石油和天然氣管線用鋼課件

1、 石油和天然氣管線用鋼3. 管線鋼現(xiàn)狀和發(fā)展管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)裝備針狀鐵素體管線鋼 X65 強(qiáng)度級(jí)高性能管線鋼 X70 強(qiáng)度級(jí)高性能管線鋼應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)與抗變形管線鋼管 X80 強(qiáng)度級(jí)高性能管線鋼 X 100 強(qiáng)度級(jí)高性能管線鋼輸氣管線的延性斷裂 高壓 輸氣管線的延性斷裂問題 高壓輸送天然氣管線與輸油管線的最大區(qū)別在脆性斷裂和延性斷裂的擴(kuò)展特點(diǎn)。原油的減壓速度為2,000 m/s 左右，管線一旦發(fā)生斷裂，內(nèi)壓立即降低，斷裂就停止了。而輸氣管線對(duì)天然氣的壓縮比大，而天然氣的減壓速度小為400 m/s 左右，在管壁發(fā)展快速斷裂時(shí)，管道的斷裂非常容易長(zhǎng)距離傳播。以前認(rèn)為，以 500 1000m/s 快速傳播

2、的脆性斷裂容易長(zhǎng)距離傳播。但是從1960年代末期發(fā)現(xiàn)，在以60 350m/s 慢速發(fā)展延性斷裂的輸氣管道在某種特定的條件下，延性斷裂也有可能快速發(fā)展到250 390 米的長(zhǎng)距離。一般地說，所輸送的氣體內(nèi)含越多，例如，二氧化碳、富氣，管道的管徑越大，管線鋼級(jí)越高，就越容易發(fā)展延性斷裂。 因?yàn)楦邏狠斔吞烊粴夤芫€一旦發(fā)生事故，往往就是不堪設(shè)想的重大事故。所以，對(duì)延性斷裂的研究一直是國(guó)際管道工程界的熱門話題。 對(duì)斷裂止裂斷裂發(fā)展速度 85% Crack speed Gas decompression velocityCrack velocityGas decompression Criteria fo

3、r Running Shear Fracture :Battelle Two Curve MethodSafeUnsafeCv(1)Cv(2)Charpy energy(1)(2)Gas decompression curveMaterial resistance curve為了弄清楚延性斷裂的特點(diǎn)，日本高強(qiáng)度管線（HLP）委員會(huì)在l978-l983年之間進(jìn)行了七次全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)，其中五次在日本的Kamaishi（釜石），兩次在英國(guó)BGC天然氣公司的試驗(yàn)場(chǎng)（現(xiàn)在的Avantica）。試驗(yàn)所用的管道為X70，管徑l2l9mm，壁厚l8.3mm。其中A.B系列是在釜石做的用壓縮空氣做介質(zhì)，采用的壓

4、力為ll.6MPa，即規(guī)定最小屈服強(qiáng)度（SMYS）的80%。兩次C系列是在英國(guó)BGC公司的試驗(yàn)場(chǎng)做的，用天然氣做介質(zhì)，成份為Cl采用的壓力為ll.6Mpa，即規(guī)定最小屈服強(qiáng)度（SMYS）的80%；成份為C2，采用的壓力為l0.4MPa，即規(guī)定最小屈服強(qiáng)度（SMYS）的72%。對(duì)比B和C系列的止裂數(shù)據(jù)結(jié)果可知，管體壓力的差別和氣體成份的差別導(dǎo)致對(duì)止裂韌性的要求差別明顯。 Full Scale Burst Tests by HLP Committee Kamaishi Test BGC Test Fig. Pipe arrangementsarrest!propagate!arrest!propa

5、gate!Pipe grade: X70Pipe size: 48”O(jiān)D x 18.3mmWTGas: AirPressure: 11.6MPa (0.80SMYS)Only pipe arrangement changedPipe grade: X70Pipe size: 48”O(jiān)D x 18.3mmWTGas: Natural gasPressure: (C1) 11.6MPa (0.80SMYS) (C2) 10.4MPa (0.72SMYS)Arrest toughness depends on Pipe arrangements Pressurized medium and pres

6、surering offgirth weld fractureHLP從這些試驗(yàn)結(jié)果中，得出了計(jì)算機(jī)模似預(yù)測(cè)延性斷裂擴(kuò)展速度和止裂的方法，如圖所示。這是在材料的止裂性能曲線（J曲線）和氣體減壓曲線之間的關(guān)系得到的。在瞬間，（例如，l/l0000秒），裂紋擴(kuò)展端的壓力保持不變，裂紋以與壓力相對(duì)應(yīng)的速度擴(kuò)展。極小的裂紋擴(kuò)展誘發(fā)隨時(shí)間進(jìn)展的減壓，導(dǎo)致低的減壓速度等。如果J曲線和氣體減壓曲線確定下來，裂紋擴(kuò)展和長(zhǎng)度就可以用計(jì)算機(jī)摸似出來。模擬計(jì)算的結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相印證，基本是一致的。求解微分方程，設(shè)定L和T兩個(gè)變量，展開設(shè)定計(jì)算模型。HLP Simulation Methods1. Crack velo

7、city is controlled by crack tip pressure2. Crack extension during DT3. Pressure decrease by crack extensionPressureP0PaPmCrack velocity (Vc) orGas decompression velocity (Vm)Gas decompression curve P(Vm)Material resistance curveP(Vc)Initial pressureDTDTFlow chart of the simulation modelMaterial Resi

8、stance CurveComparison between experimental and estimated crack velocitiesVc: crack velocity(m/s), sflow: flow stress(= (YS+TS)/2) (MPa)Pc: crack arrest pressure (MPa), D: pipe diameter(mm) t: wall thickness(mm), Dp: pre-cracked DWTT energy(J) Ap: ligament area of DWTT specimen(mm) Based on Battelle

9、s formula Relation between p-DWTT energy and Charpy energymaterial resistanceevaluated by experimental dataCv: Charpy absorbed energy(J)兩次試驗(yàn)都是以開預(yù)裂紋（疲勞）DWTT能量為韌性計(jì)算值同釜石和BP試驗(yàn)標(biāo)定值吻合得很好。再用DWTT能量同CVN之間的關(guān)系轉(zhuǎn)算所需夏比氏沖擊。Vc-材料阻力曲線M/s，Pc-止裂壓力推算Ligament-韌帶，剪切帶面積。Calculation of Propagation Distance250J200J180J160JCv

10、Input dataX8048”O(jiān)D x 25mmWTGas: Rich gas 0.80SMYSCharpy energy: 160250JGas decomp. curveMat. resistance curvesVerification of The Simulation Model (1) Kamaishi TestPipe grade: X70Pipe size: 48”O(jiān)D x 18.3mmWTGas: AirPressure: 11.6MPa (0.80SMYS)Verification of The Simulation Model (2) BGC TestPipe grad

11、e: X70Pipe size: 48”O(jiān)D x 18.3mmWTGas: Natural gasComparison between burst test result and simulated result - 1 (HLP-C1 test)Comparison between burst test result and simulated result - 2 (HLP-C2 test)Pressure: (C1) 11.6MPa (0.80SMYS) (C2) 10.4MPa (0.72SMYS)Verification of The Simulation Model (3)Comp

12、arison between burst test result and simulated result (CSM/SNAM/ILVA-X80 test)Comparison between burst test result and simulated result (CSM/SNAM/Europipe-36”/100 test) CSM/X80Pipe size: 56”O(jiān)D x 26mmWTGas: AirPressure: 16.1MPa (0.80SMYS) CSM/X100Pipe size: 36”O(jiān)D x 16mmWTGas: AirPressure: 18.1MPa (0.

13、75SMYS)Effect of Gas Compositionsgas decompression curvesEffect of gas compositions on crack propagationGasCH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 iC5H12 nC5H12 nC6H14 nC7H16 nC8H18 nC9H20 N2 CO2 O2 “L2 gas”96.003.800.150.020.03-“S2 gas”92.004.002.000.300.500.100.050.05-“C2 gas”89.574.703.470.240.560.1060.0750.

14、0330.0170.0080.0010.500.72-Effect of Pressure IncreasePressure ratio versus gas decompression velocityEffect of the pressure increase by using higher-grade pipes on crack propagation Pressure increase by using higher grade pipesEffect of Initial Gas TemperatureEffect of the initial gas temperature o

15、n crack propagationEffect of the initial gas temperature on gas decompression curve Low pressure (X60, 9.8MPa, Rich gas) High pressure (X100, 21.7MPa, Rich gas)在富氣輸送條件下，對(duì)輸氣管線延性斷裂的止裂韌性要求將隨著天然氣中富氣成份的增加（以BTU/CF表示）而提高圖是針對(duì)管徑916mm, 壓力12MPa，管壁14mm，X 70強(qiáng)度級(jí)針狀鐵素體管線鋼管線的推算， 隨著天然氣富氣組份的增加到極限值，其對(duì)延性斷裂的止裂韌性要求將從120J增

16、加到190J，提高了幾近一倍。 防止高壓輸氣管線延性斷裂問題可以通過實(shí)物爆破實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證建立計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)解決。這種模型可以成功地估算X70和X80焊管中延性斷裂的行為 對(duì)爆破實(shí)驗(yàn)的模擬可以推出下列情況, (1）所需要的止裂韌性數(shù)值受氣體成份影響很大，富氣需要較高的止裂韌性數(shù)值, (2)用高強(qiáng)度管線鋼在高壓管線中需要較高的止裂韌性, (3）在低溫條件下，即使在相當(dāng)?shù)偷膲毫l件下也需要較高的止裂韌性。但是，在高壓條件下，低溫度降低了延性斷裂的敏感性。國(guó)產(chǎn)的X70級(jí)管線鋼實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際上X80級(jí)管線鋼的水平，應(yīng)該參照國(guó)外對(duì)X80管線鋼的選用原則處理，即用來輸送經(jīng)過處理，分離了重組分的天然氣沒問題

17、。如用來輸送“全組分”天然氣則需要調(diào)整交貨屈服強(qiáng)度范圍、取樣檢驗(yàn)方法。國(guó)外對(duì)Xl00和Xl20級(jí)管線鋼都作過實(shí)物爆破試驗(yàn)，建立了計(jì)算機(jī)模擬的模型。它們的韌性雖然都超過了“止裂”所需最低韌性數(shù)值，但余量太小，在關(guān)鍵部位仍需要用“止裂”裝置。 石油和天然氣管線用鋼 王儀康 楊柯 單以銀 錢百年 國(guó)家“973”規(guī)劃G19980061511超級(jí)管線鋼課題組 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 (前言) 管線鋼的發(fā)展背景 微合金管線鋼沿革管線鋼現(xiàn)狀和發(fā)展 4 . X120 級(jí)超高強(qiáng)度管線鋼5. 結(jié)束語Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼的研制始自l994年，即開始研制X100強(qiáng)度級(jí)管線鋼（1985年）10年以后。在當(dāng)代石油巨頭EXX

18、0N公司同新日鐵-住友集團(tuán)合作下,十年來工作進(jìn)展迅速，到2003年為止，共完成23爐次（約7000噸），433根直縫埋弧焊管（管徑36英寸-914mm，壁厚12-20mm）的試驗(yàn)性生產(chǎn)工作。研制成功超高強(qiáng)度X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼管，試生產(chǎn)的直縫埋弧焊管已經(jīng)（2003年9月-2004年2月）在加拿大天然氣管線試驗(yàn)場(chǎng)鋪設(shè)了1.6公里管線, 做為該公司一條36公里天然氣環(huán)行線的一部份。在同一時(shí)期歐洲鋼管公司也轉(zhuǎn)遵循類似的技術(shù)途徑研制成功了一批X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼管，并將于近期內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)性鋪設(shè)管線工作。X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼研制工作速度明顯高于X100強(qiáng)度級(jí)管線鋼（從1985年迄今完成了9爐次約3000噸

19、試驗(yàn)性生產(chǎn))的原因一是試驗(yàn)顯示出以上貝氏體為基體的X100強(qiáng)度級(jí)管線鋼帶來的系列問題，有必要從下貝氏體方面另辟途徑，二是能源需求推動(dòng), 需要及時(shí)解決從北極圈等環(huán)境惡劣地區(qū)長(zhǎng)途輸送天然氣問題。因此，跡象顯示，提高輸送管線鋼強(qiáng)度的進(jìn)度有可能直接從X80一步跨越到Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼。新日鐵對(duì)提高管線鋼實(shí)用強(qiáng)度從X80一步跨越到X120強(qiáng)度級(jí)的看法節(jié)約建設(shè)境外長(zhǎng)途輸送天然氣管線的投資.最近美國(guó)籌劃修建一條輸量為200億方/年，長(zhǎng)度為1613公里的天然氣管線；對(duì)用X70和X120管線鋼管方案做對(duì)比，包括管材費(fèi)、施工費(fèi)（焊接、開溝）、涂層費(fèi)、鋼管運(yùn)輸費(fèi)。結(jié)果是可節(jié)約總投資10-l5%。按我國(guó)西氣東輸工程

20、推算，可節(jié)約47-69億元投資。這對(duì)于我國(guó)今后大規(guī)建設(shè)輸送天然氣管線的意義重大。提高輸送壓力減少管線輸送的能耗. 我國(guó)西氣東輸?shù)妮斔蜌饬繛?20億方/年，壓力為10MPa，能耗為輸氣量的10%，即每年12億方天然氣被輸氣管線本身消耗了。如應(yīng)用X120管線鋼建管線，輸送壓力可以提高50%，使用15MPa,輸送能耗量將相應(yīng)地下降。這對(duì)于我國(guó)今后節(jié)約能耗意義重大。形成研制發(fā)展現(xiàn)代管線鋼隊(duì)伍及時(shí)跟蹤國(guó)際發(fā)展，避免被動(dòng)。事實(shí)證明，沒有高水平研究發(fā)展新型管線鋼的隊(duì)伍，我國(guó)是發(fā)展不起來，也用不起先進(jìn)的管線鋼的。提高生產(chǎn)管線鋼擋次，生產(chǎn)高附加值的鋼鐵產(chǎn)品。如以X70管線鋼為l00%基數(shù)，X80為105-110

21、%，X100為l15-120%，X120為130-145%。按現(xiàn)行價(jià)格計(jì)算，每噸X120級(jí)焊管較X70加價(jià)250美元。當(dāng)代微合金超純凈冶煉、控制軋制（TMCP）等先進(jìn)工藝的急速發(fā)展使高強(qiáng)度管線鋼的跨越式發(fā)展具備了可能性。試生產(chǎn)X120直縫埋弧焊管已經(jīng)（2003年9月-2004年2月）在加拿大天然氣管線試驗(yàn)場(chǎng)鋪設(shè)了1.6公里管線用X120級(jí)超高強(qiáng)度管線鋼降低輸送天然氣費(fèi)用和能耗 幾種應(yīng)用X120強(qiáng)度管線鋼方案的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比開發(fā)X120級(jí)超高強(qiáng)度管線鋼需要滿足的技術(shù)條件Xl20級(jí)管線鋼選擇下貝氏體為基體其相變溫度為400-500度X120級(jí)管線鋼顯微組織（A下貝氏體）與Xl00級(jí)管線鋼顯微組織（B

22、上貝氏體，即針狀鐵素體）的比較 X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼的在線冷卻制度X120級(jí)管線鋼在連續(xù)冷卻過程中的相轉(zhuǎn)變（冷卻速度高于20C/s）X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼控軋、控冷工藝（TMCP）強(qiáng)化機(jī)制X100強(qiáng)度級(jí)管線鋼管場(chǎng)發(fā)射電子槍掃描電鏡二次電子圖像field emission gun scanning electron microscope（FEG-SEM上左），其電子背散射圖像electron back-scattering diffraction （EBSD上右），基體中的M/A相（下左），及貝氏體圖像(下右）。含硼X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼管場(chǎng)發(fā)射電子槍掃描電鏡背散射電子圖像（FEG-SEM上左），其

23、電子背散射圖像（EBSD上右）。復(fù)合加硼(B 11ppm ) X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼管場(chǎng)發(fā)射電子槍掃描電鏡二次電子圖像（FEG-SEM下左），其電子背散射圖像（EBSD下右）X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼的顯微組織、強(qiáng)度和沖擊韌性 X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼合金設(shè)計(jì)篩選結(jié)果 試制的Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼焊管機(jī)械性能Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，有較長(zhǎng)的均勻延伸率Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼焊管的夏比沖擊韌性和DWTT含硼（Xl20級(jí)）和不含硼（X100級(jí)）管線鋼管模擬焊接熱影響區(qū)沖擊韌性比較Xl20強(qiáng)度級(jí)U0E焊管焊接熱影響沖擊韌性正態(tài)分布Xl20強(qiáng)度級(jí)U0E焊管焊縫（熔敷金屬）沖擊韌性正態(tài)分布Xl20強(qiáng)度級(jí)

24、U0E焊管焊縫（熔敷金屬）和焊接熱影響區(qū)的CT0D韌性分布Xl20強(qiáng)度級(jí)U0E焊管的環(huán)擴(kuò)測(cè)定應(yīng)力-應(yīng)變曲線Xl20強(qiáng)度級(jí)U0E焊管的不園度，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的正態(tài)分布現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊所需焊接材料（熔敷金屬）和工藝的選擇是X120強(qiáng)度級(jí)管線鋼的工程適用性的一個(gè)主要難點(diǎn)。為了使由Xl20強(qiáng)度級(jí)管線鋼管的環(huán)焊接頭成為高強(qiáng)度和高韌性、匹配，其焊接材料（熔敷金屬）最終顯微組織己經(jīng)不能由適用于X60-X70強(qiáng)度級(jí)的針狀鐵素為主的，而要以低碳貝氏體和馬氏為主體的組織。含硼（Xl20級(jí)）管線鋼管的焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果焊接材料（焊絲）的冷裂紋系數(shù)（Pcm）與熔敷金屬中針狀鐵素體，貝氏體和馬氏體含量之間的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫（熔敷金屬）在連續(xù)冷卻過程中的典型相轉(zhuǎn)變曲線（CCT）。Xl20強(qiáng)度級(jí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊用的焊接材料和工藝目的是借助于在最終熔敷金屬中彌散分布的鋯的氧化物為核，生成針狀鐵素體。這種針狀鐵素體對(duì)熔敷金屬中低碳貝氏體和馬氏體組識(shí)起釘札作用。供Xl20強(qiáng)度級(jí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊用的焊接材料和工藝目的是借助于在最終熔敷金屬中的散分布的彌散分布的鋯的氧化物為核，生成針狀鐵素體。這種針狀鐵素體對(duì)熔敷金屬中低碳貝氏體和馬氏體組識(shí)起釘札作用。供Xl20強(qiáng)度級(jí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊用的焊接材料和工藝目的是借助于在最終熔敷金屬中的散分布的彌散分布的鋯的氧化物為核，生成針狀鐵素體。這種針狀鐵素體對(duì)熔敷金屬中低碳貝氏體和馬氏體組識(shí)起釘札作用