抗大变形管线钢的研究现状与发展趋势

抗大变形管线钢的研究现状与发展趋势

0抗大变形焊管近年来，基于适应性的高钢管道设计一直是国际管道世界的研究重点。结果表明，地震和地质灾害等原因造成的过度塑性变形是导致管道灾难的主要原因。为了克服冻土带、滑坡带、地震带等恶劣条件对管线造成的大位移变形的影响,为了保证服役管线的安全性和完整性,把地震和地质灾害对管线造成的影响降到最小限度,就要求焊管具有较大的抗大变形能力。我国有很多重要油气管线都要经过地震断裂带或滑坡、黄土湿陷、水土流失、泥石流、坍塌等地质灾害多发地区,严重影响管道的安全运行。国外已在多个管线中应用抗大变形焊管,图1是部分现场应用照片,左图是在冻土区的应用照片,中间图片是在滑坡区的应用照片,右图是在地震断裂带的应用照片。目前,我国正处于管线建设的高潮期,已经建设的西气东输二线管道共通过45条断裂带,从西气东输二线工程开始,我国在地震和地质断层区采用了以应变为基础的管线设计方法,首次大量采用了日本进口X80抗大变形管线焊管,据称,此类焊管应具有圆屋顶形的拉伸应力-应变曲线、低屈强比和较高的纵向均匀延伸率,可在较大的应变条件下安全工作。我国正在建设的中缅油气管道是世界建设难度最大的管道工程之一,管道沿线经过大量地震和地质灾害区。因此,为保证中缅油气管道建设和安全运行的需要,中国石油天然气集团公司组织国内钢厂、管厂联合进行了该工程所需的X70大变形焊管研发和生产工作。1大变形钢的屈服性能国内外的研究表明,抗大变形管线钢应具有的主要力学性能包括:(1)连续屈服。即应力-应变曲线为圆屋顶形(roundhouse),无屈服点延伸。管线钢的典型应力-应变曲线包括luderselongation形和roundhouse形2种,如图2所示。(2)低屈强比。一方面是低的屈服强度。对于像抗大变形钢这类屈服现象不明显的材料,其屈服强度则定义为发生0.5%总应变时的应力。对于抗大变形钢由于屈服强度较抗拉强度低很多,而且是连续屈服,所以材料的抗脆断强度升高,脆断危险性降低。因此,低屈强比是材料性能中不可缺少的重要指标。(3)尽量大的加工硬化速率。尤其是初始的加工硬化速率(dσ/dε),这样只需5%以下的应变就可使抗大变形双相钢的应力达到500~550MPa,与一般低合金高强度钢的屈服强度相当。在开始屈服变形时强度低,变形后的强度高。变形后的焊管具有高的压溃抗力、大变形吸收能和高的疲劳强度。(4)高的形变强化指数n值。当外界因素造成抗大变形焊管发生大位移变形时,为抵抗进一步变形,防止变形局部集中而造成焊管损毁失效,焊管应具有高的n值,特别是均匀变形阶段的n值一般大于0.1。(5)大的均匀延伸率和总延伸率。抗大变形钢的均匀延伸率和总延伸率是同钢级高强度钢的1.3~2倍。均匀延伸率和总延伸率越高,变形能力越好。X70抗大变形焊管标准要求均匀延伸率下限为7%,总延伸率下限为22%。2抗大变形管线钢性能研究近年来,管线基于应变的设计方法在国外得到了广泛的研究,满足基于应变设计条件的抗大变形焊管也日益成熟,成功开发了抗大变形焊管产品,并且已经有了成功应用的范例,但公开发表的关于抗大变形管线钢性能研究的文献及报道不多。日本是一个强烈地震多发的国家,所以对抗大变形管线钢研究最深入,德国部分公司也有一定的研究。2.1应力-应变关系及微观力学模型日本JFE公司对高强度抗大变形管线钢的研究表明,获得抗大变形性能的关键工艺之一是对钢的双相金相组织的控制。管线管的抗大变形性能可以通过提高应变硬化性能(低屈强比)得到提高,而管线钢的应变硬化性能受到显微组织的强烈影响。JFE公司采用可模拟双相钢微观行为的解析法和有限元法研究了抗大变形管线钢对应的最佳显微组织,并先后开发出了X65~X120钢级抗大变形管线管,其力学性能见表1。分别利用“控轧+加速冷却工艺”和“控轧+加速冷却+回火工艺”得到了铁素体+贝氏体双相钢和贝氏体+M/A(马氏体-奥氏体组元)双相钢。为研究显微组织特征对双相钢加工硬化特性的影响,采用了“微观力学”理论模型,通过该模型,双相材料的流变应力可由每个组成相的应力-应变关系推测出来。连续塑性理论中使用的主应力-主应变Swift方程式为式中,i表示第i相,i=1时,表示软相,i=2时,表示硬相。双相材料的应力-应变关系可以分为3个阶段,如图3所示。图3显示模型的3个阶段,阶段Ⅰ为两相均弹性变形;阶段Ⅱ为软相塑性变形,硬相继续弹性变形;阶段Ⅲ为两相均塑性变形。当加载的轴向拉伸应力σA33达到软相的屈服强度σyI时,软相开始塑性变形。双相钢的宏观屈服强度等于σyI。软相中塑性变形的继续加剧了两相边界处可变形性应变的不连续,从而导致了内部应力,这阻碍了软相中进一步的塑性流变,并有助于当较硬相的应力达σA33时启动其塑性流变,此时的σA33小于较硬相的屈服强度。在阶段Ⅱ,两相材料的应力-应变曲线可描述为式中,εp1,σ1[εp1],f分别表示软相的塑性应变、软相的流变应力曲线和硬相的体积分数;F因子是与硬相形状及其弹性常数相关的函数。使用上述模型,JFE研究了3种类型的双相钢中硬相和软相的强度差异及软相的体积分数等产生的影响。在模型中软相都是铁素体,硬相则可选珠光体、贝氏体或马氏体。通过试验测定各组成相的应力-应变曲线,并按式(2)形式给出。图4显示出阶段Ⅱ中n值对拉伸强度差值的分析结果:n值随着硬相体积分数及其强度的增大而增大。铁素体-贝氏体钢的n值比铁素体-珠光体钢的n值高,铁素体-马氏体钢的n值最高。对铁素体-贝氏体钢而言,当贝氏体的体积分数大于30%时可得到较高的n值(如n值大于0.1)。从图5中可以看出,铁素体钢的应力-应变曲线具有明显屈服平台,当贝氏体-铁素体双相钢中贝氏体体积分数为10%时,该双相钢应力-应变曲线仍然存在屈服平台;当贝氏体-铁素体双相钢中贝氏体体积分数为20%时,该双相钢应力-应变曲线屈服平台虽然消失,但存在明显的拐点;当贝氏体-铁素体双相钢中贝氏体体积分数达到30%时,该双相钢应力-应变曲线屈服平台消失,曲线呈圆屋顶形。铁素体-贝氏体钢双相组织的微观力学模型分析结果如图6所示,从图中可以看出,在贝氏体-铁素体钢中,微观组织沿轧制方向被拉长,贝氏体相的长径比增大,形变强化指数增大。基于上述研究结果,通过控制轧制和在线加速冷却以及控制贝氏体-铁素体微观组织,可以得到无屈服平台的应力-应变曲线和高的形变强化指数。2.2抗大变形管线管新日铁公司已经研发出X60~X100高钢级抗大变形管线管,其力学性能见表2。该公司的研究表明,双相组织能有效提高变形能力,通过控制轧制和弱加速冷却工艺可以获得细小弥散分布的双相组织,可以提高塑性变形能力及低温韧性,因此,应用细小弥散的双相组织可以制造具有优越低温韧性的抗大变形管线管;实际生产的抗大变形管线管在热时效后仍具有优越的变形能力和低温韧性。新日铁开发的X60和X80钢级,组织均为双相(铁素体+贝氏体)钢,其X80钢级抗大变形管线管可得到0.78的低屈强比。具有优良的焊接性和良好的延伸率,已经应用在Sakhalin线上。根据日本的研究,抗大变形管线钢既要有足够的强度,又必须有足够的变形能力,其组织状态一般为包含硬相和软相的双相组织或多相组织。硬相为管线钢提供必要的强度,软相保证足够的塑性。日本开发的抗大变形钢组织主要为铁素体+贝氏体和贝氏体+MA。2.3力学性能分析德国欧洲钢管(EUROPIPE)为北部中央通道(NorthCentralCorridor)输气管线项目生产了2.5km的X100钢级ɸ1066.8mm×14.3mm的抗大变形钢管。欧洲钢管研究人员将获得的应力-应变曲线分解为硬相(珠光体、贝氏体或马氏体)和软相(铁素体)应力-应变曲线,还对硬相体积分数的影响进行了研究。研究发现,含有10%马氏体的钢和含有30%贝氏体的钢表现出相同的、足够高的应变强化指数,2种钢材均具有圆屋顶形应力-应变曲线。该公司针对这项工程用钢板生产设计了合适的工艺参数,得到了铁素体+M/MA的双相钢。总体上各项力学性能满足工程规范的要求,纵向矩形试样拉伸试验的均匀延伸率大于5.0%,所有炉批母材的夏比冲击韧性平均值为222J,在235℃下进行5min的时效处理后,纵向应力-应变曲线仍为圆屋顶形。根据国外的研究,目前可作为抗大变形管线钢的材料有铁素体+贝氏体双相钢、贝氏体+M/A双相钢和针状铁素体钢(针状铁素体(AF)+多边形铁素体(PF)+M/A)。通过控制钢的化学成分、控冷控轧和热处理工艺就可得到上述几种微观组织形态的管线钢,并细化钢中各相晶粒,用这几种金相组织的管线钢制成的焊管就能获得比普通管线钢更优越的塑性变形能力,这些管线管对因地面运动而引起的大应变具有更高的抗弯折和抗断裂能力。3对设计思想的影响我国部分石油企业依据管道建设的实际情况编制了相关的企业标准,并将其应用于部分管道工程的设计。但配套的行业标准或国家标准仍处于空缺状态,主流的设计思想仅体现在管道抗震设计规范上,如规范要求在地震波作用下管道拉伸的允许应变不得超过1%,这种设计比较保守,原因是对应变设计缺乏系统的研究。而对其他可能产生大变形管段的管道设计,如冻土的融沉和冻胀地段等,则是无标准可循。最近几年,国内研究机构、钢厂和管厂已经开始进行抗大变形管线钢及焊管的研发工作。但是2011年9月之前,还没有国产的抗大变形管线管投入使用,相关的产品还在开发中,抗大变形管线管的焊接技术还不成熟。3.1北京大学北京科技大学尚成嘉等人通过化学成分设计和控轧控冷工艺得到了F+B双相钢,钢中均匀分布F相的体积分数为20%,延伸率22%。3.2配合开发抗大变形管线钢的工艺与研发近几年,中国石油天然气集团公司所属多家单位分别开展了应变设计方法的研究,并且通过研究已经掌握了抗大变形管线钢生产工艺。2008年4月30日,中国石油股份公司管道建设项目经理部发布了《西气东输二线管道工程强震区和活动断层区段埋地管道基于应变设计导则》,为西气东输二线管道工程用大变形管线钢板和焊管的设计及生产提供了理论依据,同时在Q/SYGJX0103—2007《西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管用热轧钢板技术条件》和Q/SYGJX0104—2007《西气东输二线管道工程直缝埋弧焊管技术条件》的基础上,发布实施了《西气东输二线管道工程大变形直缝埋弧焊管用热轧钢板补充技术条件》及《西气东输二线管道工程基于应变设计地区使用的直缝埋弧焊管补充技术条件》。巨龙钢管公司与中石油石油管工程技术研究院、首钢、沙钢和南钢共同协作,开始进行X70和X80大变形焊管的开发与应用研究。中国石油天然气集团石油管工程技术研究院朱丽霞和何小东等人,对比研究了3组X80抗大变形管线钢的拉伸性能和显微组织,分析了微观组织第二相对力学性能的影响。结果表明,3组X80抗大变形管线钢的拉伸应力-应变曲线均呈连续屈服的圆屋顶形,且纵向屈强比均小于0.85;硬相M/A组元对X80钢产生明显的第二相强化作用,随着M/A相含量的增加,材料屈服强度增大。屈强比主要受控于软硬结合的AF+M/A双相组织,硬相M/A组元的体积分数与屈强比表现出非线性关系。2011年1月15日,中国石油管道建设项目经理部组织召开了中缅油气管道抗大变形焊管国产化工作协调会,X70大变形焊管小批量试制工作正式启动。根据目前中缅油气管道抗大变形焊管的需求,确定试制X70级ɸ1016mm×17.5mm21mm和ɸ813mm×14.7mm抗大变形焊管,其拉伸性能标准要求指标见表3。根据前期各工厂的试制情况,决定委托宝钢、鞍钢、首钢、湘钢和南钢等钢厂与青县巨龙、南京巨龙、宝钢和宝鸡石油钢管有限责任公司等管厂参加下一步试制工作。历经8个月的紧张攻关,国产X70大变形焊管小批量试制成功,2011年9月16日,各规格钢板和焊管产品全部通过了鉴定。这标志着我国的高性能抗大变形管线钢及焊管生产水平迈上了一个新台阶,跻身世界先进水平。青县巨龙钢管公司试制了规格为X70级ɸ1016mm×17.5mm/21mm抗大变形焊管,图7是其生产的X70级ɸ1016mm×21mm抗大变形焊管实物照片,表4是焊管时效后的拉伸力学性能。南京巨龙钢管公司试制了X70级ɸ813mm×14.7mm和X70级ɸ1016mm×17.5mm抗大变形焊管,表5是其焊管时效后的拉伸力学性能。宝鸡石油钢管有限责任公司试制了X70级ɸ1016mm×17.5mm抗大变形焊管,表6是焊管时效后的拉伸力学性能。3.3试验钢的化学成分2011年宝钢对中缅油气管线用X70抗大变形钢及焊管进行了组织性能试验研究。采用500kg真空感应炉冶炼了低C、高Mn、Nb-Ti微合金化的X70试验钢,其化学成分见表7。利用上述同一化学成分的钢,按照相同的2个阶段控轧工艺和4种不同的控冷工艺进行了实验室钢板轧制试验,分别得到了铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体、针状铁素体+马氏体和铁素体+针状铁素体4种不同的双相钢。经性能检测只有铁素体+贝氏体双相钢的应力-应变曲线为圆屋顶形曲线,并且各项力学性能都满足X70抗大变形管线钢的要求。本次试制中宝钢集团成功开发出了抗大变形X70级UOE焊管,表8和表9是其横向及纵向力学性能。4强度控轧+空冷弛豫+间断式加速冷却m国外研究表明,可作为抗大变形管线钢的材料有铁素体+贝氏体、贝氏体+M/A和针状铁素体钢3种钢。目前,国内钢厂和管厂联合研发的抗大变形管线钢主要是铁素体+贝氏