抗大變形管線鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

抗大變形管線鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

0抗大變形焊管近年來，基于適應性的高鋼管道設計一直是國際管道世界的研究重點。結果表明，地震和地質災害等原因造成的過度塑性變形是導致管道災難的主要原因。為了克服凍土帶、滑坡帶、地震帶等惡劣條件對管線造成的大位移變形的影響,為了保證服役管線的安全性和完整性,把地震和地質災害對管線造成的影響降到最小限度,就要求焊管具有較大的抗大變形能力。我國有很多重要油氣管線都要經(jīng)過地震斷裂帶或滑坡、黃土濕陷、水土流失、泥石流、坍塌等地質災害多發(fā)地區(qū),嚴重影響管道的安全運行。國外已在多個管線中應用抗大變形焊管,圖1是部分現(xiàn)場應用照片,左圖是在凍土區(qū)的應用照片,中間圖片是在滑坡區(qū)的應用照片,右圖是在地震斷裂帶的應用照片。目前,我國正處于管線建設的高潮期,已經(jīng)建設的西氣東輸二線管道共通過45條斷裂帶,從西氣東輸二線工程開始,我國在地震和地質斷層區(qū)采用了以應變?yōu)榛A的管線設計方法,首次大量采用了日本進口X80抗大變形管線焊管,據(jù)稱,此類焊管應具有圓屋頂形的拉伸應力-應變曲線、低屈強比和較高的縱向均勻延伸率,可在較大的應變條件下安全工作。我國正在建設的中緬油氣管道是世界建設難度最大的管道工程之一,管道沿線經(jīng)過大量地震和地質災害區(qū)。因此,為保證中緬油氣管道建設和安全運行的需要,中國石油天然氣集團公司組織國內鋼廠、管廠聯(lián)合進行了該工程所需的X70大變形焊管研發(fā)和生產(chǎn)工作。1大變形鋼的屈服性能國內外的研究表明,抗大變形管線鋼應具有的主要力學性能包括:(1)連續(xù)屈服。即應力-應變曲線為圓屋頂形(roundhouse),無屈服點延伸。管線鋼的典型應力-應變曲線包括luderselongation形和roundhouse形2種,如圖2所示。(2)低屈強比。一方面是低的屈服強度。對于像抗大變形鋼這類屈服現(xiàn)象不明顯的材料,其屈服強度則定義為發(fā)生0.5%總應變時的應力。對于抗大變形鋼由于屈服強度較抗拉強度低很多,而且是連續(xù)屈服,所以材料的抗脆斷強度升高,脆斷危險性降低。因此,低屈強比是材料性能中不可缺少的重要指標。(3)盡量大的加工硬化速率。尤其是初始的加工硬化速率(dσ/dε),這樣只需5%以下的應變就可使抗大變形雙相鋼的應力達到500~550MPa,與一般低合金高強度鋼的屈服強度相當。在開始屈服變形時強度低,變形后的強度高。變形后的焊管具有高的壓潰抗力、大變形吸收能和高的疲勞強度。(4)高的形變強化指數(shù)n值。當外界因素造成抗大變形焊管發(fā)生大位移變形時,為抵抗進一步變形,防止變形局部集中而造成焊管損毀失效,焊管應具有高的n值,特別是均勻變形階段的n值一般大于0.1。(5)大的均勻延伸率和總延伸率?？勾笞冃武摰木鶆蜓由炻屎涂傃由炻适峭摷壐邚姸蠕摰?.3~2倍。均勻延伸率和總延伸率越高,變形能力越好。X70抗大變形焊管標準要求均勻延伸率下限為7%,總延伸率下限為22%。2抗大變形管線鋼性能研究近年來,管線基于應變的設計方法在國外得到了廣泛的研究,滿足基于應變設計條件的抗大變形焊管也日益成熟,成功開發(fā)了抗大變形焊管產(chǎn)品,并且已經(jīng)有了成功應用的范例,但公開發(fā)表的關于抗大變形管線鋼性能研究的文獻及報道不多。日本是一個強烈地震多發(fā)的國家,所以對抗大變形管線鋼研究最深入,德國部分公司也有一定的研究。2.1應力-應變關系及微觀力學模型日本JFE公司對高強度抗大變形管線鋼的研究表明,獲得抗大變形性能的關鍵工藝之一是對鋼的雙相金相組織的控制。管線管的抗大變形性能可以通過提高應變硬化性能(低屈強比)得到提高,而管線鋼的應變硬化性能受到顯微組織的強烈影響。JFE公司采用可模擬雙相鋼微觀行為的解析法和有限元法研究了抗大變形管線鋼對應的最佳顯微組織,并先后開發(fā)出了X65~X120鋼級抗大變形管線管,其力學性能見表1。分別利用“控軋+加速冷卻工藝”和“控軋+加速冷卻+回火工藝”得到了鐵素體+貝氏體雙相鋼和貝氏體+M/A(馬氏體-奧氏體組元)雙相鋼。為研究顯微組織特征對雙相鋼加工硬化特性的影響,采用了“微觀力學”理論模型,通過該模型,雙相材料的流變應力可由每個組成相的應力-應變關系推測出來。連續(xù)塑性理論中使用的主應力-主應變Swift方程式為式中,i表示第i相,i=1時,表示軟相,i=2時,表示硬相。雙相材料的應力-應變關系可以分為3個階段,如圖3所示。圖3顯示模型的3個階段,階段Ⅰ為兩相均彈性變形;階段Ⅱ為軟相塑性變形,硬相繼續(xù)彈性變形;階段Ⅲ為兩相均塑性變形。當加載的軸向拉伸應力σA33達到軟相的屈服強度σyI時,軟相開始塑性變形。雙相鋼的宏觀屈服強度等于σyI。軟相中塑性變形的繼續(xù)加劇了兩相邊界處可變形性應變的不連續(xù),從而導致了內部應力,這阻礙了軟相中進一步的塑性流變,并有助于當較硬相的應力達σA33時啟動其塑性流變,此時的σA33小于較硬相的屈服強度。在階段Ⅱ,兩相材料的應力-應變曲線可描述為式中,εp1,σ1[εp1],f分別表示軟相的塑性應變、軟相的流變應力曲線和硬相的體積分數(shù);F因子是與硬相形狀及其彈性常數(shù)相關的函數(shù)。使用上述模型,JFE研究了3種類型的雙相鋼中硬相和軟相的強度差異及軟相的體積分數(shù)等產(chǎn)生的影響。在模型中軟相都是鐵素體,硬相則可選珠光體、貝氏體或馬氏體。通過試驗測定各組成相的應力-應變曲線,并按式(2)形式給出。圖4顯示出階段Ⅱ中n值對拉伸強度差值的分析結果:n值隨著硬相體積分數(shù)及其強度的增大而增大。鐵素體-貝氏體鋼的n值比鐵素體-珠光體鋼的n值高,鐵素體-馬氏體鋼的n值最高。對鐵素體-貝氏體鋼而言,當貝氏體的體積分數(shù)大于30%時可得到較高的n值(如n值大于0.1)。從圖5中可以看出,鐵素體鋼的應力-應變曲線具有明顯屈服平臺,當貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分數(shù)為10%時,該雙相鋼應力-應變曲線仍然存在屈服平臺;當貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分數(shù)為20%時,該雙相鋼應力-應變曲線屈服平臺雖然消失,但存在明顯的拐點;當貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分數(shù)達到30%時,該雙相鋼應力-應變曲線屈服平臺消失,曲線呈圓屋頂形。鐵素體-貝氏體鋼雙相組織的微觀力學模型分析結果如圖6所示,從圖中可以看出,在貝氏體-鐵素體鋼中,微觀組織沿軋制方向被拉長,貝氏體相的長徑比增大,形變強化指數(shù)增大。基于上述研究結果,通過控制軋制和在線加速冷卻以及控制貝氏體-鐵素體微觀組織,可以得到無屈服平臺的應力-應變曲線和高的形變強化指數(shù)。2.2抗大變形管線管新日鐵公司已經(jīng)研發(fā)出X60~X100高鋼級抗大變形管線管,其力學性能見表2。該公司的研究表明,雙相組織能有效提高變形能力,通過控制軋制和弱加速冷卻工藝可以獲得細小彌散分布的雙相組織,可以提高塑性變形能力及低溫韌性,因此,應用細小彌散的雙相組織可以制造具有優(yōu)越低溫韌性的抗大變形管線管;實際生產(chǎn)的抗大變形管線管在熱時效后仍具有優(yōu)越的變形能力和低溫韌性。新日鐵開發(fā)的X60和X80鋼級,組織均為雙相(鐵素體+貝氏體)鋼,其X80鋼級抗大變形管線管可得到0.78的低屈強比。具有優(yōu)良的焊接性和良好的延伸率,已經(jīng)應用在Sakhalin線上。根據(jù)日本的研究,抗大變形管線鋼既要有足夠的強度,又必須有足夠的變形能力,其組織狀態(tài)一般為包含硬相和軟相的雙相組織或多相組織。硬相為管線鋼提供必要的強度,軟相保證足夠的塑性。日本開發(fā)的抗大變形鋼組織主要為鐵素體+貝氏體和貝氏體+MA。2.3力學性能分析德國歐洲鋼管(EUROPIPE)為北部中央通道(NorthCentralCorridor)輸氣管線項目生產(chǎn)了2.5km的X100鋼級?1066.8mm×14.3mm的抗大變形鋼管。歐洲鋼管研究人員將獲得的應力-應變曲線分解為硬相(珠光體、貝氏體或馬氏體)和軟相(鐵素體)應力-應變曲線,還對硬相體積分數(shù)的影響進行了研究。研究發(fā)現(xiàn),含有10%馬氏體的鋼和含有30%貝氏體的鋼表現(xiàn)出相同的、足夠高的應變強化指數(shù),2種鋼材均具有圓屋頂形應力-應變曲線。該公司針對這項工程用鋼板生產(chǎn)設計了合適的工藝參數(shù),得到了鐵素體+M/MA的雙相鋼?？傮w上各項力學性能滿足工程規(guī)范的要求,縱向矩形試樣拉伸試驗的均勻延伸率大于5.0%,所有爐批母材的夏比沖擊韌性平均值為222J,在235℃下進行5min的時效處理后,縱向應力-應變曲線仍為圓屋頂形。根據(jù)國外的研究,目前可作為抗大變形管線鋼的材料有鐵素體+貝氏體雙相鋼、貝氏體+M/A雙相鋼和針狀鐵素體鋼(針狀鐵素體(AF)+多邊形鐵素體(PF)+M/A)。通過控制鋼的化學成分、控冷控軋和熱處理工藝就可得到上述幾種微觀組織形態(tài)的管線鋼,并細化鋼中各相晶粒,用這幾種金相組織的管線鋼制成的焊管就能獲得比普通管線鋼更優(yōu)越的塑性變形能力,這些管線管對因地面運動而引起的大應變具有更高的抗彎折和抗斷裂能力。3對設計思想的影響我國部分石油企業(yè)依據(jù)管道建設的實際情況編制了相關的企業(yè)標準,并將其應用于部分管道工程的設計。但配套的行業(yè)標準或國家標準仍處于空缺狀態(tài),主流的設計思想僅體現(xiàn)在管道抗震設計規(guī)范上,如規(guī)范要求在地震波作用下管道拉伸的允許應變不得超過1%,這種設計比較保守,原因是對應變設計缺乏系統(tǒng)的研究。而對其他可能產(chǎn)生大變形管段的管道設計,如凍土的融沉和凍脹地段等,則是無標準可循。最近幾年,國內研究機構、鋼廠和管廠已經(jīng)開始進行抗大變形管線鋼及焊管的研發(fā)工作。但是2011年9月之前,還沒有國產(chǎn)的抗大變形管線管投入使用,相關的產(chǎn)品還在開發(fā)中,抗大變形管線管的焊接技術還不成熟。3.1北京大學北京科技大學尚成嘉等人通過化學成分設計和控軋控冷工藝得到了F+B雙相鋼,鋼中均勻分布F相的體積分數(shù)為20%,延伸率22%。3.2配合開發(fā)抗大變形管線鋼的工藝與研發(fā)近幾年,中國石油天然氣集團公司所屬多家單位分別開展了應變設計方法的研究,并且通過研究已經(jīng)掌握了抗大變形管線鋼生產(chǎn)工藝。2008年4月30日,中國石油股份公司管道建設項目經(jīng)理部發(fā)布了《西氣東輸二線管道工程強震區(qū)和活動斷層區(qū)段埋地管道基于應變設計導則》,為西氣東輸二線管道工程用大變形管線鋼板和焊管的設計及生產(chǎn)提供了理論依據(jù),同時在Q/SYGJX0103—2007《西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管用熱軋鋼板技術條件》和Q/SYGJX0104—2007《西氣東輸二線管道工程直縫埋弧焊管技術條件》的基礎上,發(fā)布實施了《西氣東輸二線管道工程大變形直縫埋弧焊管用熱軋鋼板補充技術條件》及《西氣東輸二線管道工程基于應變設計地區(qū)使用的直縫埋弧焊管補充技術條件》。巨龍鋼管公司與中石油石油管工程技術研究院、首鋼、沙鋼和南鋼共同協(xié)作,開始進行X70和X80大變形焊管的開發(fā)與應用研究。中國石油天然氣集團石油管工程技術研究院朱麗霞和何小東等人,對比研究了3組X80抗大變形管線鋼的拉伸性能和顯微組織,分析了微觀組織第二相對力學性能的影響。結果表明,3組X80抗大變形管線鋼的拉伸應力-應變曲線均呈連續(xù)屈服的圓屋頂形,且縱向屈強比均小于0.85;硬相M/A組元對X80鋼產(chǎn)生明顯的第二相強化作用,隨著M/A相含量的增加,材料屈服強度增大。屈強比主要受控于軟硬結合的AF+M/A雙相組織,硬相M/A組元的體積分數(shù)與屈強比表現(xiàn)出非線性關系。2011年1月15日,中國石油管道建設項目經(jīng)理部組織召開了中緬油氣管道抗大變形焊管國產(chǎn)化工作協(xié)調會,X70大變形焊管小批量試制工作正式啟動。根據(jù)目前中緬油氣管道抗大變形焊管的需求,確定試制X70級?1016mm×17.5mm21mm和?813mm×14.7mm抗大變形焊管,其拉伸性能標準要求指標見表3。根據(jù)前期各工廠的試制情況,決定委托寶鋼、鞍鋼、首鋼、湘鋼和南鋼等鋼廠與青縣巨龍、南京巨龍、寶鋼和寶雞石油鋼管有限責任公司等管廠參加下一步試制工作。歷經(jīng)8個月的緊張攻關,國產(chǎn)X70大變形焊管小批量試制成功,2011年9月16日,各規(guī)格鋼板和焊管產(chǎn)品全部通過了鑒定。這標志著我國的高性能抗大變形管線鋼及焊管生產(chǎn)水平邁上了一個新臺階,躋身世界先進水平。青縣巨龍鋼管公司試制了規(guī)格為X70級?1016mm×17.5mm/21mm抗大變形焊管,圖7是其生產(chǎn)的X70級?1016mm×21mm抗大變形焊管實物照片,表4是焊管時效后的拉伸力學性能。南京巨龍鋼管公司試制了X70級?813mm×14.7mm和X70級?1016mm×17.5mm抗大變形焊管,表5是其焊管時效后的拉伸力學性能。寶雞石油鋼管有限責任公司試制了X70級?1016mm×17.5mm抗大變形焊管,表6是焊管時效后的拉伸力學性能。3.3試驗鋼的化學成分2011年寶鋼對中緬油氣管線用X70抗大變形鋼及焊管進行了組織性能試驗研究。采用500kg真空感應爐冶煉了低C、高Mn、Nb-Ti微合金化的X70試驗鋼,其化學成分見表7。利用上述同一化學成分的鋼,按照相同的2個階段控軋工藝和4種不同的控冷工藝進行了實驗室鋼板軋制試驗,分別得到了鐵素體+珠光體、鐵素體+貝氏體、針狀鐵素體+馬氏體和鐵素體+針狀鐵素體4種不同的雙相鋼。經(jīng)性能檢測只有鐵素體+貝氏體雙相鋼的應力-應變曲線為圓屋頂形曲線,并且各項力學性能都滿足X70抗大變形管線鋼的要求。本次試制中寶鋼集團成功開發(fā)出了抗大變形X70級UOE焊管,表8和表9是其橫向及縱向力學性能。4強度控軋+空冷弛豫+間斷式加速冷卻m國外研究表明,可作為抗大變形管線鋼的材料有鐵素體+貝氏體、貝氏體+M/A和針狀鐵素體鋼3種鋼。目前,國內鋼廠和管廠聯(lián)合研發(fā)的抗大變形管線鋼主要是鐵素體+貝氏