管线钢毕业设计文献综述.doc

中国石油大学（华东）本科学位论文开题报告及文献总结文献综述管道运输对于促进石油天然气行业的发展具有重要意义。而发展具有高强度、较高耐蚀性、良好焊接性的管线钢是管道运输的基础。近年油气勘探越来越深入到环境气候恶劣的沙漠及海洋地区，对管线钢的性能提出了更高的要求，并因此开发了一系列具有抗大应变性能的高等级管线钢。然而伴随着管线钢的大量应用，应力腐蚀开裂（SCC）问题日益凸显，每年给石油天然气行业带来巨大经济损失。导致应力腐蚀开裂的最主要因素是材料表面残余拉应力，而超声波表面滚压加工（USRP）作为国内新兴技术能够极大程度的消除表面残余拉应力，并在材料表面引入残余压应力层。因此针对超声表面滚压加工（USRP）对于管线钢残余应力影响的研究就十分必要。实际超声表面滚压加工设备费用较高，测试残余应力方法和步骤也较为繁杂，而通过有限元数值模拟分析研究残余应力被证明是行之有效的方法，因此采用商业软件ABAQUS进一步对USRP过程进行有限元数值模拟是一种更为实用有效的办法。一、 管线钢的发展情况1.1 管线钢发展趋势二十一世纪石油天然气工业飞速发展，管线钢的需求量急剧增加，预计未来10到15年，我国共需各类油气输送干线用钢管约1000104t3。随着海上油气田、极地油气田等腐蚀环境油气田的开发，对管线钢的强疲劳性能、韧性、耐蚀性能、抗断裂性能、焊接性能和强度等性能提出了更高的要求。管线钢的发展在国际上正引起越来越多的重视。随着钢铁冶金技术的进步，微合金成分设计、纯净钢冶炼技术以及TM-CP轧制技术使得高性能管线钢的快速发展成为可能2。如今管线钢的设计和生产流程均采用了先进的计算机控制技术。其发展方向主要有高强度、高韧性管线钢、超纯净管线钢、易焊管线钢和高抗蚀管线钢1。1 高强度、高韧性管线钢主要包括针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢和超细晶粒钢。针状铁素体钢出现于70年代，含碳量低于0.06%，主要成分为C-Mn-Nb-Mo，其组织为针状铁素体，具有较高的屈服强度和抗裂纹扩展性能。超低碳贝氏体钢主要成分为C-Mn-Nb-Mo-B-Ti，组织为完全贝氏体，具有优良的低温韧性和焊接性，屈服强度可达700800MPa。超细晶粒钢的有效晶粒尺寸为13m，具有较强的强韧性。2 超纯净管线钢超纯净管线钢含有较少的非金属夹杂物，S、P等杂质含量远低于其他钢种，避免了层状撕裂、氢致开裂、热裂纹等缺陷的产生。3 易焊管线钢易焊管线钢具有优良的焊接性，可分为焊接无裂纹钢和焊接高热输入钢。其中焊接无裂纹钢的碳含量约为0.1%，甚至达到0.01%。较低的含碳量降低了淬硬性，从而抑制了冷裂纹的产生。4 高抗蚀管线钢高抗蚀管线钢具有较强的抗应力腐蚀和抗氢致裂纹的能力1.2 高等级管线钢发展状况 为降低管线工程的建设成本，满足特殊环境下管线运输的要求，各国开始针对高等级管线钢进行设计研究。TMCP、HTP、HOP等技术的进步推动了高等级管线钢的发展。目前的高等级管线钢种类主要包括超高强度管线钢、抗大应变管线钢、抗H2S管线钢和海底管线用钢2。1 超高强度管线钢目前的超高强度钢主要包括X100和X120钢。通过提高钢的强度可以显著降低钢管的壁厚，从而降低运输费用，极大节约经济成本。X100钢的成分特点为低碳、高锰，同时含有一定量的铌，具有较高的强度、韧性和良好的焊接性。X120管线钢的成分在低碳的同时还加入了硼，采用TMCP钢，通过IDQ（轧制后淬火）获得，具有高强度的同时还具有高韧性。2 抗大应变管线钢在一些地震多发和高寒地区，管线钢极易发生塑性变形。基于此问题，提出了新的设计管线钢概念“应变设计法”。对管线钢的纵向性能提出了更高的要求。APIX65X100抗应变管线钢采用了HOP（在线热处理工艺）技术代替了传统TMCP技术，其显微组织是铁素体和贝氏体双相显微组织，该组织具有较低的屈强比，从而提高了应变硬化性能。3 抗H2S管线钢在酸性环境中管线钢容易发生应力腐蚀开裂（SSCC）、内部氢致裂纹（HIC）等破坏。抗H2S 管线钢具有较高的纯净度，夹杂物含量低，其显微组织为铁素体和贝氏体，因此具有较好的抗HIC性能和高韧性。4 海底管线用钢海洋环境下的管道运输要求管线钢同时具有高的横向和纵向强度。其中常用钢种为X65钢级壁厚管线钢，采用低碳设计，具有高强度和高韧性。二、 管线钢的应力腐蚀开裂情况油气管道由于应力腐蚀开裂每年给石油天然气产业带来巨大经济损失，随着我国油气管道建设的不断增加，研究如何解决管道应力腐蚀开裂问题十分必要。2.1 应力腐蚀开裂形成机理应力腐蚀开裂（SCC）是指特定的材料在拉应力和一定的腐蚀环境下产生的低应力脆性开裂现象。形成应力腐蚀开裂必须具备三个条件：敏感材料、拉应力、特定的腐蚀环境。应力腐蚀开裂形成机理一般认为是阳极溶解和氢脆。阳极溶解机理即在拉应力作用下，形成的裂纹尖端发生塑性变形，导致其表面的保护膜或氧化物破裂，金属本身、保护膜和溶液形成原电池，金属本身作为阳极不断溶解，裂纹不断扩展导致开裂。氢脆机理是在氢环境中,金属表面聚集氢形成原子氢吸附膜。大量原子形态的氢不断渗入金属内部。氢原子聚集在金属晶粒的周围，形成气泡，使得金属内部压力不断增大，导致晶体间的键断裂。从而使得金属的塑性降低，最终在拉应力的作用下发生脆性断裂5。2.2 影响管线钢应力腐蚀开裂的因素影响管线钢应力腐蚀开裂的三个主要因素如下：1 材料因素研究表明不同直径、厚度的管线钢均能产生应力腐蚀开裂（SCC）。不同管线钢对应力腐蚀开裂的敏感性不同。晶界碳化物偏析使得晶界成分与晶内成分差异增大，晶界区电位低，晶粒内部则作为阳极，导致强烈的沿晶腐蚀。同时，在拉应力的作用下阳极极性增强，加剧了沿晶腐蚀。由于管线钢存在焊缝，焊缝附近的应力集中情况较母材更为严重，对应力腐蚀开裂的敏感性较大，易于发生应力腐蚀开裂4。2 力学因素导致管线钢应力腐蚀开裂的应力主要来源于管线内压引起的运行应力、残余应力和应力集中等。管线钢中的应力种类按方向可分为轴向应力和径向应力。应力波动（R）、应力大小和应变速率都会对应力腐蚀开裂造成影响。管线钢中应力波动来源于内部运行压力，由于管线内压循环波动，导致管线钢径向应力连续波动。应力波动（R值）越大越容易导致应力腐蚀开裂产生。不同地区的应力波动情况差异较大。对于应力大小，只有当其超过临界应力强度KISCC时才会发生应力腐蚀开裂。不同环境下应力大小也存在较大差异。应变速率相对于应力而言对SCC有更重要的意义。研究表明，应变速率会随着时间的增加而降低。当应力小于临界应力强度KISCC，由于应变速率随时间降低，当低于临界值时，裂纹会停止扩展4。3 环境因素管线钢的环境条件受多种因素的影响，主要包括涂层材料、土壤、温度和PH值等。涂层材料是决定应力腐蚀开裂（SCC）过程的直接因素。近中性pH-SCC主要在聚乙烯带涂层下发现，但迄今还没有在熔融结合环氧涂层和挤压聚乙烯涂层下发现。说明不同涂层材料的管线钢应力腐蚀状况不同。土壤类型对SCC的影响相对较弱。由于土壤的持水能力强，当含水量的变化，土壤收缩所作用会在涂层和管道上产生应力，促进SCC过程。管道表面的温度对于高pH-SCC裂纹扩展影响较大，而近中性pH-SCC对温度敏感度较小5。三、 残余应力对材料综合性能的影响研究表明，工件中存在的残余应力会对材料性能产生各方面的影响，包括对材料疲劳强度的影响、对应力腐蚀开裂的影响和对脆性断裂的影响等。各种消除和引入残余应力的工艺技术也都是在此研究的基础上展开。3.1 残余应力对材料疲劳强度的影响残余应力只在高周疲劳条件下对材料疲劳强度存在影响。在低周疲劳强度下的残余应力会大幅松弛，因此不会对材料疲劳强度产生很大影响。采用平均应力观点评估残余应力的影响可知残余拉应力使材料的疲劳极限下降，而残余压应力使材料的疲劳极限提高。然而平均应力与实际残余应力存在较大差异，主要原因是残余应力会发生衰减而平均应力却是定值。一般认为，轴向加载应力时残余应力不会对疲劳强度产生较大影响。但也有研究表明承受轴向载荷条件下，材料表面也会产生疲劳裂纹。实际生产中残余应力对材料疲劳强度的影响主要是对工件缺口疲劳强度的影响。在工件缺口部位应力集中情况严重，易于引发疲劳裂纹。通过表面强化处理在材料表面引入残余压应力层有助于提高工件缺口的疲劳强度6。3.2 残余应力对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂（SCC）产生的必要条件之一是工件中存在残余拉应力，试件在腐蚀介质中拉伸后的应力寿命曲线表明，拉应力越大越易于发生应力腐蚀开裂。一般认为只有当应力超过临界应力值时才会发生应力腐蚀开裂。也有研究表明残余压应力同样会导致应力腐蚀开裂，但其裂纹扩展速率相对于拉应力而言非常缓慢，几乎可以忽略不计。生产中常通过表面强化技术在材料表面引入残余压应力来抑制应力腐蚀开裂7。四、 超生加工技术研究现状随着制造业的不断发展，出现了各种硬质合金、陶瓷、复合材料等新型材料。许多新型材料具有高硬度和高脆性的特点，使得传统的加工工艺难以满足生产需要。超声加工技术作为一种新兴技术不仅可以加工高硬度金属材料还可以加工脆性大的陶瓷、玻璃等非金属材料。超声加工是指使用超声振动工具，借助磨料的冲击，沿工件进行一定方向的超声频冲击去除材料或使工件相互结合的一种加工方法。超声加工技术具有高精度、切削力小、加工过程产热量低和工件表面质量高等特点。超声加工技术应用领域广泛，主要包括超声表面光整、微细超生加工、拉丝模及型腔模具抛光、超声振动切削、难加工材料加工、超声复合加工和旋转超声加工等。超声加工系统主要由超声波发生器、换能器（主要为压电陶瓷换能器）、变幅杆和加工工具等构成。超声加工技术作为一种新兴技术，具有极大的发展潜力，在国内正引起越来越多的重视。目前的发展方向方面要是超声振动切削机理研究（对超声振动切削过程的数学描述和数学建模是我国超声振动技术研究的重要内容）、相关高效实用设备的开发研制、旋转超生加工、超声复合加工技术、微细超声加工和生物纤维切割技术等8。五、 超声表面滚压加工技术除了材料自身的性能，材料的表面质量对于其使用性能有很大的影响，如表面粗糙度、表面硬度、表面耐蚀性能和抗疲劳性能等。因此通过对材料表面进行特殊处理，改变材料表面形貌、化学组成、微观结构、组织状态或应力分布情况使其获得特殊使用性能十分必要。随着金属材料在不同领域的应用，对金属表面质量提出了更高的要求，提高金属表面质量的材料表面改性技术发展迅速。5.1 超声表面滚压加工技术概述现有的材料表面改性技术种类繁多，主要依靠三种途径：表面强烈塑性变形（S2PD）、表面热处理和高束能表面处理。其中表面强烈塑性变形方法较为传统，常见的有喷丸强化和滚压强化。以上两种方法的优势在于加工工艺简单、加工成本低，但是通过这两种方法所得到的金属表面质量不高。而超声表面滚压加工技术（Ultrasonic surface rolling process，USRP）能够在材料表面一定厚度实现表面纳米化，极大提高材料表面质量。且表面纳米化材料的组织沿深度方向呈梯度变化，纳米层与非纳米层之间没有明显的边界，不易发生剥离。基于表面纳米化的USRP技术已经引起了广泛关注，具有极大的实用价值和发展前景。 超声表面滚压加工技术（USRP）是利用超声冲击和静载滚压结合的方法对零件表面进行处理的一种新型加工技术10。该技术可以在金属表面产生强烈的塑性变形，细化晶粒至纳米级，引入残余压应力层，极大的降低表面粗糙度，提高表面硬度和疲劳强度9。与其他表面强烈塑性变形方法（S2PD）相比具有高效、加工表面质量高、成本低等优点，在一定程度上能够代替磨削加工工艺。5.2 超声表面滚压加工设备和工艺参数1 超声表面滚压加工设备超声表面滚压加工设备主要由数字超声波电源和 USRP 执行机构组成。其中数字超声波电源主要是指采用数字化技术实现闭环控制的逆变式超声冲击电源。超生表面滚压加工执行机构主要包括：压电陶瓷换能器、变幅杆和加工工作头，此外，配套设备还包括车床和压缩空气机等11。2 超声表面滚压加工工艺参数综合考虑试件的材质、加工质量要求以及加工效率等因素选择相应的工艺参数情况如下：1) 机床主轴转速，一般在 100600r/min 的范围内；2) 工作头进给量，一般在 0.550mm/min 的范围内； 3) 施加静压力，一般在 101000N 的范围内；4) 加工往返次数，一般 112 次；5) 工作头输出端振幅，一般在 525 微米的范围内；6) 加工系统输出振动频率，一般为20KHz7) 工作头硬质合金球直径，一般在 230mm 的范围内；8) 工作头硬质合金球表面粗糙度，一般0.010.02m；9) 加工过程使用冷却液冷却和润滑六、 残余应力有限元数值模拟6.1 有限元数值模拟概况工程实际问题由于其几何形状复杂或存在非线性情况，不能通过解析法求得准确结果。相对于解析法，数值解对方程组限制较少，更易于得到接近实际情况的结果。随着现代科技的发展，数学、力学和计算机技术的结合使得实际问题可以通过数值模拟技术解决。目前，数值模拟已成为理论分析和科学试验之外最主要的科学研究手段。现有的数值模拟方法主要包括有限单元法、有限差分法和有限体积法，其中应用最为广泛的还是有限元法13。有限元法是将问题的求解域划分为一系列仅靠节点连接的单元。通过选定的函数关系和单元节点量可以得到单元内部点的待求量。由于单元形状简单，易于用平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式。各单元方程“组集”在一起后可以形成总体代数方程组，计入边界条件后即可求解方程组。单元划分越细，计算结果越精确。二十一世纪计算机技术高速发展，其应用遍布各个研究领域，也因此开发出解决各类工程实际问题的商业软件，针对数值模拟的软件主要有：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ASKA等。有限元软件具有强大的前处理和后处理程序，使用方便、计算精度高。通过有限元数值模拟解决工程实际问题可以极大的节约设计成本，减少设计和分析的循环周期，模拟实验过程并分析实验结果，同时还能在产品制造前提前发现潜在的问题，增加产品和工程的可靠性12。 6.2 残余应力的有限元数值模拟超声表面滚压加工（USRP）能够提高材料疲劳强度并抑制应力腐蚀开裂（SCC）的主要原因是在材料表面引入了残余压应力层。因此测量被加工材料表面残余应力对于研究USRP具有重要意义，然而通过实验方法如X射线衍射法测量残余应力步骤繁琐，消耗时间且成本较高。有限元数值模拟软件越来越多的用于滚压加工过程残余应力的分析，并取得了较大成果。天津大学王东坡等人使用有限元软件ABAQUS建立了一个三维有限元模型（FEM）来模拟40Cr的USRP处理过程，并分析了表面塑性变形、应力和应变的模拟结果以评估纳米化表面层的形成14。其研究表明有限元的数值模拟结果与实验测试结果一致，有力的证明了这种有限元仿真能够有效的预测USRP工艺结果，并得出表面层的纳米层尺寸、残余应力及加工硬化与工艺处理参数之间的联系。王生武等人采用有限元软件建立了连续多圈滚压工艺的有限元数值仿真模型，并分析了滚压变形和残余应力分布情况15。刘福超等采用ABAQUS有限元分析软件开发了更接近于实际的滚压模拟模型，并利用采用该模型研究了滚压力的大小、滚针直径、表面摩擦系数等对于残余应力分布规律的影响16。W. Bouzid Sa K.Sa通过有限元数值模拟研究了AISI 1042钢的滚球滚压过程中表面粗糙度的变化，并预测了残余应力的分布情况17。数值模拟结果与实验结果一致，进一步证明有限元数值模拟能够有效的分析USRP对管线钢残余应力的影响。参考文献1 高惠临,董玉华,周好斌. 管线钢的发展趋势与展望J. 焊管. 1999(03)2 郑磊,傅俊岩. 高等级管线钢的发展现状J. 钢铁. 2006(10)3 庄传晶,冯耀荣,霍春勇,李鹤林. 国内X80级管线钢的发展及今后的研究方向J. 焊管. 2005(02)4 郭浩,蔡珣,杨武. 影响管线钢应力腐蚀破裂的力学和材料因素J. 机械工程材料. 2002(04)5 陈静,贺三,袁宗明,陈雪童. 管线钢应力腐蚀开裂J. 管道技术与设备. 2009(01)6 张定铨. 残余应力对金属疲劳强度的影响J. 理化检验(物理分册). 2002(06)7 张霞. 残余应力的产生和对腐蚀