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(zhǎng)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(dòng)帶鋪設(shè)的管線多是UOE鋼管。這些地帶地層的變動(dòng)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(jié)引起鋼管彎曲和彎曲復(fù)原的變形。 對(duì)于在這種環(huán)境下鋪設(shè)的鋼管，必須具有一定的變形能，即必須具有在預(yù)計(jì)的應(yīng)變條件下保證鋼管完好的允許應(yīng)變值，這種設(shè)計(jì)方法叫做基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)(SBD) 。在 SBD中將彎曲變形、 軸向拉壓變形時(shí)的壓縮應(yīng)變極限。和拉伸應(yīng)變極限 。納入設(shè)計(jì)的考慮因素。是發(fā)生壓曲時(shí)的應(yīng)變， 。由環(huán)形焊縫的允許缺陷決定。因此提高

2、鋼管壓縮應(yīng)變極限是開發(fā)高變形能管線鋼管的首要目標(biāo)。 。的支配因子是 SS(應(yīng)力應(yīng)變 )曲線所代表的鋼管力學(xué)性能和環(huán)縫焊接鋼管的形狀不規(guī)整性。在力學(xué)性能方面，加工硬化率、塑性各向異性和應(yīng)變時(shí)效對(duì) 。的影響最大。在鋼管形狀方面，鋼管長(zhǎng)度方向(L 方向 )的形狀不規(guī)整 ( 外徑、壁厚的波動(dòng) )、環(huán)縫焊接區(qū)的焊接變形、 環(huán)縫對(duì)接錯(cuò)位等因素對(duì) 。的影響最大。為對(duì)上述 。的影響因素的影響程度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)， 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(jí)數(shù)值解析模擬技術(shù)。這些技術(shù)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(duì)客戶技術(shù)咨詢的工具，同時(shí)也是鋼管材料設(shè)計(jì)的有利工具。SBD 必須保證在每個(gè)管線項(xiàng)

3、目提出的應(yīng)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(shè)計(jì)方法是過匹配。通常，為了防腐蝕對(duì)鋼管進(jìn)行加熱涂裝，這時(shí)必須采取措施抑制應(yīng)變時(shí)效引起的鋼管強(qiáng)度升高。鋼管強(qiáng)度的下限值是該鋼級(jí)的最小強(qiáng)度，管強(qiáng)度的上限值應(yīng)小于現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)焊接金屬?gòu)?qiáng)度的最小值。因此必須認(rèn)真研究鋼管的制造方法， 使鋼管的強(qiáng)度滿足上述狹窄的強(qiáng)度范圍。此外， 提高鋼管彎曲變形時(shí)的抗壓曲能力的基本方法是鋼管的高均勻伸長(zhǎng)率和低屈強(qiáng)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(shí)現(xiàn)這個(gè)要求的重要方法是微觀組織的微細(xì)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(qiáng)度以及均勻壁厚等四項(xiàng)綜合性能，過去在鋼中添加大量的Mo 、 Ni 等稀有高價(jià)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(shè)計(jì)原則2.1 環(huán)縫焊接鋼管的FEA 模型和變形能預(yù)測(cè)精度鋼管形狀不規(guī)整模型為進(jìn)行彎曲時(shí)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(jìn)行環(huán)縫焊接后的L 方向半徑波動(dòng)的實(shí)測(cè)值和模型形狀。鋼管半徑波動(dòng)由三項(xiàng)構(gòu)成:第一項(xiàng)是可用正弦波近似表示的UOE 鋼管本身具有的半徑波動(dòng)b；第二項(xiàng)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(shí)，環(huán)縫焊接引起的半徑波動(dòng)g；第三項(xiàng)是環(huán)縫焊接時(shí)焊縫對(duì)接錯(cuò)位引起的半徑波動(dòng) 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(yīng)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(duì)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(duì)鋼管彎曲時(shí)的壓曲進(jìn)行評(píng)價(jià)，使鋼管本體和

6、鋼管焊接區(qū)的形狀實(shí)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(duì)于壓縮應(yīng)變敏感性解析也是很重要的。對(duì)于鋼管應(yīng)特別關(guān)注的是，鋼管制造時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變和鋼管出廠后進(jìn)行加熱耐蝕涂裝引起SS曲線變化的同時(shí)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(cè)定的 SS 曲線。成型狀態(tài) (as)鋼管在長(zhǎng)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(jìn)一步的擴(kuò)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(zhǎng)，兩個(gè)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(qiáng)度各向異性對(duì)鋼管壓曲特性的影響。2.1.3變形預(yù)測(cè)精度圖 5是鋼管變形能的實(shí)管試驗(yàn)結(jié)果和上述解析模型變形模擬結(jié)果。實(shí)管試驗(yàn)鋼管是914D ×19.6t，X80UOE 鋼管， 針對(duì)涂裝加熱、 環(huán)縫焊接和原始狀態(tài)，制備了3 個(gè)試驗(yàn)鋼管試樣，采用加拿大C-FER 技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。 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(duì)鋼管施加彎曲負(fù)荷，彎曲力矩達(dá)到最大值時(shí)的彎曲應(yīng)變是 bend=e/(2 L/D) 。將 bend 定義為壓縮應(yīng)變極

8、限c 計(jì)算式中的 是彎曲角度， L是測(cè)定標(biāo)距長(zhǎng)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(jié)果非常一致。圖 6表示出各鋼管實(shí)管試驗(yàn)得到的 c、使用塑性各向異性函數(shù)的FEA模擬解析結(jié)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(jié)果(ISO) 。根據(jù)該圖，在鋼管塑性各向異性條件下， 對(duì)各種鋼管都可獲得高精度的 c 預(yù)測(cè)結(jié)果， 但如假定鋼管塑性各向同性，則 c 預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。此外，試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行模型化，使用塑性各向異性的屈服函數(shù)，可以對(duì)環(huán)縫焊接鋼管的變形能進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)。利用該技術(shù)還可以對(duì)變形能影響因子進(jìn)行解析。2.2鋼管的力學(xué)性能對(duì)變形能的影響方向力學(xué)性能對(duì) c 的影響SBD 使用的鋼管對(duì)彎曲負(fù)荷時(shí)的主應(yīng)力方向即 L 方向的力學(xué)性能有要求。利用 FEA 模型評(píng)價(jià)了對(duì) c 影響最大的力學(xué)性能。圖 7 是 1220D × 32.5t， X60 鋼管在施加 40% 管體屈服內(nèi)壓的負(fù)荷時(shí)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(guān)關(guān)系。 在海外的 SBD 項(xiàng)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(guān)性最大。原因是壓曲開始時(shí)的局部應(yīng)變達(dá)到5%。因此，高變形能管線鋼管開發(fā)的目標(biāo)是高 1%/ 5%值。2.2.2 C 方向的力學(xué)性能對(duì) 。的影響涂裝加熱使 L 方向的SS 曲線出現(xiàn)屈服伸長(zhǎng)，被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致彎曲變形能下降。因此在鋼管材料開發(fā)時(shí)，應(yīng)在提高加工硬化率的同時(shí)，并使SS 曲線圓弧化。但是，關(guān)于C 方向SS 曲線產(chǎn)生屈服伸長(zhǎng)對(duì) 。的影響尚不明確。使用不同時(shí)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(duì)兩個(gè)模型得到的 。進(jìn)行比

11、較，圖 8 是比較的結(jié)果。圖8 中還有各溫度下的 C 方向屈服伸長(zhǎng) (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(shí)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(guān)關(guān)系， 加工硬化各向異性FEA 模型求出的 。與實(shí)管試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力 -應(yīng)變行為對(duì)鋼管的壓曲特性有影響，而且 C方向

12、的應(yīng)力 -應(yīng)變行為對(duì)鋼管的壓曲特性也有影響。2.2.3 鋼管強(qiáng)度波動(dòng)對(duì) 。的影響在鋼管商業(yè)化生產(chǎn)中，鋼管強(qiáng)度可以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)。因此在鋼管鋪設(shè)時(shí)，以焊接環(huán)縫為界， 鋼管的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度差 YS 和 。的關(guān)系。這是在軸向應(yīng)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(jié)果?？梢钥闯?，在各個(gè)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(gè)結(jié)果說明，在對(duì)管線進(jìn)行 SBD 為代表的塑性設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮鋼管材料特性，還要考

13、慮鋼管強(qiáng)度的波動(dòng)。2.3 鋼管形狀不規(guī)整對(duì)鋼管變形能影響的定量化解析圖 10 是對(duì)762D × 15.8t，X80 鋼管施加72%鋼管屈服內(nèi)壓時(shí)各種形狀不規(guī)整性對(duì) 。影響的定量化解析結(jié)果。解析的基本條件是鋼管之間的屈服強(qiáng)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(duì)接錯(cuò)位s)的疊加作用引起的。下降的最大值是17%，而 YS 為 50MPa 時(shí)的 。下降的最大值是28%。由此可知，鋼管間強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì) 。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(shí)管試驗(yàn)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(shè)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(jié)果，制造高變形能鋼管的關(guān)鍵點(diǎn)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(zhǎng)。3)減少鋼管之間的強(qiáng)度波動(dòng)，即鋼管的窄強(qiáng)度范圍制造。新日鐵住金根據(jù)上述關(guān)鍵點(diǎn)，開發(fā)出高變形能管線鋼管。3.1 開發(fā)鋼的設(shè)計(jì)思想-為保證良好的加工硬化特性，鋼的組織應(yīng)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(yīng)保證 -40低溫韌性， 為此鋼的組織應(yīng)是平均晶粒直徑小于5 m(ASTM法 )的微細(xì)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(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)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(jìn)行防蝕涂裝時(shí)，鋼管會(huì)發(fā)生應(yīng)變時(shí)效。鋼中的游離碳越多，應(yīng)變時(shí)效越容易發(fā)生，導(dǎo)致屈強(qiáng)比升高。 由于均勻伸長(zhǎng)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(yù)應(yīng)變并經(jīng)240 應(yīng)變時(shí)效處理后屈服強(qiáng)度的增量。無 Mo 鋼應(yīng)變時(shí)效處理后屈服強(qiáng)度的升高受到抑制。圖 12 是無Mo 鋼和含Mo 鋼應(yīng)變時(shí)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(huì)生成

16、馬氏體和未轉(zhuǎn)變的 。本試驗(yàn)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(gè)特點(diǎn)是利用獨(dú)有的加速冷卻裝置(CLC- )在彌補(bǔ)無Mo 鋼的強(qiáng)度不足的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高精度均勻冷卻，可將鋼板的強(qiáng)度控制在窄范圍內(nèi)。利用CLC- 冷卻裝置建立了慢冷工藝，對(duì)鐵素體和貝氏體的組織分量進(jìn)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(shí)施緩慢加速冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)了鋼板強(qiáng)度的窄范圍化(抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍在50MP a 以內(nèi) )。第三個(gè)特點(diǎn)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(chǔ)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(duì)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(yīng)變失效前后的力學(xué)性能。圖15 是 240應(yīng)變時(shí)效前后的屈強(qiáng)比和均勻伸長(zhǎng)率。應(yīng)變時(shí)效前后的屈強(qiáng)比都小于88%，均勻伸長(zhǎng)率都大于10%。鋼管 -具有超微細(xì)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(yàn))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(xì)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(shí)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(shè)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(jié)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(xiàng)技術(shù)不可缺少，一項(xiàng)是在通用鋼管材料的基礎(chǔ)上提高變形能的技術(shù)，另一項(xiàng)是證實(shí)鋼管性能可信賴性的技術(shù)服務(wù)。新日鐵住金