X80M钢级煤制天然气输送用钢制管前后的组织与性能.docx

1、X80M钢级煤制天然气输送用钢制管前后的组织与性能刘文月、任毅1，2,张帅1，2,王爽1，2,高红1（1.鞍山钢铁集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山114009）摘要：详细介绍了X80M钢级煤制天然气输送用钢板的组织，以及制管前后性能变化情况；结合现有数据与工程参数，利用断裂韧性计算公式，分析该钢管的服役状态。分析结果表明：X80M钢级煤制天然气输送用钢板的组织以针状铁素体为主，且低温韧性优良；制管后，钢材的屈服强度、抗拉强度、屈强比与硬度均有不同程度提高.低温韧性降低；该X80M钢级钢管的安全性良好，若考虑氢气的影响，可以在输送压力稳

2、定时安全使用。关键词：管线管；煤制气；X80M钢级；组织；性能；氢气中图分类号：TG142.1文献标志码：B文章编号：1001-2311（2017）01-0009-06MicrostructureandPropertiesofX80MSteelforSNG-linepipeasShownbeforeandafterPipe-makingProcessLUIWenyue",RENYifZHANGShuai12,WANGShuang1'2,GAOHong1(1.IronandSteelResearchInstitute,AnshanIronandSteelGroupCorpora

3、tion,Anshan114009.China;2.StateKeyLaboratoryofMetalMaterialforMarineEquipmentandApplication,Anshan114009,China)Abstract:DetailedinthepaperarethemicrostructureoftheX80MsteelplateforSNG-linepipe-makingandchangesofitspropertiesshownbeforeandafterpipe-makingprocess.Basedontheavailabledataandengineeringp

4、arameterstheserviceconditionsofthesteelpipeareanalyzedwiththecalculationformulaoffracturetoughness.Theresultrevealsthefollowingfacts.TheX80Msteelplateisofthemicrostructureformedmainlyofacicularferrite,andhasexcellentlow-temperaturetoughness.Afterpipe-makingprocess,thematerial'smechanicalproperti

5、eslikeyieldstrength,tensilestrength,yieldratioandhardnessaremoreorlessenhanced,whileitslow-temperaturetoughnessisreduced.MoreovertheX80Mlinepipealsohasexcellentsafetyperformance.Evenincaseoftheeffectbyhydrogen,theX80Mlinepipecanstillassureofsafeoperationprovidedthetransmissionpressureisconsistenenou

6、gh.Keywords：linepipe;SNG;St.X80M;microstructure;property;hydrogen煤制天然气（简称煤制气）是煤化工的一项重要产品，是清洁高效利用煤炭资源的重要方式之一。与常规天然气相比，煤制气中含有一定体积分数的H2oC-Mn钢暴露在H2中，特别是在高压H2中，会诱发C-Mn钢性能退化，表现为抗拉强度、断后伸长率与疲劳寿命降低等卜久当也压力达到0.10.6MPa,X70M钢级管线钢就会发生玺脆力。为了规避的不利影响，人们一直采用低钢级材料输送煤制气口乞事实证明，这种行为过于保守。文刘文月（1980-）,男，工学博士，高级工程师，从事管线钢宽厚板产

7、品的研发。献4的研究结果表明，使用商用X80M钢级管线管输送高压光与输送天然气一样安全可靠。因此,在进行新粤浙煤制气项目时，使用X80M钢级管线管是安全可靠的。2015年9月，鞍钢股份有限公司（简称鞍钢）与巨龙钢管有限公司（简称巨龙钢管）、中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司（简称宝世顺）参与新粤浙煤制气项目用X80M钢级干线管的研制。所制61219mmx22/27.5mm管线管及制管用热轧钢板均通过了第三方检验，并完全满足新粤浙煤制气项目技术规格书的要求。本文将主要分析所制钢板的组织、制管前后性能变化，以及管道安全评价等内容。1试验过程试捡钢为I'/度25()mm的连铸坏轧制成的X80M

8、钢级热轧钢板.钢板厚度为22mm与27.5mm，Jt化学成分w(C)为0.045%-0.055%,w(Mn)为1.65%-1.75%.w(Mo+Cu+Ni+Cr)为0.25%7.45%。钢板采用两阶段控制轧制，轧后在奥氏体向铁索体转变的起始温度L附近以15无人的冷却速度冷却至马氏体转变开始温度口点.狭得以针状铁索体为主的组织钢板经性能检骑合格后，送往管厂采用JCOE方式制管所制钢管及制管用钢板由国家，油管材质址监督检验中心依据ASTMA3702015(钢产品力学性能试羚方法和定义、APISp<-<-512012管线钢管规范进行第:方检验；由中国"汕大然'(管道科学

9、研究院进行钢管的环焊缝诂应性评价为了表述方便，将钢板编弓为1、2、3、4,钢管勺制管用钢板使用相同的编可1、2、3、4分别代&宝世顺制管用22mm钢板、f«龙钢管制管用22mm钢板、宝世顺制管用27.5nun钢板、P.龙钢管制管用27.5mm钢板在钢板1/2宽度处切取金相试样，经研傍、抛光、4%硝酸酒精腐蚀后.用DMIRM光学显微镜观察显微组织。拉伸性能检测、V型缺口夏比冲击试验CVN、落锤撕裂试段DWTT均选用横向试样。在钢板1/2宽度处切取拉伸试样.在钢板1/4宽度处进行V型缺LI夏比冲击试验CVN与落锤撕裂试验DWTT取样样品的加I：、检测依据与第二.方检验标准相同.分

10、别在室温、-20"-3()V.完成钢板头尾性能测试此外，还检骑了钢板1/4宽度处纵向拉伸室温性能管体的拉伸、CVN、DWTT样品取样位置、方向与钢板取样位置、方向一一对应.检验温度为室温、-5T、-10T管体横向拉伸试样为未矫"的圆悻试样,纵向拉伸试样为未矫立的矩形试样,i)rr试样先矫祥再加工根据取样来源与位世的不同.将钢板、管体、汽焊缝热影响区、直焊缝、环焊缝中心与环焊缝熔合线儿个位置分别标id为P0、Pl、P2、P3、P4与P5,因为检验需求不同,不同标记处的检验项目也会不同2结果与讨论2.1钢板金相组织在试验钢全壁障方向1/4处取金相试样.X80M钢级试验用钢板的典

11、型组织形貌如图1所示从图I可以以出:X80M钢级试验用钢板的组织主要:是针状铁素体AF,还“部分多边形铁索体PF、1：贝氏体IB与粒状贝氏体GB以及少册的4氏体奥氏体组元MA针状铁素体AF具有较高的位错密度与大角度晶界密度11仃良好的强韧件特征上贝氏体LB与粒状贝氏体(；B虽然析出温度低XV析出温度，但.是其大角度晶界数妆少.仃效晶粒尺寸大不利于提高钢板低温韧性多边形铁素体PF屈服强度低、知性好.有利于减少AF、UB、GB与MA等高硬度组织变形过程中的应力集中;PF能阻碍裂纹的生成与扩展，但是数般不宜过多.否则会造成右效品粒尺寸增大.从而恶化低温切性JMA作为硬质相.一般认为是裂纹形核点,少M

12、细小弥散分僧的MA仃利提高钢板的综合性能7O(it)钢板I(1>)钢板2(<)钢板3(<1)钢板4图IXX0M钢级试验用钢板的典型组织形貌2.2钢板性能X80M钢级试验川钢板的力学性能(头部横向)结果见表12试验结果表明:X80M钢级试验用钢板的以度从22mm增加到27.5mm.钢板的屈服强度R心、屈强比Aw/A,“、显微硬度HV10*jDWIT)'切面积百分比S,1“减小的趋势，他性能指标基本相同；凹切面积百分比为85%、70%450%时.所对应的韧脆转变温度DBTT分别小于-19.0X.-28.9X4-39.9T.冲击上平台能htLWN43OJ切脆转变温度DHTT

13、低、冲击上平台能技USE高说明试验钢板财良好的低温切性STEELPIPEFeb.2017.Vol.46.N(».I表1钢板室温拉伸与显微硬度检验结果试样编号膈/MPa&/MPaRgs/R.代2%硬度HV1015986610.904822225696510.874922635606560.855220745566540.8557213技术要求555-705625-825W0.92N20W255为了分析整张钢板的性能均匀性和异向性，分析了钢板的头尾低温韧性差异。X80M钢级试验用钢板的头尾低温韧性差值如图2所示，其中纵向数值为头部性能减去尾部性能所得的数值，横向虚线代表着性能无差

14、异线。从图2可以看出：该X80M钢级试验用钢板头部剪切面积百分比S4低于尾部剪切面积百分比，而冲击吸收功Am有高有低。图2X80M钢级试验用钢板的头尾低温韧性差值表2钢板低温韧性检验结果试样编号-30r冲击吸收功-20T乾切面积百分比SA/%韧脆转变温度冲击上平台能址USE/J123平均值12平均值SA为85%SA为70%SA为50%1384448467433929594-37.6-50.5-60.萨4302476467473472868586-20.3-28.9-39.94853459462466462858585-25.3-39.2-57.04754485463477475869289-1

15、9.0-30.4-42.9470技术要求>200N250M70N85一-注：实际韧脆转变温度低于该试羚温度，由于未进行更低温度的检验，因此无法确定其体数值。X80M钢级试验用钢板的头尾拉伸性能差值见表3。由表3可知：不论取样方向是横向还是纵向，该钢板头部的Rm与喝届均高于尾部&05与R心而抗拉强度A.则是尾部高于头部；头部横向断后伸长率/Us低于尾部4505,纵向则相反。横向试样头尾R加最多相差31MPa,低于技术条件中40MPa的上限要求；纵向试样头尾R心差异较大，可达74MPa,但技术条件并未对其提出要求。横向试样头尾最多相差23MPa,高于纵向试样11MPa的最大差值；横向

16、试样与纵向试样的头尾4%差别不大，均未超过2个数值。表3X80M钢级试验用钢板的头尾拉伸性能差值项目横向性能头尾差值纵向性能头尾差值AJMPaRJMPa代2%/?<u/MPaKn/MPaU%平均值16.75-10.03-0.2533.5-5.750.0631.25最小值-6-230.02-21-110.020最大值3】160.0517430.124X80M钢级试验用钢板的横纵向性能差值见表4,虽然技术条件未对此作出限定，但可以从一定程度上展现钢板性能的各向异性。由表4可知，不管头部还是尾部，横向试样的屈服强度Rq”抗拉强度北、屈强比R心/Rm与450均高于纵向，其中R心与Rm的最大差值分

17、别为78MPa与33MPa,强度的各向异性比较明显。2.3钢管性能制管后，管体的性能在成型、焊接与扩径过程中会发生一系列变化。X80M钢级试验用钢板制管后的力学性能如图3所示。与钢板相比，管体的R心Rm、Rg/Rm、硬度HV10和S4均有不同程度提高，而48则显著降低。由图3(b)可知，直焊缝与环焊缝均采用了过匹配的焊接设计(除钢管4的表4X80M钢级试验用钢板的横纵向性能差值项目头部性能差值尾部性能差值Ra/MPaRJMPaRaU夫必/MPaRas/R.平均值45.7518.750.0431.53426.50.0150最小值67-0.0301921-0.02-2最大值78250.095713

18、30.081环焊缝），过配合有利于提高钢管的使用安全性。对比表12与图3可知：X80M钢级试验用钢板制管后，管体R心上升538MPa,平均升高213MPa;砒升高-ll13MPa,平均升高5.5MPa;RjRm升高00.04,平均升高0.03;硬度升高1437HV10,平均升高26.8HV10,其升高量主要来自焊缝成分与组织的差异；SA降低-5%2%，降低不明显，平均升高了2.1%;-10X.冲击吸收功4皿降低了-5-107J,平均降低了44.8Jo制管后,管体的喝%、R/Rm与硬度HV10升高，4“8降低，与其他研究成果一致对于SA升高，这种情况比较特殊，与样本数量较少有关。样品编号OP0P

19、1(a)Rtas样品编号OPOU3PP3P4(b)R°样品编号P0PI(c)Ras/Ru,样品编号PO样品编号CZ3PO,-20,COPl,-20*CP1,-5*C4匕y*套恣勺天234样品编号OPlP2P4P5(d)硬度HV10(e)SA(f)图3X80M钢级试验用钢板制管后的力学性能X80M钢级试验用钢板制管后的韧脆转变温度0B7T与冲击上平台能量USE如图4所示。对比表2与图4可知：制管后，管体的O87T提高，USE降低；管体S4为85%时，0B7T升高了022.0r,平均升高9.8SA为70%时，DBTT升高了-1.721.9平均升高5.3T;SA为50%时,D877升高了-

20、0.120.0无，平均升高11.4制管造成t/SE降低30-145J,平均降低62.5J;焊接热循环造成降低25200J,平均降低97.5J;焊缝的熔融作用造成USE降低35-145J,平均降低93.75Jo由此可见，制管过程中的变形作用，造成管材0B7T升高510龙，最高可达20乞；而管材的最少也要降低25J。为了安全，中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司等单位依据钢管的性能参数，设计钢板的低温韧性参数指标时,积累了以下经验：与钢管相比，钢板落锤撕裂试验温度降低15T,SA不变；冲击试验温度降低20增加20-30Jo该经验与本次制管前后低温韧性的变化规律一致。-70-60-40-30

21、-20104123试样编号S人为85%P0OS4为85%PI 为70%P0S4为70%PIS.为50%P0SA为50%PIP、都鹿鼠添留盅2.4钢管安全性评价管材中的裂纹是否能止裂，常采用Battelle双曲线模型计算得到的CV值作为判据“°：。CV值可以联合公式（1）-（2）得到：成刀=2.382x10-国侏）,/3(1)(2)（a）韧脆转变温度DBTT（b）冲击上平台能量USE2t式中CV2/3厚度试样对应的夏比冲击吸收功4kV8，JD钢管直径，mm,取1219mm;t钢管壁厚，mm,取22mm和275mm;p介质输送压力，MPa,取12MPao采用新粤浙煤制气工程技术参数与本文

22、的试验数据，计算并统计14号钢管的CV少计算值CV与试验值CVgE,具体见表5。在实践中，常选取CV置CV房1N1.7作为设计管道时选取的最小4“8值”由表5可知，X80M钢级试验用钢板制管后的。扃呵CV/N2.47,远高于经验安全系数。根据文献11-12和近年来的实践，研究人员有理由怀疑CV值作为裂纹止裂判据的有效性，因为它没有考虑时间对材料性能的影响；因此，人们开始使用疲劳试验过程中测得的裂纹尖端张开角CTOA或裂纹尖端张开位移CTOD作为裂纹止裂的判据。实际应用中，需要CTOAIO0才能保证管道不发生失稳扩展，。X80M钢级钢管的C7YM皿可试样编号钢管规格/mmCV*CTOA计算值/（

23、。）CTOD计算值/mm计算值试验值试验值/计算值14>1219x2262.5154.52.4726.80.4524>1219x2262.5306.74.9126.90.4534>1219x27.543.1249.35.7822.60.3744>1219x27.543.1299.36.9422.40.37图4X80M钢级试验用钢板制管后的韧脆转变温度DBTT与冲击上平台能量USE表5钢管安全性估算由公式（3M4）计算得出叩：CTOA13.83学）叫针网）a24(3)b_RtOn+RmUf式中E杨氏模最，GPa,取212GPao由公式（2）（4）可以计算出X80M钢级钢管

24、的CTOA,具体见表5。从表5可以看出，该钢管的CTOA计算值N22.4。，远高于实际应用中选取的判定值。CTQ4与的关系见公式（5）,其中取值范围为0.5-1.5mmc表5同时给出了CTOD计算值，CTODNO.37mm（x取最小值0.5mm）,远高于工程实践中要求的CTOD0.2mm。CT0D=2xtanY(5)上述分析表明，从CV、CTOA或CTOD等参数判断，14号钢管作为X80钢级钢管都安全。但是公式(1)(5)并没有考虑到氏的潜在影响，但文献2,13-14的研究则弥补了这一缺欠。Meng等人的研究结果表明：高压H2的存在，使X80钢级钢管的疲劳寿命至少降低一个数量级，即从纯氮气N2

25、中的24431个周期降为(5%H2+N)混合气体中的2130个周期。使钢管疲劳寿命降低的本质是加快了裂纹的扩展速度。在煤制气中，以新粤浙煤制气项目为例，&体积分数一般不高于2%。因疲劳寿命与氢分压的关系是指数关系，所以选用2130个周期作为14号X80钢级钢管的预期疲劳寿命是安全的。假定输送压力波动从12.0MPa至1.2MPa为一个周期且波动规律，如果输送压力1天波动1次，X80钢级钢管可以安全输送新粤浙煤制气5.84年；如果10天波动1次，则可以安全服役58.4年。由此可见，安全输送含%的煤制气，与输送天然气相比，其稳定输送压力是最值得关注的安全策略。3结论(1) X80M钢级钢板

26、具有良好的综合性能，所制钢管通过了第三方检验，完全达到了新粤浙煤制气项目技术规格书的要求；钢板头尾性能差异小，抗拉强度与屈服强度的差值分别W23MPa与31MPa;横、纵向强度差一个钢级，性能各向异性明显O(2) 制管后，钢材的屈服强度、抗拉强度、屈强比与硬度均有不同程度提高，夏比V型缺口冲击吸收功降低，剪切面积百分比有升有降；冲击吸收功降低的原因有变形、焊接热输入等。(3) 落锤撕裂试验、夏比冲击系列温度检验结果表明：制管后，X80M钢级钢材的韧脆转变温度提高，夏比冲击上平台能量降低，验证了制管后低温韧性降低的趋势。(4) 由CV.CTOA与CTO。等计算结果表明，X80M钢级钢管具有很好的

27、安全性；考虑氢气的影响，试验钢管的疲劳寿命与输送压力的稳定性直接相关。4参考文献(1LeeYH,LeeHM.KimY,etal.MechanicaldegradationofAPIX65pipelinesteelbyexposuretohydrogengasJ.MetalsandMaterialsInternational,2011,17(3):389-395.2 MengB,GuCH,ZhangL,etal.HydrogeneffectsonX80pipelinesteelinhigh-pressurenaturalgas-hydrogenmixturesU/OL.International

28、JournalofHydrogenEnergy,20162016-09-07.3 AlvaroA,OldenV,MacadreA,etal.HydrogenembrittlementsusceptibilityofaweldsimulatedX70heataffectedzoneunderH2pressureJ.MaterialsScienceandEngineeringA,2014,597(5):29-36.4 BriottetL,BatisseR,DinechinG,etal.RecommendationsonX80steelforthedesignofhydrogengastransmissionpipelinesJ.InternationalJournalofHydrog