抗大變形管線鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

抗大變形管線鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

0抗大變形焊管近年來，基于適應(yīng)性的高鋼管道設(shè)計(jì)一直是國(guó)際管道世界的研究重點(diǎn)。結(jié)果表明，地震和地質(zhì)災(zāi)害等原因造成的過度塑性變形是導(dǎo)致管道災(zāi)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(duì)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(zhì)災(zāi)害對(duì)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(guó)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(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū),嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行。國(guó)外已在多個(gè)管線中應(yīng)用抗大變形焊管,圖1是部分現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片,左圖是在凍土區(qū)的應(yīng)用照片,中間圖片是在滑坡區(qū)的應(yīng)用照片,右圖是在地震斷裂帶的應(yīng)用照片。目前,我國(guó)正處于管線建設(shè)的高潮期,已經(jīng)建設(shè)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(guó)在地震和地質(zhì)斷層區(qū)采用了以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的管線設(shè)計(jì)方法,首次大量采用了日本進(jìn)口X80抗大變形管線焊管,據(jù)稱,此類焊管應(yīng)具有圓屋頂形的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、低屈強(qiáng)比和較高的縱向均勻延伸率,可在較大的應(yīng)變條件下安全工作。我國(guó)正在建設(shè)的中緬油氣管道是世界建設(shè)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(zhì)災(zāi)害區(qū)。因此,為保證中緬油氣管道建設(shè)和安全運(yùn)行的需要,中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司組織國(guó)內(nèi)鋼廠、管廠聯(lián)合進(jìn)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(guó)內(nèi)外的研究表明,抗大變形管線鋼應(yīng)具有的主要力學(xué)性能包括:(1)連續(xù)屈服。即應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓屋頂形(roundhouse),無屈服點(diǎn)延伸。管線鋼的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線包括luderselongation形和roundhouse形2種,如圖2所示。(2)低屈強(qiáng)比。一方面是低的屈服強(qiáng)度。對(duì)于像抗大變形鋼這類屈服現(xiàn)象不明顯的材料,其屈服強(qiáng)度則定義為發(fā)生0.5%總應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力。對(duì)于抗大變形鋼由于屈服強(qiáng)度較抗拉強(qiáng)度低很多,而且是連續(xù)屈服,所以材料的抗脆斷強(qiáng)度升高,脆斷危險(xiǎn)性降低。因此,低屈強(qiáng)比是材料性能中不可缺少的重要指標(biāo)。(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(yīng)變就可使抗大變形雙相鋼的應(yīng)力達(dá)到500~550MPa,與一般低合金高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度相當(dāng)。在開始屈服變形時(shí)強(qiáng)度低,變形后的強(qiáng)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(qiáng)度。(4)高的形變強(qiáng)化指數(shù)n值。當(dāng)外界因素造成抗大變形焊管發(fā)生大位移變形時(shí),為抵抗進(jìn)一步變形,防止變形局部集中而造成焊管損毀失效,焊管應(yīng)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。抗大變形鋼的均勻延伸率和總延伸率是同鋼級(jí)高強(qiáng)度鋼的1.3~2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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)變的設(shè)計(jì)方法在國(guó)外得到了廣泛的研究,滿足基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)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(yīng)用的范例,但公開發(fā)表的關(guān)于抗大變形管線鋼性能研究的文獻(xiàn)及報(bào)道不多。日本是一個(gè)強(qiáng)烈地震多發(fā)的國(guó)家,所以對(duì)抗大變形管線鋼研究最深入,德國(guó)部分公司也有一定的研究。2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及微觀力學(xué)模型日本JFE公司對(duì)高強(qiáng)度抗大變形管線鋼的研究表明,獲得抗大變形性能的關(guān)鍵工藝之一是對(duì)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(yīng)變硬化性能(低屈強(qiáng)比)得到提高,而管線鋼的應(yīng)變硬化性能受到顯微組織的強(qiáng)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(duì)應(yīng)的最佳顯微組織,并先后開發(fā)出了X65~X120鋼級(jí)抗大變形管線管,其力學(xué)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(duì)雙相鋼加工硬化特性的影響,采用了“微觀力學(xué)”理論模型,通過該模型,雙相材料的流變應(yīng)力可由每個(gè)組成相的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系推測(cè)出來。連續(xù)塑性理論中使用的主應(yīng)力-主應(yīng)變Swift方程式為式中,i表示第i相,i=1時(shí),表示軟相,i=2時(shí),表示硬相。雙相材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以分為3個(gè)階段,如圖3所示。圖3顯示模型的3個(gè)階段,階段Ⅰ為兩相均彈性變形;階段Ⅱ?yàn)檐浵嗨苄宰冃?硬相繼續(xù)彈性變形;階段Ⅲ為兩相均塑性變形。當(dāng)加載的軸向拉伸應(yīng)力σA33達(dá)到軟相的屈服強(qiáng)度σyI時(shí),軟相開始塑性變形。雙相鋼的宏觀屈服強(qiáng)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(yīng)變的不連續(xù),從而導(dǎo)致了內(nèi)部應(yīng)力,這阻礙了軟相中進(jìn)一步的塑性流變,并有助于當(dāng)較硬相的應(yīng)力達(dá)σA33時(shí)啟動(dòng)其塑性流變,此時(shí)的σA33小于較硬相的屈服強(qiáng)度。在階段Ⅱ,兩相材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可描述為式中,εp1,σ1[εp1],f分別表示軟相的塑性應(yīng)變、軟相的流變應(yīng)力曲線和硬相的體積分?jǐn)?shù);F因子是與硬相形狀及其彈性常數(shù)相關(guān)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(qiáng)度差異及軟相的體積分?jǐn)?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(yàn)測(cè)定各組成相的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并按式(2)形式給出。圖4顯示出階段Ⅱ中n值對(duì)拉伸強(qiáng)度差值的分析結(jié)果:n值隨著硬相體積分?jǐn)?shù)及其強(qiáng)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(duì)鐵素體-貝氏體鋼而言,當(dāng)貝氏體的體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)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(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯屈服平臺(tái),當(dāng)貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),該雙相鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍然存在屈服平臺(tái);當(dāng)貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí),該雙相鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服平臺(tái)雖然消失,但存在明顯的拐點(diǎn);當(dāng)貝氏體-鐵素體雙相鋼中貝氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí),該雙相鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服平臺(tái)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(xué)模型分析結(jié)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(zhǎng),貝氏體相的長(zhǎng)徑比增大,形變強(qiáng)化指數(shù)增大。基于上述研究結(jié)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(tái)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和高的形變強(qiáng)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(jí)抗大變形管線管,其力學(xué)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(xì)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(yīng)用細(xì)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(shí)際生產(chǎn)的抗大變形管線管在熱時(shí)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(jí),組織均為雙相(鐵素體+貝氏體)鋼,其X80鋼級(jí)抗大變形管線管可得到0.78的低屈強(qiáng)比。具有優(yōu)良的焊接性和良好的延伸率,已經(jīng)應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能分析德國(guó)歐洲鋼管(EUROPIPE)為北部中央通道(NorthCentralCorridor)輸氣管線項(xiàng)目生產(chǎn)了2.5km的X100鋼級(jí)?1066.8mm×14.3mm的抗大變形鋼管。歐洲鋼管研究人員將獲得的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線,還對(duì)硬相體積分?jǐn)?shù)的影響進(jìn)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(yīng)變強(qiáng)化指數(shù),2種鋼材均具有圓屋頂形應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該公司針對(duì)這項(xiàng)工程用鋼板生產(chǎn)設(shè)計(jì)了合適的工藝參數(shù),得到了鐵素體+M/MA的雙相鋼。總體上各項(xiàng)力學(xué)性能滿足工程規(guī)范的要求,縱向矩形試樣拉伸試驗(yàn)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(jìn)行5min的時(shí)效處理后,縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍為圓屋頂形。根據(jù)國(guó)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(xué)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(xì)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(duì)因地面運(yùn)動(dòng)而引起的大應(yīng)變具有更高的抗彎折和抗斷裂能力。3對(duì)設(shè)計(jì)思想的影響我國(guó)部分石油企業(yè)依據(jù)管道建設(shè)的實(shí)際情況編制了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并將其應(yīng)用于部分管道工程的設(shè)計(jì)。但配套的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)仍處于空缺狀態(tài),主流的設(shè)計(jì)思想僅體現(xiàn)在管道抗震設(shè)計(jì)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(yīng)變不得超過1%,這種設(shè)計(jì)比較保守,原因是對(duì)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)的研究。而對(duì)其他可能產(chǎn)生大變形管段的管道設(shè)計(jì),如凍土的融沉和凍脹地段等,則是無標(biāo)準(zhǔn)可循。最近幾年,國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)、鋼廠和管廠已經(jīng)開始進(jìn)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(guó)產(chǎn)的抗大變形管線管投入使用,相關(guān)的產(chǎn)品還在開發(fā)中,抗大變形管線管的焊接技術(shù)還不成熟。3.1北京大學(xué)北京科技大學(xué)尚成嘉等人通過化學(xué)成分設(shè)計(jì)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?jǐn)?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(guó)石油天然氣集團(tuán)公司所屬多家單位分別開展了應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)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(guó)石油股份公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部發(fā)布了《西氣東輸二線管道工程強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層區(qū)段埋地管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)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(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供了理論依據(jù),同時(shí)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(shù)條件》和Q/SYGJX0104—2007《西氣東輸二線管道工程直縫埋弧焊管技術(shù)條件》的基礎(chǔ)上,發(fā)布實(shí)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(bǔ)充技術(shù)條件》及《西氣東輸二線管道工程基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)使用的直縫埋弧焊管補(bǔ)充技術(shù)條件》。巨龍鋼管公司與中石油石油管工程技術(shù)研究院、首鋼、沙鋼和南鋼共同協(xié)作,開始進(jìn)行X70和X80大變形焊管的開發(fā)與應(yīng)用研究。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院朱麗霞和何小東等人,對(duì)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(duì)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,3組X80抗大變形管線鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈連續(xù)屈服的圓屋頂形,且縱向屈強(qiáng)比均小于0.85;硬相M/A組元對(duì)X80鋼產(chǎn)生明顯的第二相強(qiáng)化作用,隨著M/A相含量的增加,材料屈服強(qiáng)度增大。屈強(qiáng)比主要受控于軟硬結(jié)合的AF+M/A雙相組織,硬相M/A組元的體積分?jǐn)?shù)與屈強(qiáng)比表現(xiàn)出非線性關(guān)系。2011年1月15日,中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部組織召開了中緬油氣管道抗大變形焊管國(guó)產(chǎn)化工作協(xié)調(diào)會(huì),X70大變形焊管小批量試制工作正式啟動(dòng)。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(jí)?1016mm×17.5mm21mm和?813mm×14.7mm抗大變形焊管,其拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)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(zé)任公司等管廠參加下一步試制工作。歷經(jīng)8個(gè)月的緊張攻關(guān),國(guó)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(biāo)志著我國(guó)的高性能抗大變形管線鋼及焊管生產(chǎn)水平邁上了一個(gè)新臺(tái)階,躋身世界先進(jìn)水平。青縣巨龍鋼管公司試制了規(guī)格為X70級(jí)?1016mm×17.5mm/21mm抗大變形焊管,圖7是其生產(chǎn)的X70級(jí)?1016mm×21mm抗大變形焊管實(shí)物照片,表4是焊管時(shí)效后的拉伸力學(xué)性能。南京巨龍鋼管公司試制了X70級(jí)?813mm×14.7mm和X70級(jí)?1016mm×17.5mm抗大變形焊管,表5是其焊管時(shí)效后的拉伸力學(xué)性能。寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司試制了X70級(jí)?1016mm×17.5mm抗大變形焊管,表6是焊管時(shí)效后的拉伸力學(xué)性能。3.3試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分2011年寶鋼對(duì)中緬油氣管線用X70抗大變形鋼及焊管進(jìn)行了組織性能試驗(yàn)研究。采用500kg真空感應(yīng)爐冶煉了低C、高M(jìn)n、Nb-Ti微合金化的X70試驗(yàn)鋼,其化學(xué)成分見表7。利用上述同一化學(xué)成分的鋼,按照相同的2個(gè)階段控軋工藝和4種不同的控冷工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室鋼板軋制試驗(yàn),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(cè)只有鐵素體+貝氏體雙相鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓屋頂形曲線,并且各項(xiàng)力學(xué)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(tuán)成功開發(fā)出了抗大變形X70級(jí)UOE焊管,表8和表9是其橫向及縱向力學(xué)性能。4強(qiáng)度控軋+空冷弛豫+間斷式加速冷卻m國(guó)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(guó)內(nèi)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