超低温用高变形能天然气管线管的开发

1、超低温用高变形能天然气管线管的开发高宏适1 前言长距离输送天然气的管线使用的是UOE钢管和螺旋焊管。其中在不连续冻土带、地震带和地层滑动带铺设的管线多是UOE钢管。这些地带地层的变动使钢管受到塑性变形(见图 1)。这种塑性变形的典型例子就是不连续冻土带地层融化和再冻结引起钢管弯曲和弯曲复原的变形。 对于在这种环境下铺设的钢管，必须具有一定的变形能，即必须具有在预计的应变条件下保证钢管完好的允许应变值，这种设计方法叫做基于应变的设计(SBD) 。在 SBD中将弯曲变形、 轴向拉压变形时的压缩应变极限。和拉伸应变极限 。纳入设计的考虑因素。是发生压曲时的应变， 。由环形焊缝的允许缺陷决定。因此提高

2、钢管压缩应变极限是开发高变形能管线钢管的首要目标。 。的支配因子是 SS(应力应变 )曲线所代表的钢管力学性能和环缝焊接钢管的形状不规整性。在力学性能方面，加工硬化率、塑性各向异性和应变时效对 。的影响最大。在钢管形状方面，钢管长度方向(L 方向 )的形状不规整 ( 外径、壁厚的波动 )、环缝焊接区的焊接变形、 环缝对接错位等因素对 。的影响最大。为对上述 。的影响因素的影响程度进行定量化评价， 需要开发用于解析环缝焊接钢管弯曲变形行为的高级数值解析模拟技术。这些技术的成功开发提高了新日铁住金产品的可信赖性，成为对客户技术咨询的工具，同时也是钢管材料设计的有利工具。SBD 必须保证在每个管线项

3、目提出的应变条件下，不发生-焊接区断裂和管体压曲。防止环缝焊接区断裂的重要的设计方法是过匹配。通常，为了防腐蚀对钢管进行加热涂装，这时必须采取措施抑制应变时效引起的钢管强度升高。钢管强度的下限值是该钢级的最小强度，管强度的上限值应小于现场焊接时焊接金属强度的最小值。因此必须认真研究钢管的制造方法， 使钢管的强度满足上述狭窄的强度范围。此外， 提高钢管弯曲变形时的抗压曲能力的基本方法是钢管的高均匀伸长率和低屈强比。在钢管的低温韧性方面，要求钢管具有良好的抗裂纹发生性和抗裂纹传播性。为使钢管不发生脆性断裂，要求钢管在极低温下具有高冲击值(如夏比冲击能 )。为此，低碳化和合金元素最佳化是很重要的。另

4、一方面， 由于腐蚀或人为原因，管线一旦发生损坏，要求钢管具有良好的止裂特性。良好止裂特性的条件是在-40的低温下不发生脆性断裂，而发生韧性断裂。实现这个要求的重要方法是微观组织的微细化。新日铁住金为使管线钢管具有良好的低温韧性和高变形能、高强度以及均匀壁厚等四项综合性能，过去在钢中添加大量的Mo 、 Ni 等稀有高价合金元素，现在开发出性能好于传统管线钢管并节省合金元素的天然气用管线钢管。2 管线钢管的变形能控制因子和钢管的设计原则2.1 环缝焊接钢管的FEA 模型和变形能预测精度钢管形状不规整模型为进行弯曲时的压屈解析，需要将钢管L 方向的形状不规整纳入FEA 模型。图2 是直径 (D)91

5、4mm ×壁厚 (t)19.6mm的 X80UOE钢管在进行环缝焊接后的L 方向半径波动的实测值和模型形状。钢管半径波动由三项构成:第一项是可用正弦波近似表示的UOE 钢管本身具有的半径波动b；第二项是基于Timoshenko 弹性理论、管端受到力矩作用使钢管发生变形时，环缝焊接引起的半径波动g；第三项是环缝焊接时焊缝对接错位引起的半径波动 s。钢管本身具有按一定周期变化的形状不规整性，焊接环缝附近产生焊接残余应力引起钢管径缩。图3 是反映环缝焊接钢管这种形状不规整性的FEA 模型。对钢管施加操作内压后， 钢管端部产生弯曲力矩。利用数值解析方法对钢管弯曲时的压曲进行评价，使钢管本体和

6、钢管焊接区的形状实现了三维模型化。材料模型除了钢管形状模型化，钢管材料特性高精度模型化对于压缩应变敏感性解析也是很重要的。对于钢管应特别关注的是，钢管制造时产生的应变和钢管出厂后进行加热耐蚀涂装引起SS曲线变化的同时产生的塑性各向异性。图4 是 914D × 19.6t， X80UOE 钢管 235× 5min加热耐蚀涂装前后(as、aged)测定的 SS 曲线。成型状态 (as)钢管在长度方向 (L) 和周向 (C) 上都表现出塑性各向异性，并且涂装加热后(aged)塑性各向异性有进一步的扩大。涂装加热后的 L 方向 SS 曲线呈圆弧状， C 方向的 SS 曲线出现了屈服

7、伸长，两个方向的SS 曲线有很大差异。这种L 、 C 方向加工硬化率不同的材料的屈服函数模型不是通用模型，新日铁住金开发出新的模型，研究了强度各向异性对钢管压曲特性的影响。2.1.3变形预测精度图 5是钢管变形能的实管试验结果和上述解析模型变形模拟结果。实管试验钢管是914D ×19.6t，X80UOE 钢管， 针对涂装加热、 环缝焊接和原始状态，制备了3 个试验钢管试样，采用加拿大C-FER 技术进行试验。 在管内施加水压， 水压小于管体屈服内压的72%，在这种状态下对钢管施加弯曲负荷，弯曲力矩达到最大值时的弯曲应变是 bend=e/(2 L/D) 。将 bend 定义为压缩应变极

8、限c 计算式中的 是弯曲角度， L是测定标距长度， D 是钢管外径。环缝焊接钢管的焊接环缝附近发生局部压曲，压曲部位的形状不规整情况与钢管形状不规整情况相同，与塑性各向异性FEA 模型的解析结果非常一致。图 6表示出各钢管实管试验得到的 c、使用塑性各向异性函数的FEA模拟解析结果(ANISO) 和使用 Von Mises 屈服函数并假定塑性各向同性的解析结果(ISO) 。根据该图，在钢管塑性各向异性条件下， 对各种钢管都可获得高精度的 c 预测结果， 但如假定钢管塑性各向同性，则 c 预测结果偏大。此外，试验结果还表明，加热引起的 c 变化很小，带有环缝焊接接头的钢管， c 约下降 20%。

9、综上所述，将钢管形状不规整性进行模型化，使用塑性各向异性的屈服函数，可以对环缝焊接钢管的变形能进行高精度预测。利用该技术还可以对变形能影响因子进行解析。2.2钢管的力学性能对变形能的影响方向力学性能对 c 的影响SBD 使用的钢管对弯曲负荷时的主应力方向即 L 方向的力学性能有要求。利用 FEA 模型评价了对 c 影响最大的力学性能。图 7 是 1220D × 32.5t， X60 钢管在施加 40% 管体屈服内压的负荷时的 c。从商业生产的 UOE 钢管中抽取 12 根钢管的 SS 曲线，绘制出 c 和 Y/T 、 1%/ 5%、 1%/ 2%的相关关系。 在海外的 SBD 项目中

10、使用的是 Y/T 、 1%/ 2%，但在本研究的钢管使用条件下， 1%/ 5%与 。的相关性最大。原因是压曲开始时的局部应变达到5%。因此，高变形能管线钢管开发的目标是高 1%/ 5%值。2.2.2 C 方向的力学性能对 。的影响涂装加热使 L 方向的SS 曲线出现屈服伸长，被认为会导致弯曲变形能下降。因此在钢管材料开发时，应在提高加工硬化率的同时，并使SS 曲线圆弧化。但是，关于C 方向SS 曲线产生屈服伸长对 。的影响尚不明确。使用不同时效温度处理的SS 曲线，利用加工硬化各向同性FEA模型和加工硬化各向异性FEA 模型求出钢管内压是72%屈服内压条件下的 。，并对两个模型得到的 。进行比

11、较，图 8 是比较的结果。图8 中还有各温度下的 C 方向屈服伸长 (C-YPE) 。此外， L 方向 SS 曲线都是圆弧形状。 从图 8可以看出，加工硬化各向异性FEA 模型求出的 。随加热温度升高而下降，在 200以上时是一定值。但没有发现加工硬化各向同性FEA 模型求出的 。随加热温度升高而下降的现象。由此可知，在加工硬化各向同性FEA 模型中， 。和加热温度没有相关关系， 加工硬化各向异性FEA 模型求出的 。与实管试验结果有很好的一致性，可以判断， 。下降受到随温度升高而升高的C-YPE 的影响。通过以上分析可知， 不仅 L 方向的应力 -应变行为对钢管的压曲特性有影响，而且 C方向

12、的应力 -应变行为对钢管的压曲特性也有影响。2.2.3 钢管强度波动对 。的影响在钢管商业化生产中，钢管强度可以在标准规定范围内波动。因此在钢管铺设时，以焊接环缝为界， 钢管的强度有所不同。在焊接环缝附近因焊接产生的形状不规整再加上钢管强度的变化，焊接环缝附近容易发生局部压曲。图 9 是环缝焊接钢管之间屈服强度差 YS 和 。的关系。这是在轴向应变拘束条件下，在小于 72%钢管屈服内压范围内，改变钢管内压的解析结果。可以看出，在各个条件下，YS 越大， 。越小。在高内压下，初始 。越大， s。的降低量也越大。这个结果说明，在对管线进行 SBD 为代表的塑性设计时，不仅要考虑钢管材料特性，还要考

13、虑钢管强度的波动。2.3 钢管形状不规整对钢管变形能影响的定量化解析图 10 是对762D × 15.8t，X80 钢管施加72%钢管屈服内压时各种形状不规整性对 。影响的定量化解析结果。解析的基本条件是钢管之间的屈服强度差YS 为 50MPa。各种形状不规整因素( 焊接径缩 g、钢管本身不规整b、焊缝对接错位s)的叠加作用引起的。下降的最大值是17%，而 YS 为 50MPa 时的 。下降的最大值是28%。由此可知，钢管间强度的波动对 。的影响大于钢管的形状不规整性的影响。如上所述， 通过钢管实管试验和钢管变形行为的数值模拟解析，管线钢管性能的下限值，为安全性更大、可靠性更高的SB

14、D可以得出环缝焊接 UOE 管线铺设提供有益的帮助。3 高变形能管线钢管的开发根据上述研究结果，制造高变形能钢管的关键点是 : 1)提高钢管 L 方向的加工硬化率。2)降低钢管C 方向的屈服伸长。3)减少钢管之间的强度波动，即钢管的窄强度范围制造。新日铁住金根据上述关键点，开发出高变形能管线钢管。3.1 开发钢的设计思想-为保证良好的加工硬化特性，钢的组织应是铁素体(软质组织 )和贝氏体 (硬质组织 )的双相组织。为了适用于高寒地区，应保证 -40低温韧性， 为此钢的组织应是平均晶粒直径小于5 m(ASTM法 )的微细双相组织。新日铁住金开发的高变形能钢管具有前所未有的3 大特点。第一个特点是

15、不含过去管线钢管必须添加的Mo ，提高了涂装加热后的变形能。一般情况下， 在将钢管加热到200以上进行防蚀涂装时，钢管会发生应变时效。钢中的游离碳越多，应变时效越容易发生，导致屈强比升高。 由于均匀伸长率降低，变形能下降。 由于无Mo化，钢中形成了大量的铁碳化物(渗碳体 )，游离碳显著减少，提高了变形能。图11 是无Mo钢和含Mo 钢， 1%预应变并经240 应变时效处理后屈服强度的增量。无 Mo 钢应变时效处理后屈服强度的升高受到抑制。图 12 是无Mo 钢和含Mo 钢应变时效前的TEM图像，可以看出，无 Mo 钢中的渗碳体析出量大于含Mo 钢。由于含Mo钢发生相变滞留，在冷却到室温后会生成

16、马氏体和未转变的 。本试验的情况也是一样，含Mo 钢中生成马氏体和未转变的 ，而无Mo 钢中未生成马氏体和未转变的，生成了大量的渗碳体。第二个特点是利用独有的加速冷却装置(CLC- )在弥补无Mo 钢的强度不足的同时，实现高精度均匀冷却，可将钢板的强度控制在窄范围内。利用CLC- 冷却装置建立了慢冷工艺，对铁素体和贝氏体的组织分量进行最佳化控制。图13 是缓慢加速冷却工艺的示意图。采用CLC- 冷却装置实施缓慢加速冷却工艺，实现了钢板强度的窄范围化(抗拉强度波动范围在50MP a 以内 )。第三个特点是为获得良好的极低温韧性，优化厚板生产工艺、高精度控制均匀加速冷却，使钢板的平均晶粒直径小于3

17、m (ASTM法 )。新日铁住金利用高精度冷却工艺可以生产 API X60-X100 的无 Mo 、少 Ni 、高变形能管线钢管。在 X100 钢管方面，开发出铁素体 (软质组织 )和贝氏体 (硬质组织 )的基础上增加可控制的 M-A( 马氏体 -奥氏体组元 )的多相组织钢管 (见图 14)。由于 M-A 组元对焊接热影响区的韧性有影响，所以M-A组元分量控制十分重要。3.2 开发钢的特性以下介绍为俄罗斯制造的API X60钢管应变失效前后的力学性能。图15 是 240应变时效前后的屈强比和均匀伸长率。应变时效前后的屈强比都小于88%，均匀伸长率都大于10%。钢管 -具有超微细组织，其平均晶粒

18、直径小于3 m，使钢管具有良好的40低温韧性。图16 是 APIX60 钢管DWTT( 落锤撕裂试验)的韧性 -脆性转变温度。一般来说，保证32mm 厚的厚壁 -钢管的韧性断口面积率是很困难的，由于本开发钢管具有超微细组织，所以在60低温下，仍可满足韧性断口面积率为85%的要求。3.3 开发钢管的实用化情况新日铁住金开发出API X60-X100的省合金型天然气输送管线钢管。其中， X60 钢管于2009 年为俄罗斯制造1.7 万 t 。X100 钢管在加拿大铺设了5km 管线。最近接受了缅甸0.5万 t API X70 管线钢管的订货，并生产完毕。 4 结语在允许有塑性变形的天然气输送管线钢管的开发中，有两项技术不可缺少，一项是在通用钢管材料的基础上提高变形能的技术，另一项是证实钢管性能可信赖性的技术服务。新日铁住金