動。2.3 鋼管形狀不規(guī)整對鋼管變形能影響的定量化解析圖 10 是對762D × 15.8t，X80 鋼管施加72%鋼管屈服內(nèi)壓時各種形狀不規(guī)整性對 。影響的定量化解析結果。解析的基本條件是鋼管之間的屈服強度差YS 為 50MPa。各種形狀不規(guī)整因素( 焊接徑縮 g、鋼管本身不規(guī)整b、焊縫對接錯位s)的疊加作用引起的。下降的最大值是17%，而 YS 為 50MPa 時的 。下降的最大值是28%。由此可知，鋼管間強度的波動對 。的影響大于鋼管的形狀不規(guī)整性的影響。如上所述， 通過鋼管實管試驗和鋼管變形行為的數(shù)值模擬解析，管線鋼管性能的下限值，為安全性更大、可靠性更高的SB

14、D可以得出環(huán)縫焊接 UOE 管線鋪設提供有益的幫助。3 高變形能管線鋼管的開發(fā)根據(jù)上述研究結果，制造高變形能鋼管的關鍵點是 : 1)提高鋼管 L 方向的加工硬化率。2)降低鋼管C 方向的屈服伸長。3)減少鋼管之間的強度波動，即鋼管的窄強度范圍制造。新日鐵住金根據(jù)上述關鍵點，開發(fā)出高變形能管線鋼管。3.1 開發(fā)鋼的設計思想-為保證良好的加工硬化特性，鋼的組織應是鐵素體(軟質(zhì)組織 )和貝氏體 (硬質(zhì)組織 )的雙相組織。為了適用于高寒地區(qū)，應保證 -40低溫韌性， 為此鋼的組織應是平均晶粒直徑小于5 m(ASTM法 )的微細雙相組織。新日鐵住金開發(fā)的高變形能鋼管具有前所未有的3 大特點。第一個特點是

15、不含過去管線鋼管必須添加的Mo ，提高了涂裝加熱后的變形能。一般情況下， 在將鋼管加熱到200以上進行防蝕涂裝時，鋼管會發(fā)生應變時效。鋼中的游離碳越多，應變時效越容易發(fā)生，導致屈強比升高。 由于均勻伸長率降低，變形能下降。 由于無Mo化，鋼中形成了大量的鐵碳化物(滲碳體 )，游離碳顯著減少，提高了變形能。圖11 是無Mo鋼和含Mo 鋼， 1%預應變并經(jīng)240 應變時效處理后屈服強度的增量。無 Mo 鋼應變時效處理后屈服強度的升高受到抑制。圖 12 是無Mo 鋼和含Mo 鋼應變時效前的TEM圖像，可以看出，無 Mo 鋼中的滲碳體析出量大于含Mo 鋼。由于含Mo鋼發(fā)生相變滯留，在冷卻到室溫后會生成

16、馬氏體和未轉(zhuǎn)變的 。本試驗的情況也是一樣，含Mo 鋼中生成馬氏體和未轉(zhuǎn)變的 ，而無Mo 鋼中未生成馬氏體和未轉(zhuǎn)變的，生成了大量的滲碳體。第二個特點是利用獨有的加速冷卻裝置(CLC- )在彌補無Mo 鋼的強度不足的同時，實現(xiàn)高精度均勻冷卻，可將鋼板的強度控制在窄范圍內(nèi)。利用CLC- 冷卻裝置建立了慢冷工藝，對鐵素體和貝氏體的組織分量進行最佳化控制。圖13 是緩慢加速冷卻工藝的示意圖。采用CLC- 冷卻裝置實施緩慢加速冷卻工藝，實現(xiàn)了鋼板強度的窄范圍化(抗拉強度波動范圍在50MP a 以內(nèi) )。第三個特點是為獲得良好的極低溫韌性，優(yōu)化厚板生產(chǎn)工藝、高精度控制均勻加速冷卻，使鋼板的平均晶粒直徑小于3

17、m (ASTM法 )。新日鐵住金利用高精度冷卻工藝可以生產(chǎn) API X60-X100 的無 Mo 、少 Ni 、高變形能管線鋼管。在 X100 鋼管方面，開發(fā)出鐵素體 (軟質(zhì)組織 )和貝氏體 (硬質(zhì)組織 )的基礎上增加可控制的 M-A( 馬氏體 -奧氏體組元 )的多相組織鋼管 (見圖 14)。由于 M-A 組元對焊接熱影響區(qū)的韌性有影響，所以M-A組元分量控制十分重要。3.2 開發(fā)鋼的特性以下介紹為俄羅斯制造的API X60鋼管應變失效前后的力學性能。圖15 是 240應變時效前后的屈強比和均勻伸長率。應變時效前后的屈強比都小于88%，均勻伸長率都大于10%。鋼管 -具有超微細組織，其平均晶粒

18、直徑小于3 m，使鋼管具有良好的40低溫韌性。圖16 是 APIX60 鋼管DWTT( 落錘撕裂試驗)的韌性 -脆性轉(zhuǎn)變溫度。一般來說，保證32mm 厚的厚壁 -鋼管的韌性斷口面積率是很困難的，由于本開發(fā)鋼管具有超微細組織，所以在60低溫下，仍可滿足韌性斷口面積率為85%的要求。3.3 開發(fā)鋼管的實用化情況新日鐵住金開發(fā)出API X60-X100的省合金型天然氣輸送管線鋼管。其中， X60 鋼管于2009 年為俄羅斯制造1.7 萬 t 。X100 鋼管在加拿大鋪設了5km 管線。最近接受了緬甸0.5萬 t API X70 管線鋼管的訂貨，并生產(chǎn)完畢。 4 結語在允許有塑性變形的天然氣輸送管線鋼管的開發(fā)中，有兩項技術不可缺少，一項是在通用鋼管材料的基礎上提高變形能的技術，另一項是證實鋼管性能可信賴性的技術服務。新日鐵住金