X80M鋼級煤制天然氣輸送用鋼制管前后的組織與性能.docx

1、X80M鋼級煤制天然氣輸送用鋼制管前后的組織與性能劉文月、任毅1，2,張帥1，2,王爽1，2,高紅1（1.鞍山鋼鐵集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山114009）摘要：詳細介紹了X80M鋼級煤制天然氣輸送用鋼板的組織，以及制管前后性能變化情況；結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)與工程參數(shù)，利用斷裂韌性計算公式，分析該鋼管的服役狀態(tài)。分析結(jié)果表明：X80M鋼級煤制天然氣輸送用鋼板的組織以針狀鐵素體為主，且低溫韌性優(yōu)良；制管后，鋼材的屈服強度、抗拉強度、屈強比與硬度均有不同程度提高.低溫韌性降低；該X80M鋼級鋼管的安全性良好，若考慮氫氣的影響，可以在輸送壓力穩(wěn)

2、定時安全使用。關(guān)鍵詞：管線管；煤制氣；X80M鋼級；組織；性能；氫氣中圖分類號：TG142.1文獻標志碼：B文章編號：1001-2311（2017）01-0009-06MicrostructureandPropertiesofX80MSteelforSNG-linepipeasShownbeforeandafterPipe-makingProcessLUIWenyue",RENYifZHANGShuai12,WANGShuang1'2,GAOHong1(1.IronandSteelResearchInstitute,AnshanIronandSteelGroupCorpora

3、tion,Anshan114009.China;2.StateKeyLaboratoryofMetalMaterialforMarineEquipmentandApplication,Anshan114009,China)Abstract:DetailedinthepaperarethemicrostructureoftheX80MsteelplateforSNG-linepipe-makingandchangesofitspropertiesshownbeforeandafterpipe-makingprocess.Basedontheavailabledataandengineeringp

4、arameterstheserviceconditionsofthesteelpipeareanalyzedwiththecalculationformulaoffracturetoughness.Theresultrevealsthefollowingfacts.TheX80Msteelplateisofthemicrostructureformedmainlyofacicularferrite,andhasexcellentlow-temperaturetoughness.Afterpipe-makingprocess,thematerial'smechanicalproperti

5、eslikeyieldstrength,tensilestrength,yieldratioandhardnessaremoreorlessenhanced,whileitslow-temperaturetoughnessisreduced.MoreovertheX80Mlinepipealsohasexcellentsafetyperformance.Evenincaseoftheeffectbyhydrogen,theX80Mlinepipecanstillassureofsafeoperationprovidedthetransmissionpressureisconsistenenou

6、gh.Keywords：linepipe;SNG;St.X80M;microstructure;property;hydrogen煤制天然氣（簡稱煤制氣）是煤化工的一項重要產(chǎn)品，是清潔高效利用煤炭資源的重要方式之一。與常規(guī)天然氣相比，煤制氣中含有一定體積分數(shù)的H2oC-Mn鋼暴露在H2中，特別是在高壓H2中，會誘發(fā)C-Mn鋼性能退化，表現(xiàn)為抗拉強度、斷后伸長率與疲勞壽命降低等卜久當也壓力達到0.10.6MPa,X70M鋼級管線鋼就會發(fā)生璽脆力。為了規(guī)避的不利影響，人們一直采用低鋼級材料輸送煤制氣口乞事實證明，這種行為過于保守。文劉文月（1980-）,男，工學博士，高級工程師，從事管線鋼寬厚板產(chǎn)

7、品的研發(fā)。獻4的研究結(jié)果表明，使用商用X80M鋼級管線管輸送高壓光與輸送天然氣一樣安全可靠。因此,在進行新粵浙煤制氣項目時，使用X80M鋼級管線管是安全可靠的。2015年9月，鞍鋼股份有限公司（簡稱鞍鋼）與巨龍鋼管有限公司（簡稱巨龍鋼管）、中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司（簡稱寶世順）參與新粵浙煤制氣項目用X80M鋼級干線管的研制。所制61219mmx22/27.5mm管線管及制管用熱軋鋼板均通過了第三方檢驗，并完全滿足新粵浙煤制氣項目技術(shù)規(guī)格書的要求。本文將主要分析所制鋼板的組織、制管前后性能變化，以及管道安全評價等內(nèi)容。1試驗過程試撿鋼為I'/度25()mm的連鑄壞軋制成的X80M

8、鋼級熱軋鋼板.鋼板厚度為22mm與27.5mm，Jt化學成分w(C)為0.045%-0.055%,w(Mn)為1.65%-1.75%.w(Mo+Cu+Ni+Cr)為0.25%7.45%。鋼板采用兩階段控制軋制，軋后在奧氏體向鐵索體轉(zhuǎn)變的起始溫度L附近以15無人的冷卻速度冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度口點.狹得以針狀鐵索體為主的組織鋼板經(jīng)性能檢騎合格后，送往管廠采用JCOE方式制管所制鋼管及制管用鋼板由國家，油管材質(zhì)址監(jiān)督檢驗中心依據(jù)ASTMA3702015(鋼產(chǎn)品力學性能試羚方法和定義、APISp<-<-512012管線鋼管規(guī)范進行第:方檢驗；由中國"汕大然'(管道科學

9、研究院進行鋼管的環(huán)焊縫詁應性評價為了表述方便，將鋼板編弓為1、2、3、4,鋼管勺制管用鋼板使用相同的編可1、2、3、4分別代&寶世順制管用22mm鋼板、f«龍鋼管制管用22mm鋼板、寶世順制管用27.5nun鋼板、P.龍鋼管制管用27.5mm鋼板在鋼板1/2寬度處切取金相試樣，經(jīng)研傍、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后.用DMIRM光學顯微鏡觀察顯微組織。拉伸性能檢測、V型缺口夏比沖擊試驗CVN、落錘撕裂試段DWTT均選用橫向試樣。在鋼板1/2寬度處切取拉伸試樣.在鋼板1/4寬度處進行V型缺LI夏比沖擊試驗CVN與落錘撕裂試驗DWTT取樣樣品的加I：、檢測依據(jù)與第二.方檢驗標準相同.分

10、別在室溫、-20"-3()V.完成鋼板頭尾性能測試此外，還檢騎了鋼板1/4寬度處縱向拉伸室溫性能管體的拉伸、CVN、DWTT樣品取樣位置、方向與鋼板取樣位置、方向一一對應.檢驗溫度為室溫、-5T、-10T管體橫向拉伸試樣為未矯"的圓悻試樣,縱向拉伸試樣為未矯立的矩形試樣,i)rr試樣先矯祥再加工根據(jù)取樣來源與位世的不同.將鋼板、管體、汽焊縫熱影響區(qū)、直焊縫、環(huán)焊縫中心與環(huán)焊縫熔合線兒個位置分別標id為P0、Pl、P2、P3、P4與P5,因為檢驗需求不同,不同標記處的檢驗項目也會不同2結(jié)果與討論2.1鋼板金相組織在試驗鋼全壁障方向1/4處取金相試樣.X80M鋼級試驗用鋼板的典

11、型組織形貌如圖1所示從圖I可以以出:X80M鋼級試驗用鋼板的組織主要:是針狀鐵素體AF,還“部分多邊形鐵索體PF、1：貝氏體IB與粒狀貝氏體GB以及少冊的4氏體奧氏體組元MA針狀鐵素體AF具有較高的位錯密度與大角度晶界密度11仃良好的強韌件特征上貝氏體LB與粒狀貝氏體(；B雖然析出溫度低XV析出溫度，但.是其大角度晶界數(shù)妝少.仃效晶粒尺寸大不利于提高鋼板低溫韌性多邊形鐵素體PF屈服強度低、知性好.有利于減少AF、UB、GB與MA等高硬度組織變形過程中的應力集中;PF能阻礙裂紋的生成與擴展，但是數(shù)般不宜過多.否則會造成右效品粒尺寸增大.從而惡化低溫切性JMA作為硬質(zhì)相.一般認為是裂紋形核點,少M

12、細小彌散分僧的MA仃利提高鋼板的綜合性能7O(it)鋼板I(1>)鋼板2(<)鋼板3(<1)鋼板4圖IXX0M鋼級試驗用鋼板的典型組織形貌2.2鋼板性能X80M鋼級試驗川鋼板的力學性能(頭部橫向)結(jié)果見表12試驗結(jié)果表明:X80M鋼級試驗用鋼板的以度從22mm增加到27.5mm.鋼板的屈服強度R心、屈強比Aw/A,“、顯微硬度HV10*jDWIT)'切面積百分比S,1“減小的趨勢，他性能指標基本相同；凹切面積百分比為85%、70%450%時.所對應的韌脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT分別小于-19.0X.-28.9X4-39.9T.沖擊上平臺能htLWN43OJ切脆轉(zhuǎn)變溫度DHTT

13、低、沖擊上平臺能技USE高說明試驗鋼板財良好的低溫切性STEELPIPEFeb.2017.Vol.46.N(».I表1鋼板室溫拉伸與顯微硬度檢驗結(jié)果試樣編號膈/MPa&/MPaRgs/R.代2%硬度HV1015986610.904822225696510.874922635606560.855220745566540.8557213技術(shù)要求555-705625-825W0.92N20W255為了分析整張鋼板的性能均勻性和異向性，分析了鋼板的頭尾低溫韌性差異。X80M鋼級試驗用鋼板的頭尾低溫韌性差值如圖2所示，其中縱向數(shù)值為頭部性能減去尾部性能所得的數(shù)值，橫向虛線代表著性能無差

14、異線。從圖2可以看出：該X80M鋼級試驗用鋼板頭部剪切面積百分比S4低于尾部剪切面積百分比，而沖擊吸收功Am有高有低。圖2X80M鋼級試驗用鋼板的頭尾低溫韌性差值表2鋼板低溫韌性檢驗結(jié)果試樣編號-30r沖擊吸收功-20T乾切面積百分比SA/%韌脆轉(zhuǎn)變溫度沖擊上平臺能址USE/J123平均值12平均值SA為85%SA為70%SA為50%1384448467433929594-37.6-50.5-60.薩4302476467473472868586-20.3-28.9-39.94853459462466462858585-25.3-39.2-57.04754485463477475869289-1

15、9.0-30.4-42.9470技術(shù)要求>200N250M70N85一-注：實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于該試羚溫度，由于未進行更低溫度的檢驗，因此無法確定其體數(shù)值。X80M鋼級試驗用鋼板的頭尾拉伸性能差值見表3。由表3可知：不論取樣方向是橫向還是縱向，該鋼板頭部的Rm與喝屆均高于尾部&05與R心而抗拉強度A.則是尾部高于頭部；頭部橫向斷后伸長率/Us低于尾部4505,縱向則相反。橫向試樣頭尾R加最多相差31MPa,低于技術(shù)條件中40MPa的上限要求；縱向試樣頭尾R心差異較大，可達74MPa,但技術(shù)條件并未對其提出要求。橫向試樣頭尾最多相差23MPa,高于縱向試樣11MPa的最大差值；橫向

16、試樣與縱向試樣的頭尾4%差別不大，均未超過2個數(shù)值。表3X80M鋼級試驗用鋼板的頭尾拉伸性能差值項目橫向性能頭尾差值縱向性能頭尾差值A(chǔ)JMPaRJMPa代2%/?<u/MPaKn/MPaU%平均值16.75-10.03-0.2533.5-5.750.0631.25最小值-6-230.02-21-110.020最大值3】160.0517430.124X80M鋼級試驗用鋼板的橫縱向性能差值見表4,雖然技術(shù)條件未對此作出限定，但可以從一定程度上展現(xiàn)鋼板性能的各向異性。由表4可知，不管頭部還是尾部，橫向試樣的屈服強度Rq”抗拉強度北、屈強比R心/Rm與450均高于縱向，其中R心與Rm的最大差值分

17、別為78MPa與33MPa,強度的各向異性比較明顯。2.3鋼管性能制管后，管體的性能在成型、焊接與擴徑過程中會發(fā)生一系列變化。X80M鋼級試驗用鋼板制管后的力學性能如圖3所示。與鋼板相比，管體的R心Rm、Rg/Rm、硬度HV10和S4均有不同程度提高，而48則顯著降低。由圖3(b)可知，直焊縫與環(huán)焊縫均采用了過匹配的焊接設計(除鋼管4的表4X80M鋼級試驗用鋼板的橫縱向性能差值項目頭部性能差值尾部性能差值Ra/MPaRJMPaRaU夫必/MPaRas/R.平均值45.7518.750.0431.53426.50.0150最小值67-0.0301921-0.02-2最大值78250.095713

18、30.081環(huán)焊縫），過配合有利于提高鋼管的使用安全性。對比表12與圖3可知：X80M鋼級試驗用鋼板制管后，管體R心上升538MPa,平均升高213MPa;砒升高-ll13MPa,平均升高5.5MPa;RjRm升高00.04,平均升高0.03;硬度升高1437HV10,平均升高26.8HV10,其升高量主要來自焊縫成分與組織的差異；SA降低-5%2%，降低不明顯，平均升高了2.1%;-10X.沖擊吸收功4皿降低了-5-107J,平均降低了44.8Jo制管后,管體的喝%、R/Rm與硬度HV10升高，4“8降低，與其他研究成果一致對于SA升高，這種情況比較特殊，與樣本數(shù)量較少有關(guān)。樣品編號OP0P

19、1(a)Rtas樣品編號OPOU3PP3P4(b)R°樣品編號P0PI(c)Ras/Ru,樣品編號PO樣品編號CZ3PO,-20,COPl,-20*CP1,-5*C4匕y*套恣勺天234樣品編號OPlP2P4P5(d)硬度HV10(e)SA(f)圖3X80M鋼級試驗用鋼板制管后的力學性能X80M鋼級試驗用鋼板制管后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度0B7T與沖擊上平臺能量USE如圖4所示。對比表2與圖4可知：制管后，管體的O87T提高，USE降低；管體S4為85%時，0B7T升高了022.0r,平均升高9.8SA為70%時，DBTT升高了-1.721.9平均升高5.3T;SA為50%時,D877升高了-

20、0.120.0無，平均升高11.4制管造成t/SE降低30-145J,平均降低62.5J;焊接熱循環(huán)造成降低25200J,平均降低97.5J;焊縫的熔融作用造成USE降低35-145J,平均降低93.75Jo由此可見，制管過程中的變形作用，造成管材0B7T升高510龍，最高可達20乞；而管材的最少也要降低25J。為了安全，中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司等單位依據(jù)鋼管的性能參數(shù)，設計鋼板的低溫韌性參數(shù)指標時,積累了以下經(jīng)驗：與鋼管相比，鋼板落錘撕裂試驗溫度降低15T,SA不變；沖擊試驗溫度降低20增加20-30Jo該經(jīng)驗與本次制管前后低溫韌性的變化規(guī)律一致。-70-60-40-30

21、-20104123試樣編號S人為85%P0OS4為85%PI 為70%P0S4為70%PIS.為50%P0SA為50%PIP、都鹿鼠添留盅2.4鋼管安全性評價管材中的裂紋是否能止裂，常采用Battelle雙曲線模型計算得到的CV值作為判據(jù)“°：。CV值可以聯(lián)合公式（1）-（2）得到：成刀=2.382x10-國侏）,/3(1)(2)（a）韌脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT（b）沖擊上平臺能量USE2t式中CV2/3厚度試樣對應的夏比沖擊吸收功4kV8，JD鋼管直徑，mm,取1219mm;t鋼管壁厚，mm,取22mm和275mm;p介質(zhì)輸送壓力，MPa,取12MPao采用新粵浙煤制氣工程技術(shù)參數(shù)與本文

22、的試驗數(shù)據(jù)，計算并統(tǒng)計14號鋼管的CV少計算值CV與試驗值CVgE,具體見表5。在實踐中，常選取CV置CV房1N1.7作為設計管道時選取的最小4“8值”由表5可知，X80M鋼級試驗用鋼板制管后的。扃呵CV/N2.47,遠高于經(jīng)驗安全系數(shù)。根據(jù)文獻11-12和近年來的實踐，研究人員有理由懷疑CV值作為裂紋止裂判據(jù)的有效性，因為它沒有考慮時間對材料性能的影響；因此，人們開始使用疲勞試驗過程中測得的裂紋尖端張開角CTOA或裂紋尖端張開位移CTOD作為裂紋止裂的判據(jù)。實際應用中，需要CTOAIO0才能保證管道不發(fā)生失穩(wěn)擴展，。X80M鋼級鋼管的C7YM皿可試樣編號鋼管規(guī)格/mmCV*CTOA計算值/（

23、。）CTOD計算值/mm計算值試驗值試驗值/計算值14>1219x2262.5154.52.4726.80.4524>1219x2262.5306.74.9126.90.4534>1219x27.543.1249.35.7822.60.3744>1219x27.543.1299.36.9422.40.37圖4X80M鋼級試驗用鋼板制管后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT與沖擊上平臺能量USE表5鋼管安全性估算由公式（3M4）計算得出叩：CTOA13.83學）叫針網(wǎng)）a24(3)b_RtOn+RmUf式中E楊氏模最，GPa,取212GPao由公式（2）（4）可以計算出X80M鋼級鋼管

24、的CTOA,具體見表5。從表5可以看出，該鋼管的CTOA計算值N22.4。，遠高于實際應用中選取的判定值。CTQ4與的關(guān)系見公式（5）,其中取值范圍為0.5-1.5mmc表5同時給出了CTOD計算值，CTODNO.37mm（x取最小值0.5mm）,遠高于工程實踐中要求的CTOD0.2mm。CT0D=2xtanY(5)上述分析表明，從CV、CTOA或CTOD等參數(shù)判斷，14號鋼管作為X80鋼級鋼管都安全。但是公式(1)(5)并沒有考慮到氏的潛在影響，但文獻2,13-14的研究則彌補了這一缺欠。Meng等人的研究結(jié)果表明：高壓H2的存在，使X80鋼級鋼管的疲勞壽命至少降低一個數(shù)量級，即從純氮氣N2

25、中的24431個周期降為(5%H2+N)混合氣體中的2130個周期。使鋼管疲勞壽命降低的本質(zhì)是加快了裂紋的擴展速度。在煤制氣中，以新粵浙煤制氣項目為例，&體積分數(shù)一般不高于2%。因疲勞壽命與氫分壓的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系，所以選用2130個周期作為14號X80鋼級鋼管的預期疲勞壽命是安全的。假定輸送壓力波動從12.0MPa至1.2MPa為一個周期且波動規(guī)律，如果輸送壓力1天波動1次，X80鋼級鋼管可以安全輸送新粵浙煤制氣5.84年；如果10天波動1次，則可以安全服役58.4年。由此可見，安全輸送含%的煤制氣，與輸送天然氣相比，其穩(wěn)定輸送壓力是最值得關(guān)注的安全策略。3結(jié)論(1) X80M鋼級鋼板

26、具有良好的綜合性能，所制鋼管通過了第三方檢驗，完全達到了新粵浙煤制氣項目技術(shù)規(guī)格書的要求；鋼板頭尾性能差異小，抗拉強度與屈服強度的差值分別W23MPa與31MPa;橫、縱向強度差一個鋼級，性能各向異性明顯O(2) 制管后，鋼材的屈服強度、抗拉強度、屈強比與硬度均有不同程度提高，夏比V型缺口沖擊吸收功降低，剪切面積百分比有升有降；沖擊吸收功降低的原因有變形、焊接熱輸入等。(3) 落錘撕裂試驗、夏比沖擊系列溫度檢驗結(jié)果表明：制管后，X80M鋼級鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高，夏比沖擊上平臺能量降低，驗證了制管后低溫韌性降低的趨勢。(4) 由CV.CTOA與CTO。等計算結(jié)果表明，X80M鋼級鋼管具有很好的

27、安全性；考慮氫氣的影響，試驗鋼管的疲勞壽命與輸送壓力的穩(wěn)定性直接相關(guān)。4參考文獻(1LeeYH,LeeHM.KimY,etal.MechanicaldegradationofAPIX65pipelinesteelbyexposuretohydrogengasJ.MetalsandMaterialsInternational,2011,17(3):389-395.2 MengB,GuCH,ZhangL,etal.HydrogeneffectsonX80pipelinesteelinhigh-pressurenaturalgas-hydrogenmixturesU/OL.International

28、JournalofHydrogenEnergy,20162016-09-07.3 AlvaroA,OldenV,MacadreA,etal.HydrogenembrittlementsusceptibilityofaweldsimulatedX70heataffectedzoneunderH2pressureJ.MaterialsScienceandEngineeringA,2014,597(5):29-36.4 BriottetL,BatisseR,DinechinG,etal.RecommendationsonX80steelforthedesignofhydrogengastransmissionpipelinesJ.InternationalJournalofHydrog