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螺旋钢管应用:西气东输用钢管延性断裂止裂韧性的准确性和可行性

作者:元成钢管 点击数: 更新时间:2012年12月02
Tags:螺旋钢管

元成钢管讯: 西气东输输气管线贯穿中国东西,全长4000公里,管径1016毫米,输气工作压力10兆帕,钢管材料选用APISPEC5LX70。受西气东输项目部委托,由中油管道局负责研究并编制西气东输管线用钢、钢管、热煨弯管等六项技术条件。在编制过程中首先应考虑的是高压输送天然气管线钢管,除要保证强度、刚度、焊接性能外,还需考虑脆性断裂、延性断裂、断裂的止裂及腐蚀性能。对于高压输气管线建设,国外已有一定经验,如加拿大至美国的Alliance输气管线、Amoco在北海修建的CATS水压输气管线等所使用的管线钢,都是上世纪八十年代末期发展起来的超高韧性针状铁素体型管线钢。西气东输这样世界级管线用钢应当与当代国际先进水平保持同步,即选用针状铁素体型管线钢;其次是确定合理止裂韧性水平;第三是在保持管线用钢质量的前题下,尽量国产化,下面就这几方面论述如下:

一、针状铁素体型管线钢
  针状铁素体是现代高性能管线钢在组织结构上的特征,针状铁素体管线钢通过冶金设计、冶炼工艺、轧制工艺,即采用低碳、微合金成分设计、高纯净化冶炼、钙处理碳化物形态控制、控轧控冷工艺,综合利用固溶强化、晶粒强化、微合金元素的析出强化和亚结构强化而获得高性能针状铁素体型管线钢。这种管线钢具有如下基本特点:

  1.化学成分设计为多元微合金化
  管线钢中的针状铁素体可通过多元微合金化、控轧控冷而获得。合金成分是在20世纪七十年代初Mn—Nb系的基础上发展起来的。目前,Mn—Mo—Nb系微合金管线钢是一种典型的针状铁素体钢。这种钢中的针状铁素体形成主要是Mo的加入,Mo能降低相变温度,抑制块状铁素体的形成,从而促进了针状铁素体的转变。为了提高韧性,通过添加Nb使奥氏体晶粒尽量细化。这种针状铁素体管线钢的含碳量通常小于0.08%,在其组织中除针状铁素体外,还含有一定数量的多边形铁素体等其它组织。

  在Mn—Mo—Nb系研究的基础上,上世纪八十年代初研究开发了Mn—Nb—B—Ti系管线钢。这种合金设计思想充分利用了B在相变动力学上的重要特征。加入微量的B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上形核,使铁素体转变曲线明显右移,同时使贝氏体转变曲线变得扁平,从而即便在超低碳(<0.03%)的情况下,在一个较大的冷却范围内,都能获得全部针状铁素体组织。这种钢通常称为超低碳贝氏体钢。超低碳贝氏体钢比针状铁素体钢含有更大比例的针状铁素体组织,它的超低碳特征使其能够适应寒带现场环缝焊接和在酸性环境中使用。

  根据西气东输用钢的要求和针状铁素体钢的特点,我们为西气东输用钢规定的化学成分最大含量如下:
  含碳量每减少0.01%时,锰的允许最大含量可以增加0.05%,但在产品分析中锰含量不得超过1.75%;铬+钼+锰的总含量不应超过锰的最大允许含量+0.20%。

  2.高的形变强化能力
  形变强化决定于材料的应力—应变曲线,其是否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢的形变强化有重要影响。针状铁素体钢与铁素体—珠光体钢相比,具有明显不同的应力—应变特征。由于针状铁素体管线钢具有连续屈服行为,因而有高的形变强化能力,从而可补偿和抵消因包申格效应所引起的强度损失。我们可以看出针状铁素体管线钢和其它类型组织管线钢在制管过程中强度的变化。显而易见,针状铁素体管线钢的强度不会因制管经受拉、压反复应变而过大地降低。这是由于针状铁素体中存在高密度的可移动位错而易于实现多滑移,因而针状铁素体具有连续的屈服行为和高的形变强化能力。
  3.高强度、高韧性
  针状铁素体最显著的性能特征是优良的强韧性。
  对一种管线钢通过不同规范的控制轧制和控制冷却,不同的终冷温度可以获得多边形铁素体(F)、针状铁素体(AF)和上贝氏体(UB)。从这些组织与力学性能的关系可以看出,在这些不同的组织形态中,针状铁素体具有高强度的同时,还具有低的韧脆转变温度FATT。研究表明针状铁素体管线钢组织与力学性能之间的关系式有:
  σs(Mpa)=88+27Mn+83Si+2900Ni+15.1d-+σph+σdh
  FATT(℃)=-19+44Si+700f+0.26(σph+σdh)-11.5D-
  式中d—针状铁素体的板条尺寸,毫米;
  Nf—自由氮的含量;
  σph—碳氮化合物的析出强化;
  σdh—位错强化;
  D—针状铁素体的板条束尺寸,毫米。
  针状铁素体管线钢具有优良的强韧特性,是由于针状铁素体形成过程中的过饱和固溶和细小亚结构。从奥氏体向针状铁素体管线钢的转变过程是一种共格切变过程。转变过程中局部地区位错缠结而成为亚晶,晶内具有较高密度的位错。由于体心立方结构层错能高,不易分解成扩展位错而易发生交滑移,亚晶内的位错具有很大的可动性,因而赋予针状铁素体良好的强韧特性。
  4.优良的焊接性能和耐蚀性
              
  针状铁素体管线钢的冶金特征是低碳、超低碳和超纯净。这些特征不仅使针状铁素体管线钢具有高的强韧特性,同时也确保了其他性能的提高,如焊接性和抗腐蚀性能等。钢中含碳量是影响可焊性的最重要因素,虽然针状铁素体管线钢进行了多元合金化,然而由于其低或超低的含碳量,因而是一种优良的易焊钢。由于针状铁素体管线钢是细晶粒低碳、低硫钢,使其在H2S等油气腐蚀环境中具有高的抗腐蚀性能。

二、延性断裂的止裂韧性要求
  高压输送天然气管线与输油管线的最大区别在其断裂扩展特性。原油的减压速度为2000米/秒左右,管线一旦发生断裂,内压立即降低,断裂就停止了。而输气管线的压缩比大,减压速度天然气为400米/秒左右,脆性断裂时断裂在管壁中以500~1000米/秒快速扩展,输气管道的断裂就容易长距离传播。输气管道除发生脆断外还会发生以60~350米/秒慢速扩展的延性断裂事故。高压输送天然气管线一旦发生断裂,往往引起不堪设想的重大事故,要建设一条输气管线,必须考虑管道的断裂控制问题。对于断裂的控制,直到1974年BATTELLE的W.A.MAXEY发表了针对输气管线的止裂模型,才基本掌握了它的规律。

  MAXEY控制延性断裂模型的要点是根据材料的延性断裂扩展阻力JR曲线(MaterialResistanceCurve)和气体泄压曲线(GasDecompressionCurve),从它们的对应关系判断输气管线所需的止裂最低韧性,再通过全尺寸钢管爆破实验进行校正,确定高压输气管线所需的延性止裂韧性。迄今为止,国外已经进行过近三百次输气管线全尺寸对延性断裂的止裂实验,得出多个经验公式,利用这些经验公式可以测算出对X70强度级别以下的输气管线钢管所需的止裂韧性要求。
  常用的经验公式有:
  Battelle:CVN=2.382×10-5σH2(Rt)1/3 
  AISI:CVN=2.377×10-4σH1.5D0.5
  BG:CVN=10-3×σH(2.08R/t0.5-10-6×υ0R1.25/t0.75)
  Mannesmann:CVN=19.99(2.87×10-7σH1.75D1.09t0.585)
  Japan:CVN=2.498×10-6σH2.33D0.3t0.47
  CSM:CVN=2.52×10-4×RσH+1.245×10-5RtσH2/d-0.627t-6.8×10-8R2d/t
  上述式中:CVN—2/3尺寸夏比试样冲击韧性值,J;
  σH—环向应力,兆帕;
  D—钢管外径,毫米;
  R—钢管半径,毫米;
  t—钢管壁厚,毫米;
  υ0—气体中的声速,米/秒;
  d—埋深,毫米。
              
  为了论证我们为西气东输管线工程用钢管所确定的延性断裂止裂韧性的准确性和可行性,西气东输项目部邀请美国BATTLEEL、BP、AMOCO和日本住友公司的几位世界第一流的延性断裂止裂专家来华举办高压输气管线延性断裂国际研讨会。BATTELLE的专家针对西气东输工程的具体条件,即管径1016毫米,管壁14.6毫米,压力兆帕,输送经净化后符合GB17820Ⅱ级天然气,使用X70针状铁素体型钢,要求在一根管长(12.5米)范围内止裂,经测算所需的止裂韧性为90~110J。而日本住友的专家根据日本HLP于1978~1983年针对铁素体~珠光体X70管线钢连续作的7次全尺寸爆破止裂实验(5次压缩空气,2次天然气)验证的公式计算,所需的止裂韧性数值为120J。测算结果与我们提交大会的为西气东输制定的钢板及钢管的止裂韧性数据基本相同,考虑其他因素,确保管线钢管延性断裂后能在一根管长范围内止裂。

  -20摄氏度下夏比冲击韧性要求三针状铁素体型X70管线钢钢管的国产化。
              高强韧性能针状铁素体型管线钢,在国内尚未生产过,对该钢种也不熟悉,为了西气东输的需要,宝钢根据西气东输管线用钢的具体要求,进行了针状铁素体型X70管线钢的成分、工艺研究与设计,成功地为西气东输供应了厚14.6毫米36万吨钢板卷,武钢、鞍钢、舞阳钢厂也相继研究成功并供应西气东输一定量的此类钢材。

  国产X70针状铁素体型管线钢,采用超低碳、低硫、Nb、V、Ti微合金化和控制组织的Mo合金化的成分设计,采用纯净冶炼和夹杂物控制技术,采用控轧控冷的热机械处理技术,通过这些技术获得高强度、高韧性的针状铁素体组织管线钢,其拉伸性能、制管时的包辛格效应、屈强比均比铁素体—珠光体钢优越,而在冲击韧性方面,针状铁素体型X70管线钢则比含碳量相对较高的铁素体+珠光体型管线钢具有更高的Charpy冲击韧性,低的Charpy韧脆转变温度和DWTT冲击韧脆转变温度。通过超低硫、钙处理工艺,针状铁素体钢的Charpy冲击上平台能各向异性很少,-40摄氏度各取向的Charpy冲击功均大于200J,-100摄氏度横向和纵向仍具有大于200J的Charpy冲击功,上平台Charpy冲击功的最大值接近400J。而铁素体+贫珠光体试验钢的Charpy冲击功尽管也表现出大于100J的高韧性,但因硫含量相对较高而表现出明显的冲击性能各向异性,横向和45度方向的冲击功低于纵向的冲击功。在横向的DWTT性能方面,针状铁素体试验钢85%FATT较非针状铁素体试验钢的低10~40摄氏度,具有良好的抗低温动态撕裂能力,这对保证大口径输气管的止裂性能具有重要的作用。

  西气东输工程用大管径、厚壁、高强高韧钢管,除对管线用钢提出了严格要求外,对钢管的焊缝也提出了严格要求,例如在-20摄氏度时要求焊缝、热影响区夏比冲击韧性三个试样平均冲击功≥90J,单个试样冲击功≥60J。制管厂根据西气东输用钢管的技术条件,与研究单位一起做了大量工作,使国内制管的质量大大地提高了一步。这些工作主要包括:

  (1)开发了新型焊材和工艺
              
  在上世纪九十年代开发H08D、H08C焊丝,SJ101焊剂的基础上,经不断改进和完善后,还开发了性能更好的适用于高强、高韧、抗HIC专用的焊材,如H05M等,使焊缝和热影响区的性能、工艺性能得到提高和改善,所有性能指标均超过了技术条件的要求。

  (2)采用了先进的钢管成型工艺
  其中包括:①采用铣边代替刨边,使板边的加工精度提高,坡口形式采用X型;②采用无回弹或小回弹成型工艺,保证了钢管结构应力(残余应力)最小;③采用了管端扩径,保证了管端尺寸公差和圆度;④采用了内外多丝焊接,保证了焊缝成型质量。

  由于采取了有效的措施,经有关单位检测评价,一致认为国产西气东输用钢管的质量与进口西气东输用钢管的质量相当,有些关键指标,还超过了国外钢管的水平。

三、结论
  通过国内外共同研究、交流和参考国外同类管线的成功经验,确定的止裂韧性指标是能保证在一根管长范围内止裂的。由于止裂韧性要求高,其他性能要求也较严格。所以西气东输工程用钢选用具有高强度、高韧性、低转变温度的X70针状铁素体型管线钢,符合工程要求,符合当代世界管线钢发展方向和水平。针状铁素体型管线钢在国内尚未生产过,对它的认识也不够深入,通过国内冶金企业、制管企业的研究、试制,成功地生产出了此类管线钢和钢管,其质量完全满足西气东输工程用钢、钢管的技术条件要求,实现了西气东输用钢、钢管的部分国产化,也使我国冶金、制管企业技术水平跃入了世界先进水平的行列。 

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