抗大變形管線焊管的開發(fā)

抗大變形管線焊管的開發(fā)

0基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法過去，管道氣田設(shè)計(jì)方法基于低壓設(shè)計(jì)，即基于管道運(yùn)行中受到破壞的管道內(nèi)應(yīng)力，而不考慮管道的縱向電壓和變形。這種設(shè)計(jì)方法基于管道運(yùn)行過程中不發(fā)生地質(zhì)以及外力引起的運(yùn)動(dòng)。但隨著管道建設(shè)向地震區(qū)、凍土區(qū)及滑坡區(qū)的進(jìn)展,不得不考慮外力的作用,如地震產(chǎn)生地層移動(dòng)、凍土區(qū)周期性融沉及凍脹導(dǎo)致地面運(yùn)動(dòng)等引起管道縱向承受巨大的塑性應(yīng)變。在這些地區(qū)使用的焊管必須考慮適應(yīng)大的塑性應(yīng)變的能力,以保證管線的安全性和完整性。這種新的設(shè)計(jì)方法即“基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法”,要求管道自身能夠承受大的縱向應(yīng)力及應(yīng)變,以適應(yīng)地質(zhì)條件引起的變化。1996年,日本JFE公司開始開發(fā)此類材料,并于2000年在日本首次采用了這類材料敷設(shè)管道。標(biāo)志性的應(yīng)用是西氣東輸二線管道工程,中石油從JFE采購(gòu)了上萬噸的X80級(jí)ue7881219mm×22mm/26.4mm抗大變形焊管,并以此為契機(jī)啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)抗大變形焊管的開發(fā)。1設(shè)計(jì)抗彎管道的要求和材料的原則1.1壓縮應(yīng)變極限管道失效的主要因素為斷裂及過量變形引起的鼓脹、屈曲。對(duì)應(yīng)于基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)有兩個(gè)臨界應(yīng)變值,一個(gè)是拉伸應(yīng)變極限值,另一個(gè)是壓縮應(yīng)變極限值。對(duì)于受拉狀況,管道應(yīng)具有一定的拉伸塑性應(yīng)變能力及應(yīng)變硬化能力,以抵抗外力的作用;同時(shí)為避免自環(huán)焊縫部位斷裂,必須有抗拉強(qiáng)度的極限值,以確保環(huán)焊縫與母材縱向的過強(qiáng)匹配。當(dāng)管道受彎時(shí),為防止翹曲失效(如圖1所示),必須有防止屈曲的壓縮應(yīng)變極限。研究表明,壓縮應(yīng)變極限與材料的加工硬化指數(shù)(n值)、屈強(qiáng)比、均勻延伸率等有關(guān)。因此,抗大變形管線鋼需要具有高的加工硬化能力、低的屈強(qiáng)比以及高的均勻延伸率。研究證明,具有更高n值(或應(yīng)力比)以及連續(xù)屈服型應(yīng)力-應(yīng)變曲線的管道具有更高的翹曲應(yīng)變。關(guān)于臨界翹曲應(yīng)變的計(jì)算,人們已根據(jù)大量試驗(yàn)提出了幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,其影響因素包括管道幾何形狀以及材料n值。目前主要以應(yīng)變?yōu)?.5%~1.5%的平均n值估算管道翹曲應(yīng)變能力;同時(shí),應(yīng)變?yōu)?.0%~2.0%以及應(yīng)變1.0%~5.0%的平均n值也常被作為評(píng)價(jià)抗大變形材料的重要指標(biāo)。應(yīng)變硬化能力可通過應(yīng)力比的形式加以表述,如Rt1.5/Rt0.5,Rt2.0/Rt1.0和Rt5.0/Rt1.0等,這種方法能夠通過拉伸試驗(yàn)測(cè)量,很便利地計(jì)算材料的應(yīng)變硬化指數(shù),因此也作為目前大應(yīng)變材料應(yīng)變能力測(cè)試的主要方法。1.2材料的拉伸性能雙相或多相微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于具有較大伸長(zhǎng)率或較低屈強(qiáng)比的鋼材中,例如鐵素體-馬氏體或鐵素體-貝氏體微觀結(jié)構(gòu)。雙相組織設(shè)計(jì)充分利用了硬相確保材料強(qiáng)度,軟相提供較高均勻變形能力,以及軟相、硬相在不同階段變形強(qiáng)化會(huì)帶來材料整體硬度提高的硬化能力,并且,n值可以通過增加基體相和第二相的強(qiáng)度差異來提高,即含有更硬第二相的材料具有更高的n值,鐵素體-貝氏體鋼顯示出了較高的n值,而鐵素體-馬氏體鋼n值更高。雙相組織材料的應(yīng)力-應(yīng)變分為3個(gè)階段(如圖2所示),強(qiáng)度差異對(duì)雙相鋼加工硬化行為的影響如圖3所示。如上所述,對(duì)于鐵素體-貝氏體雙相鋼,鐵素體、貝氏體比例以及貝氏體的強(qiáng)度對(duì)變形能力具有重要影響。圖4為不同工藝下(編號(hào)分別為502,509,511,504)獲得的4種鐵素體-貝氏體雙相材料組織。雙相組織的獲得是通過在奧氏體溫度范圍精軋后,進(jìn)行不同時(shí)間的馳豫,以便析出不同體積分?jǐn)?shù)的鐵素體。之后進(jìn)行加速冷卻(ACC),使奧氏體轉(zhuǎn)化為貝氏體組織。圖5為4種板材縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線,表1為板材縱向拉伸性能數(shù)據(jù)。圖4中502試樣顯微組織有少量塊狀鐵素體及針狀鐵素體型貝氏體組織。其應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了Luders伸長(zhǎng)型特征,即出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象,這與塊狀鐵素體與針狀鐵素體的強(qiáng)度差過小有關(guān)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明,這種組織強(qiáng)度以及代表加工硬化特征的應(yīng)力比均較低。圖4中509,504和511試樣顯微組織為典型的鐵素體+貝氏體組織,其不同在于鐵素體及貝氏體的比例,應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為連續(xù)屈服型曲線。509試樣鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為50%,511試樣中鐵素體體積分?jǐn)?shù)約為40%,貝氏體均為拉長(zhǎng)的貝氏體板條。兩種材料均表現(xiàn)出了良好的應(yīng)變硬化能力,均勻延伸率均在11%以上。504試樣中鐵素體含量較少,不到30%,盡管這種組織在0.5%~1.5%應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的應(yīng)變硬化能力,但其在1.0%~2.0%應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)變硬化能力明顯降低;同時(shí)鐵素體含量過低導(dǎo)致均勻延伸率嚴(yán)重下降。2抗大變形焊管西氣東輸二線抗大變形焊管的引進(jìn)及應(yīng)用,極大促進(jìn)了國(guó)內(nèi)抗大變形管線鋼的開發(fā)。渤海裝備巨龍鋼管有限公司2007年開始大變形焊管的研制工作,2009年與石油管工程技術(shù)研究院聯(lián)合成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)首根X80級(jí)ue7881016mm×21mm抗大變形焊管。鋼管縱向拉伸屈服強(qiáng)度為534~587MPa,抗拉強(qiáng)度為720~730MPa,屈強(qiáng)比均在0.82以下,Rt1.5/Rt0.5≥1.13,Rt2.0/Rt1.0≥1.06,均勻延伸率最小為7.87%。經(jīng)過模擬防腐時(shí)效(200℃油浴保溫5min)后的縱向拉伸性能均達(dá)到了西氣東輸二線X80抗大變形焊管的要求,其他性能指標(biāo)優(yōu)良。2.1鋼板及其對(duì)象材料2011年,渤海裝備巨龍鋼管公司為中緬管道項(xiàng)目開發(fā)了X70級(jí)ue7881016mm×17.5mm/21mm和X70級(jí)ue788813mm×14.7mm抗大變形焊管,并批量應(yīng)用于該項(xiàng)目。以壁厚17.5mm為例,鋼板典型拉伸性能見表2。材料顯微組織為典型的鐵素體+貝氏體雙相組織,如圖6所示。巨龍鋼管公司JCOE直縫埋弧焊管生產(chǎn)線在制管工藝設(shè)計(jì)中,充分考慮了材料加工硬化導(dǎo)致強(qiáng)度的上升、均勻延伸率及應(yīng)力比的降低,制定了適合的成型及擴(kuò)徑工藝。其余制管工藝與同規(guī)格普通X70焊管無異。制管后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了各項(xiàng)性能檢測(cè),并采用油浴爐模擬鋼管經(jīng)防腐加熱后的縱向拉伸性能變化,油浴條件為200℃±5℃,保溫5min。2.1.1拉伸性能及企業(yè)基層表3為時(shí)效前128根鋼管的縱向拉伸性能。從表3可以看出,時(shí)效前所有縱向試樣的均勻延伸率、應(yīng)力比全部達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求,只有7根鋼管的屈服強(qiáng)度(合格率為95%)和5根鋼管的抗拉強(qiáng)度(合格率為96%)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。表4為時(shí)效后128根鋼管的縱向拉伸性能,經(jīng)過時(shí)效后所有縱向試樣的均勻延伸率、應(yīng)力比全部達(dá)到了要求,只有10根鋼管的屈服強(qiáng)度(合格率為92%)和13根鋼管的抗拉強(qiáng)度(合格率為90%)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。與表3相比,時(shí)效后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比有所升高,均勻延伸率和Rt1.5/Rt0.5,Rt2.0/Rt1.0,Rt5.0/Rt1.0有所降低。2.1.2大變形鋼的拉伸性能對(duì)制管前后鋼板和鋼管的縱向拉伸性能進(jìn)行了對(duì)比,獲得了該材料制管前后拉伸性能的變化規(guī)律,見表5。從表5可以看出,制管后縱向屈服強(qiáng)度平均升高80MPa,抗拉強(qiáng)度升高30MPa,屈強(qiáng)比升高0.09,均勻延伸率及應(yīng)力比均有不同程度的下降。這種變化特征與大變形鋼的高強(qiáng)化能力有關(guān)?；诖艘?guī)律,抗大變形鋼板應(yīng)獲得低于鋼管標(biāo)準(zhǔn)的屈服強(qiáng)度水平及屈強(qiáng)比,而均勻延伸率及應(yīng)力比應(yīng)高于鋼管要求并盡可能高。實(shí)踐表明,鋼板縱向屈服強(qiáng)度大于400MPa即可確保制管后符合鋼管縱向屈服強(qiáng)度大于450MPa的要求,而鋼板縱向均勻延伸率則至少應(yīng)達(dá)到10%以上。2.1.3鋼管及鋼管對(duì)于壓力的從位錯(cuò)涂敷即表6為鋼管縱向時(shí)效前后拉伸性能的變化規(guī)律。可以看出,經(jīng)過熱時(shí)效處理,鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均升高,其中屈服強(qiáng)度平均升高37MPa,而均勻延伸率、應(yīng)力比等指標(biāo)均下降。應(yīng)變時(shí)效是管線鋼組織中位錯(cuò)被涂敷防腐層加熱過程激活了的碳原子所固定,從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度升高。鋼板生產(chǎn)工藝和鋼管擴(kuò)徑工藝會(huì)引發(fā)位錯(cuò),位錯(cuò)因碳原子而得到固定,而碳原子因?yàn)榧訜岫罨?導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比增加。其他鋼管的熱涂敷過程同樣會(huì)導(dǎo)致鋼管屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比增大。批量生產(chǎn)及檢測(cè)表明,開發(fā)的X70抗大變形焊管具有優(yōu)良的性能及很高的合格率。2.2工藝開發(fā)的壁厚在成功開發(fā)了X70大變形焊管后,針對(duì)西氣東輸三線管道又進(jìn)行了X80級(jí)ue7881219mm×(22~26.4)mm抗大變形焊管的開發(fā)。但鋼級(jí)的提高及規(guī)格的變化(尤其是厚度的增加)使X80抗大變形焊管的開發(fā)難度顯著增加,主要表現(xiàn)在:要求強(qiáng)度提高必然要求顯微組織中硬相比例提高,而硬相組織比例的提高顯然對(duì)確保材料獲得較高均勻延伸率不利;同時(shí),壁厚的增加必然導(dǎo)致材料壁厚方向組織不均勻程度的增加,而材料均勻變形的前提即良好的組織均勻性。在強(qiáng)度和壁厚提高的同時(shí)要確保均勻延伸率不會(huì)明顯降低,使得X80抗大變形鋼的制造工藝窗口更窄,難度顯著增加。前期的板材試制及制管試驗(yàn)證明了這一點(diǎn),鐵素體含量偏多時(shí)強(qiáng)度偏低,圖7(a)所示壁厚26.4mm鋼板其縱向屈服強(qiáng)度為469MPa,均勻延伸率為12%;制管后縱向時(shí)效前屈服強(qiáng)度為509MPa,均勻延伸率達(dá)到9%;盡管制管過程縱向屈服強(qiáng)度上升40MPa,但仍低于X80抗大變形焊管最低530MPa的要求。鐵素體含量偏低時(shí)將導(dǎo)致均勻延伸率偏低,圖7(b)所示壁厚26.4mm鋼板其縱向屈服強(qiáng)度為505MPa,均勻延伸率僅為10%;制管后縱向時(shí)效前屈服強(qiáng)度為557MPa,均勻延伸率為6.5%,低于標(biāo)準(zhǔn)要求(不小于7%)。另外一個(gè)關(guān)鍵問題是韌性偏低,為了追求較高的鐵素體含量而延長(zhǎng)了軋后馳豫時(shí)間,導(dǎo)致鐵素體數(shù)量增加的同時(shí)晶粒尺寸長(zhǎng)大,并在某些區(qū)域聚集成寬的鐵素體帶,這種組織對(duì)材料韌性產(chǎn)生不利影響。圖8為壁厚26.4mm的X80鋼板,其在-20℃條件下的夏比沖擊吸收功僅為152J,而要確保制管后鋼管-10℃夏比沖擊功至少180J的要求,鋼板夏比沖擊功至少應(yīng)不小于210J。經(jīng)過多次的工藝試制及數(shù)據(jù)分析,制定了以下主要解決措施:(1)為了確保材料具有良好的均勻延伸率,必須獲得足夠的鐵素體。將鐵素體的目標(biāo)比例定為40%~60%,這種組織可獲得11%以上的均勻延伸率,制管后鋼管的均勻延伸率可達(dá)到7%以上。鐵素體主要在精軋后的馳豫過程中獲得,弛豫時(shí)間越長(zhǎng),鐵素體析出量越多。然而,僅僅通過延長(zhǎng)馳豫時(shí)間可能導(dǎo)致鐵素體體積長(zhǎng)大以及成團(tuán)簇狀分布,這將對(duì)材料的沖擊韌性產(chǎn)生不利影響。因此在成分設(shè)計(jì)上減少了抑制鐵素體析出元素的含量,而增加有利于鐵素體析出的元素;盡可能采用大的壓縮比及較低的終軋溫度,為鐵素體快速析出創(chuàng)造有利條件。(2)為了獲得較高的強(qiáng)度,貝氏體體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在40%~60%;同時(shí),應(yīng)獲得拉長(zhǎng)的板條貝氏體組織,確保貝氏體相的強(qiáng)度。貝氏體相微觀結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度主要取決于鐵素體析出弛豫后ACC冷卻速度,較高的冷卻速度有利于獲得具有精細(xì)亞結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)貝氏體組織。(3)嚴(yán)格控制工藝以適應(yīng)X80抗大變形鋼較窄的工藝窗口,提高材料性能均勻性。采用改進(jìn)后的工藝開發(fā)的壁厚為22mm和26.4mmX80厚板具有良好的鐵素體+貝氏體組織形態(tài)(見圖9),以及良好的力學(xué)性能(見表7)。在JCOE直縫埋弧焊管生產(chǎn)線進(jìn)行了X80級(jí)ue7881219mm×26.4mm抗大變形焊管千噸級(jí)制造,制管工藝經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化。制管后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了各項(xiàng)性能檢測(cè),并采用油浴爐模擬鋼管經(jīng)防腐加熱后的縱向拉伸性能變化,油浴條件為(200±5)℃,保溫5min。鋼管橫向拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表8,縱向時(shí)效后拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表9,鋼管夏比沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見表10。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,試制的千噸級(jí)X80級(jí)ue7881219mm×26.4mm焊管具有優(yōu)良的性能,達(dá)到了西氣東輸三線抗大變形焊管技術(shù)條件的要求。標(biāo)志著我國(guó)X80抗大變形焊管研制取得重大突破,成功實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。3抗大變形焊管的開發(fā)(1)采用雙相組織并通過合理匹配軟相及硬相比例,充分利用硬相確保材料強(qiáng)度,軟相提供較高均勻變形能力及軟相、硬相在不同階段變形強(qiáng)化所帶來材料整體硬度升高的硬化能力,其作用是抗大變形材料設(shè)計(jì)開發(fā)的途徑。(2)成功開發(fā)了鐵素體+貝氏體組織類型的X70級(jí)ue7881016mm×17.5mm/21mm和ue788813mm×14.7mm抗大變形焊管,并批量應(yīng)用于中緬管道項(xiàng)目。鋼板制管后縱向屈服強(qiáng)