西气东输一、二线管道工程的几项重大技术进步
2011-3-4李鹤林 吉玲康 田伟
摘要:提高管线钢强度级别和管道输送压力是天然气输送管道的发展趋势,是输气管道技术进步的重要标志。近年来,我国管道企业和相关科研院所联合攻关,取得了一批关键技术成果,使西气东输(为便于区别,以下称为西气东输一线)和西气东输二线等国家重点管道工程的设计压力和钢管强度级别达到或领先于同时期的国际水平。这些成果包括:①研制了X70、X80钢级高性能管线钢及焊管、管件;②突破国际上螺旋缝埋弧焊管的使用禁区,确立了具有中国特色的“大口径高压输送主干线螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用”的技术路线;③在国内首次研究了高压输气管道动态断裂与止裂问题,分别采用Battelle简化公式和Battelle双曲线法预测了西气东输一线和西气东输二线等管道延性断裂的止裂韧性;④在国内首次研究了油气管道基于应变的设计方法,解决了该设计方法及抗大变形管线钢管在强震区和活动断层管段应用的技术难题;⑤研究解决了高强度焊管的腐蚀控制和应变时效控制技术等。上述成果对降低输气管道建设成本、保障管道运行安全具有重要意义。
关键词:西气东输一线;西气东输二线;输气管道;管线钢;螺旋缝埋弧焊管;止裂韧性;基于应变的设计
0 引言
    目前,全世界石油、天然气管道总长度为260×104km,并以每年2×104km以上的速度增长。截至2009年底,我国油气长输管道总长度已达7×104km[1]
    20世纪初,输送油、气的大口径钢管首先在美国发展起来。1926年,美国石油学会发布的API 5L标准只包括3个碳素钢级(A25、A、B)。1947年发布的API 5LX增加了X42、X46、X52三个钢级。1964年,API 5LS将螺旋焊管标准化。1967~1970年期间API 5LX和5LS增加了X56、X60、X65钢级,1973年增加了X70钢级。1987年API 5LX和5LS合并于第36版SPEC 5L中。第36~43版包括A25、A、B、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80共11个钢级。2007年,API 5L第44版与ISO 3183整合,增加了X90、X100、X120钢级。目前在油气管道工程上正式使用的最高强度级别管线钢是X80钢级。
   天然气输送管的几个里程碑[2]:1925年美国建成第一条焊接钢管天然气管道;1967年第一条高压、高钢级(X65)跨国天然气管道(伊朗至阿塞拜疆)建成;1970年在北美开始将X70管线钢用于天然气管道;1994年德国开始在天然气管道上使用XS0钢级[3];1995年加拿大开始使用X80钢级[4];2002年TCPL(Trans Canada Pipeline Ltd.)在加拿大建成了一条管径1219mm、壁厚14.3mm X100钢级的1km试验段[5];2004年2月,ExxonMobil石油公司采用与新日铁合作研制的X120焊管在加拿大建成一条管径914mm、壁厚16mm、长1.6km的试验段。
    在日益激烈的市场竞争中,全球各石油公司都在不断寻找降低成本的途径。在管线项目投资中,钢管的成本占40%左右,采用高钢级管线钢管可以减小壁厚,高压输送可以在不改变输量的情况下减小管径。管径和壁厚的减小可带来工程费用的降低。因此,采用高钢级管线钢管和高压输送可有效降低输送成本。在1998年举行的国际管道会议上,加拿大的NOVA公司介绍了该公司采用高钢级管线钢管和高压输送的效益情况[5]。图1所示为采用不同钢级管线钢管和不同输送压力时管线的投资对比情况[5]。可见,在高压输送时,采用高钢级管线钢管可明显降低管道成本。
 

    提高管线钢管钢级和输送压力是天然气管道建设强劲的发展趋势,API标准的发展也反映了这种趋势。图2为我国与发达国家管线钢发展情况对比示意图[6]。20世纪90年代之前,我国天然气管道普遍采用A3、16Mn、TS52K等低强度焊管,输送压力大都在4MPa以下。我国按API标准生产和使用管线钢管比发达国家滞后约40年。1993年,陕京管线采用X60钢级、6.4MPa压力,缩小了与发达国家的差距;2000年,西气东输(为便于区别,以下称为西气东输一线)管线采用X70钢级、10MPa压力,跟上了发达国家的步伐;现在,西气东输二线干线全部采用X80钢级,西段采用12MPa设计压力,使我国管道建设跨上了新的台阶。就全球已经建成和正在建设的X80输气管道而言,无论是设计压力、管道长度,还是管径、壁厚,西气东输二线(简称西二线)均堪称世界之最。
 

    为了给西气东输一、二线管道工程提供强有力的技术支撑,国家经济贸易委员会和中国石油天然气集团公司(以下简称中石油)先后于2000年和2007年组织了科研攻关,科技部还将部分应用基础研究内容列入了“973”项目。特别是中石油启动的《西气东输二线管道工程关键技术研究》重大专项,投资力度大,目标明确,效果良好。这些科研工作围绕高钢级钢管与高压输送的关键技术展开,取得了一批重要成果:①研制了针状铁素体型X70、X80钢级高性能管线钢及焊管、缝管件;②突破国际上螺旋埋弧焊管的使用禁区,确立了具有中国特色的“大口径高压输送干线螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用”的技术路线;③在国内首次研究了高压输气管道动态断裂与止裂问题,采用Battelle简化公式或Battelle双吐线模型预测了西气东输一、二线等管道延性断裂的止裂韧性;④在国内首次研究了油气管道基于应变的设计方法,解决了该设计方法及抗大变形管线钢管在强震区和活动断裂层管段应用的技术难题;⑤研究解决了高强度焊管的腐蚀控制和应变时效控制技术等。这些成果对降低管道建设成本、保障管道运行安全都有着重要意义,使西气东输一、二线等国家重点管道工程的技术经济指标达到或领先于国际水平。
1 X70、X80钢级高强韧性管线钢的研究开发
1.1 管线钢的技术进步
    管线钢是近40年来基于低合金高强度钢而发展起来的。为了全面满足油气输送管道对钢管使用性能的要求,在成分设计和冶炼、加工成型工艺上采取了许多措施,从而自成体系。管线钢已成为低合金高强度钢和微合金钢领域最富活力、成果丰硕的一个重要分支[6~7]
    现代冶金技术可以使钢具有很高的洁净度、均匀性和超细化的晶粒。为了使高强度管线钢获得高韧性,必须提高钢的洁净度,即降低钢中硫、磷、氧、氢的含量。一般采取多步复合操作,包括铁水预处理脱硫、脱磷,转炉冶炼降碳、脱磷,炉外精炼脱气、脱硫等。高均匀性的连铸技术包括连铸过程的电磁搅拌和轻压下技术等。此外,控制轧制、强制加速冷却使管线钢获得优良的显微组织和超细晶粒。钢的各种强化手段中,晶粒细化是唯一能够既提高强度又提高韧性的方法。控轧控冷(TMCP)可以使微合金化管线钢的铁素体晶粒细化到5μm,而对控轧工艺进行改进,实施形变诱导铁素体相变(DIFT),可以进一步使铁素体晶粒细化到1~2μm。
    目前,X80和X80以下钢级商用管线钢按组织形态分类,主要有铁素体+珠光体(包括少珠光体)型和贝氏体(含针状铁素体)型两类。
   铁素体-珠光体(Ferrite-Pearlite)钢的基本成分是C-Mn系。这是20世纪60年代以前管线钢的基本组织形态,一般采用热轧和正火处理。
   少珠光体管线钢的典型化学成分为Mn-Nb、Mn-V、Mn-Nb-V等,代表性钢级为20世纪60年代末的X56、X60和X65。在工艺上突破了热轧-正火工艺,进入微合金化钢控轧工艺的生产阶段,综合运用了晶粒细化、固溶强化、沉淀强化等手段。近年来,X65、X7O少珠光体钢除成分设计进一步优化外,还普遍采用了TMCP工艺。
   为进一步提高管线钢的强韧性,1985年以后研究开发了针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢,也有人称之为第二代管线钢。
   所谓针状铁素体型管线钢,并不是必须100%的针状铁素体,而是针状铁素体、粒状贝氏体和少量块状铁素体等的混合组织。对于这种类型管线钢的组织目前尚无统一的术语。鉴于针状铁素体(又称板条贝氏体铁素体)和粒状贝氏体都属于贝氏体范畴。因此也有人把针状铁素体钢称为贝氏体钢。图3是X80针状铁素体型管线钢TEM(透射电子显微镜)形貌。
 

   与传统的铁素体一球光体型管线钢相比,针状铁素体型管线钢的性能特点有:①优良的强韧性;②较高的形变强化能力和较小的包申格(Bauschinger)效应;③好的焊接性;④抗HIC性能良好。西气东输管道及随后建设的陕京二线、川气东送和中亚天然气管线等重大管道工程均采用了X70钢级针状铁素体型管线钢。西气东输二线(简称西二线)的干线全线489×104km采用了X80钢级针状铁素体型管线钢。
1.2 高强韧性管线钢的研制
   2000年西气东输工程立项后,中石油和中国钢铁工业协会(简称中国钢协)联合组织开展了X70管线钢的研究开发。管线钢的主要研制单位为宝山钢铁股份有限公司(简称宝钢)、武汉钢铁(集团)公司(简称武钢)、鞍钢股份有限公司(简称鞍钢)和舞阳钢铁有限责任公司(简称舞钢)。西气东输管道管径为1016mm,壁厚14.6~26.2mm(其中14.6mm壁厚为螺旋缝埋弧焊管,17.5、21.0、26.4mm为直缝焊埋弧焊管),全长4000km。焊管用量156.7×104t,其中螺旋缝埋弧焊管60.7×104t,其卷板由宝钢、武钢、鞍钢提供,焊管主要由宝鸡石油钢管有限责任公司(简称宝鸡钢管)和渤海石油装备钢管制造公司(简称渤海装备)完成。直缝焊埋弧焊管用量96×104t,其中14.7×104t为国产,由舞钢提供钢板,渤海装备巨龙公司制成JCOE焊管。
    2003年开始X80管线钢研制。2004年,西气东输工程冀宁支线建设了长7.8km的X80试验段,管径1016mm,螺旋焊管壁厚15.3mm,直缝埋弧焊管壁厚18.4mm,输气压力10MPa,其钢板和焊管全部由国内制造。
    2007年,西气东输二线工程立项后,X80钢级钢板、卷板和焊管的试制全面展开。武钢、北京首钢股份有限公司(简称首钢)、鞍钢、太原钢铁(集团)有限公司(简称太钢)、马钢集团(简称马钢)、本溪钢铁(集团)有限责任公司(简称本钢)、宝钢、邯郸钢铁集团有限责任公司(简称邯钢)试制的18.4mm X80热轧卷板,宝钢、鞍钢、沙钢集团(简称沙钢)、首钢试制的22mm热轧钢板,宝鸡钢管、渤海装备等试制的Ø1219×18.4mm螺旋焊管,管道局机械厂、渤海装备等6厂家的感应加热弯管和管件,渤海装备、宝钢、沙市管厂试制的Ø1219×22mm直缝埋弧焊钢管,先后通过了中石油和中国钢协组织的联合鉴定。经抽样检验,625炉批Ø1219×18.4mm螺旋埋弧焊管的横向屈服强度平均值617MPa,屈强比平均值0.88,-10℃时夏比冲击功平均值328J(最高值491J),-10℃焊缝夏比冲击功平均值157J(最高值362J),-10℃热影响区夏比冲击功平均值205J(最高值486J),0℃DWTT(Drop-Weight Tear Test)平均值98%,DWTT SA85%时的转变温度-40℃;366炉批Ø1219×22mm JCOE直缝埋弧焊管的横向屈服强度平均值628mm,屈强比0.89,-10℃时夏比冲击功平均值294.5J(最高值473J),-10℃时焊缝夏比冲击功平均值179J(最高值250J),-10℃时热影响区夏比冲击功238J(最高值337J),0℃时DWTT平均值91.5%。
    西气东输二线全线焊管用量432.6×104t。其中主干线4895km全部采用Ø1219mm X80钢级焊管,合计271.5×104t;支干线4260km采用X70钢级161.1×104t。X80钢级焊管中,螺旋埋弧焊管(壁厚15.3、18.4mm)占73%;直缝埋弧焊管(壁厚22.0、26.4、27.5mm)72×104t,占27%。这些焊管约90%实现了国产化。
2 确立螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用的技术路线
    美国、日本等多数发达国家总体上是否定螺旋缝埋弧焊管的,认为天然气管道高压输送主干线不宜使用螺旋缝埋弧焊管。美国本土近20年建造的天然气输送主干线,几乎均为UOE直缝埋弧焊管。而我国当时的情况是,各天然气输送管企业都是清一色的螺旋焊管生产线。如果螺旋焊管不能用于西气东输等重。大工程,就要大量从国外进口UOE焊管,除了将大幅度提高建设成本外,还有可能导致国内大部分焊管企业蒙受巨大损失。
2.1 天然气输送钢管的主要类型
    API SPEC 5L规定油气输送管按生产工艺不同分为无缝钢管、电阻焊钢管、埋弧焊钢管等8种[7]。主要使用的有无缝钢管(Seamless)、直缝高频电阻焊管(E1ectric Resistance Welding,即ERW)、直缝埋弧焊管(Longitudinally Submerged Arc Welding,即LSAW)、螺旋缝埋弧焊管(Spirally Submerged Arc Welding,即SSAW)等4种。其中,LSAW按成型方式的不同分为UOE、JCOE、RBE、CFE、PFE等10余种。
    UOE制管工艺是1951年由美国国家钢铁公司(U.S.Steel)首先使用的。1968~1976年得到较大发展。现代UOE机组“O”型压力机的能力达到(5~6)×104t,可生产外径1420mm、壁厚达40mm的钢管。这种工艺投资高、产量大,适合单一规格大批量生产,但在小批量、多规格的场合则灵活性较差。为此,1976年以后发展了许多不采用UO成型的直缝埋弧焊管制造工艺。近年来比较注目的是德国开发的PFP成型法,又称“渐进式JCO成型技术”。这种工艺比较灵活,能够兼顾大批量与小批量、大管径与小管径,适合中等规模企业。
2.2 螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管的比较与选择
    由于无缝钢管和ERW钢管尺寸的限制,主干线(一般管径较大)主要采用LSAW(过去以UOE为主)和SSAW。而在高压输送管道主干线选用SSAW阻力很大。
    通过对加拿大等少数使用SSAW的国家考察后我们认为,SSAW和LSAW都采用双面埋弧焊,焊接接头质量应该可以达到同样水平。SSAW和LSAW的主要区别是焊缝的长度和走向:SSAW的焊缝较LSAW长,焊缝缺陷的几率较高,这是SSAW的劣势;SSAW焊缝与管道主应力方向有一定角度,使焊缝缺陷当量长度缩短(对单个缺陷而言,危险性减小),这又是SSAW的优势。上述劣势与优势大体上可以相互抵消。SSAW的焊缝走向及母材的特殊方向性,对止裂是有利的。
    1998年,中石油石油管材研究所和石油规划设计总院共同对国产SSAW和进口LSAW(UOE)进行了系统的对比试验,结论是:
    1) 国产SSAW母材、焊缝、热影响区的强度、韧性[包括低温韧性、FATT(Fracture Appearance Transition Temperature)、DWTT]和疲劳性能(包括σ-1、da/dN、△Kth和Nf)都达到了进口UOE焊管水平。
    2) 国产SSAW的残余拉应力总体上比进口UOE焊管高,表面质量与尺寸精度也较UOE差。
    3) 经过严格质量控制的国产SSAW可以用于油气输送主干线。建议一、二类地区采用SSAW,三、四类地区采用LSAW。
    4) 国产SSAW若能采取措施,进一步降低残余应力,提高尺寸精度,其质量水平和安全可靠性的可以全面达到进口UOE水平。
    2000年以来,承担西气东输工程制管任务的宝鸡、青县等6个焊管厂对各自的螺旋缝埋弧焊管生产线进行了大规模的技术改造,包括创立了低残余应力成型法,研制成功了螺旋缝焊管管端扩径装置。新生产线生产的螺旋埋弧焊管的残余应力状况优于经过机械扩径的UOE焊管,可在螺旋焊管内表面形成有利的残余压应力;经管端扩径的螺旋焊管管端尺寸精度(外径公差、圆度等)与进口UOE焊管相当。经对西气东输工程使用的157×104t焊管质量检验数据统计分析,管体和焊缝、热影响区的力学性能指标(包括低温韧性),国产螺旋焊管与进口UOE焊管处于同一水平;而全尺寸水压爆破试验的爆破应力,国产螺旋焊管还略优于进口UOE焊管。这说明,国产螺旋焊管的安全可靠性不亚于进口UOE焊管。
    经过近年来的科研攻关和西气东输、陕京二线及西气东输二线的工程实践,我国输气管道行业突破了国际上螺旋缝埋弧焊管的使用禁区,确立了具有中国特色的“大口径高压输送主干线螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用”的技术路线。
3 高压输气管道动态断裂及止裂韧性预测
    20世纪60年代以前,由于冶金水平的局限,管材韧脆转化温度较高,经常发生脆性断裂事故。20世纪70年代以后,随着冶金技术的进步,脆性断裂事故基本消除,经常发生的是延性断裂事故。输气管的断裂往往导致灾难性后果。裂纹扩展越长,后果越严重。保障高压输气管道本质安全性,首要的措施是延性断裂的止裂控制。
3.1 高压输气管道延性断裂止裂控制研究进展
    近30年来,如何判定输气管道延性断裂止裂所需要的韧性一直是研究的热点[7~8]。许多机构建立了自己的模型和公式。其中,Battelle双曲线法和Battelle简化方程得到最广泛的应用。Battelle双曲线法的原理是比较裂纹扩展速率随压力变化曲线(J曲线,材料阻力曲线)和气体减压速率随压力变化曲线,从而预测出止裂韧性。当这两条曲线相切,代表的是裂纹扩展与停止裂纹扩展的临界条件,与此条件相对应的韧性被规定为Battelle Two Curve方法的止裂韧性。Battelle简化方程采用环向应力、直径及壁厚等参数来表征止裂韧性。它是在对Battelle Two Curve方法计算结果进行统计的基础上发展而来的。后来,根据全尺寸钢管爆破试验结果对此方程进行了进一步的修正。
    Battelle双曲线法及其简化方程成功地对X70及更低钢级的全尺寸爆破试验结果进行了解释。然而随着输送压力的提高和高钢级管线钢的应用,这些模型和方程已不能够正确地预测止裂韧性。为了扩大Battelle双曲线法与Battelle简化方程的可用性,对预测结果采用修正系数给予修正。近期的实验结果表明,X120管线钢已不能单靠材料韧性解决止裂问题,必须使用止裂环。X100钢级处于临界状态,当服役条件相当严酷——比如输送富气、采用高的设计系数和低的设计温度,则应使用止裂环。
   止裂韧性预测的研究动向:
   Wikowski试图通过CVN(Charpy V-notch)、标准缺口DWTT和预裂纹DWTT能量的关系找出有效止裂韧性值。
    Leis提出当预测值超过94J时,采用如下修正公式:CVN=CVNBMI+0.002CVNBMI2.04-21.18。
    为了增加安全性,Leis提出指数2.04可以用2.1代替。
    美国西南研究院、意大利CSM(Centro Sviluppo Materiali S.P.A.)等机构提出输气管道纵向裂纹扩展问题的计算模型,并用裂纹尖端张开角(CTOA)作为对管道动态延性裂纹扩展和止裂的定量评价指标。
    日本提出了HLP(High Strength Line Pipe Cornmittee in The Iron and Steel Institute of Japan)方法。该方法保留了Battelle方程的基本形式,用单位面积上的预裂纹DWTT能代替Battelle Two Curve方法的CVN能来表征材料对裂纹扩展的阻力,并对裂纹扩展速率方程的常数和指数进行了修正,据称比Battelle方法更可靠。
3.2 西气东输一、二线管道延性断裂止裂韧性的预测
    西气东输一线采用Battelle简化公式预测了止裂韧性。
    西气东输二线管道延性断裂止裂控制面临的挑战是:钢级更高,管径和壁厚更大,特别是输送的天然气组分近于富气(双相)[9~10]。预测西二线止裂韧性值采用的气体组分见表1。
    新颁布的ISO 3183 2007中给出了几种常用的止裂韧性预测方法的适用范围(见表2)。可见,对于西二线,只有Battelle双曲线法适用。ISO 3183—2007进一步指出,当预测结果大于100J时,应对预测结果进行修正。而修正系数是由已经进行的全尺寸实物爆破试验结果确定的。由图4得出西二线止裂韧性修正系数为1.43。几种预测结果对比如表3所示。

    西二线埋地管道管体止裂韧性预测全部结果:西段1类地区(12MPa,壁厚18.4mm)CVN平均最小值220J,单个最小值170J;东段1类地区(10MPa,壁厚15.3mm)CVN平均最小值200J,单个最小值150J。2、3、4类地区:平均最小值180J,单个最小值140J。CVN剪切面积:平均最小值85%,单个最小值70%。夏比冲击试验温度:-10℃。
表1 预测西二线止裂韧性值采用的气体组成表    %(体积分数)
计算用气体组分
C1
C2
C3
iC4
nC4
iC5
nC5
C6
C7
CO2
N2
G1
92.14
3.55
1.40
0.40
0.40
0.2
0.2
0.11
/
0.2
1.40
G2
92.14
4.35
1.00
0.30
0.30
0.1
0.1
0.11
0.09
0.1
1.41
G3
92.00
4.50
1.50
0.40
0.40
0.2
0.2
0.20
/
0.1
0.50
土库曼斯坦气实际组分1)
92.55
3.96
0.34
0.12
0.09
/
/
/
/
1.9
0.85
注:1)表中部分数据由实际结果4舍5入而得。
表2 ISO 3183—2007规定的几种常用止裂韧性预测方法的适用范围表
止裂韧性预测方法
适用范围
钢级
输送压力/MPa
管径(D)/壁厚(t)
介质
Battelle简化公式
≤X80
≤7.0
40<D/t<115
单相气体
Battelle双曲线法
≤X80
≤12.0
40<D/t<115
单相或富气
AISI公式
≤X70
/
D≤1219;t≤18.3
单相气体
EPRG指南
/
≤8.0
D<1430;t<25.4
单相气体
注:表中管径和壁厚的单位均为mm。
4 强震区和活动断层区段基于应变的设计及抗大变形钢管的应用
    西气东输二线管道沿线经过相当长的强震区(地震峰值加速度0.2g以上,其中峰值加速度0.3g的地段约96km)和22条活动断层。当发生地震时,这些地区的管道将产生较大的位移,必须进行应变控制,即进行基于应变的设计,并同时采用抗大变形管线钢。
4.1 强震区和活动断层区管段基于应变的设计方法
    中石油《西气东输二线工程关键技术研究》重大专项设置课题研究了西二线基于应变的设计方法并进行了抗大变形管线钢的研究与开发。中石油规划设计总院和管道设计院编制了《西气东输二线管道工程强震区和活动断层区段埋地管道基于应变设计导则》[10~11]。基于应变的管道设计流程如图5所示。核心环节是设计应变小于等于极限应变/安全系数。此处的极限应变就是钢管应力-应变曲线中的屈曲应变。它可以直接由钢管实物试验测出,也可由经验公式、ECA(Engineer Critical Assessment)、宽板试验等确定。
    西二线天然气管道用焊管技术条件是在API Spec 5L(43版)基础上进行补充修改而成,其中包括《西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件》。由于该管线在地震断裂带以及可能发生地层移动的地区采用了基于应变设计,相应的需要采用具有特殊要求的抗大变形钢管。为了明确大变形钢管的性能要求和检验方法,中石油管材研究所编制了《西气东输二线天然气管道工程基于应变设计的直缝埋弧焊管技术条件》,作为对《西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件》的补充。

4.2 抗大变形管线钢管的应用
   对于基于应变设计地区使用的钢管来说,不仅要考虑普通地区使用钢管的强度和韧性等要求,还要对钢管的纵向变形能力作出规定,即对纵向拉伸试验的应力应变曲线和塑性变形容量指标进行规定[12]
典型的管线钢应力应变曲线有Luders elongation型及Round house型两种,如图6所示。研究表明,Round house型管线钢的变形能力优于Luders elongation型管线钢[12],其屈曲应变远高于Luders elongation型管线钢。
 

   钢管的屈曲应变决定于其应力应变曲线。不同钢管的应力应变曲线是不同的。控制钢管应力应变曲线的简捷方法是对那些描述应力应变行为的指标进行控制。与钢管屈曲应变相关的性能指标包括屈强比、均匀变形延伸率、形变硬化指数、应力比等。
   屈强比反映钢管在施工或运行中抵御意外破坏的能力。屈强比较低时,表明抗拉强度和屈服强度之差较大,当外加应力达到材料的抗拉强度前,会发生较大的塑性变形。塑性变形的结果,一方面使裂纹尖端的应力水平降低(应力松弛),另一方面会造成材料的强化;而且钢管发生较大的塑性变形时可及时被发现,以便采取有效的预防失效措施。屈强比越低,钢管在屈服后产生起始塑性变形到最后断裂前的形变容量越大。
钢管在塑性变形过程中产生的形变强化,可以阻止进一步变形的发生,防止变形的局部集中。这一过程可以通过形变强化指数表征。提高管材的形变强化指数是提高输送管变形能力的有效途径(图7)[13~14]。对于具有较高变形能力的管线钢,其形变强化指数一般大于0.1。
 

    形变强化指数在测试上有一定难度。为了在生产中便于控制,用控制应力比的方法来代替形变强化指数控制。应力比是对应两个应变水平的应力的比值,如Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0等。这是描述应力应变行为的一个重要方法。由于变形能力较强的钢管与普通钢管拉伸曲线的主要区别是在屈服初期,所以Rt1.5/Rt0.5可能更能描述二者之间的区别(图8)。
 

    延伸率越高,钢管的变形能力越好。在总延伸率中,均匀塑性变形延伸率的大小对钢管变形能力的贡献更大。一般情况下,具有良好变形能力的高钢级管线钢的均匀塑性变形延伸率超过7%。
    抗大变形管线钢既要有足够的强度,又必须有足够的变形能力,其组织一般为双相或多相,硬相为管线钢提供必要的强度,软相保证了足够的塑性。如日本开发的抗大变形钢系列,组织为铁素体+贝氏体、贝氏体+MA。
随着硬相比例增加,管线钢强度提高,如铁素体+贝氏体管线钢,随着贝氏体体积分数增加到30%左右,屈服平台消失,屈服现象为Round house型,且当贝氏体为长条型时应变强化指数达到0.12[15]。而对于贝氏体+MA管线钢,MA体积分数在5%左右时屈强比最低,韧性最好。
用于西二线的抗大变形钢管已试制成功。表4是西二线抗大变形管线钢技术条件对纵向拉伸性能的要求。表5为外径1219mm、壁厚22mm X80HD2钢管的纵向拉伸性能测试结果。9为其纵向拉伸曲线。根据此拉伸曲线,利用FEM(Finite Element Method)方法进行压缩和弯曲载荷下的应变能力计算,结果见表6。
 

4 西二线抗大变形钢纵向拉伸性能要求表
钢级代号
屈服强度(Rt0.5)/MPa
抗拉强度(Rm)/MPa
屈强比(Rt0.5)/MPa
均匀变形伸长率(UEL)/%
应力比(Rt1.5/ Rt0.5)
拉伸曲线形状(全曲线)
min
max
min
max
max
max
min
X80HD1
530
650
625
825
0.88
6.0
1.07
应为Round house曲线形状
X80HD2
530
630
625
825
0.85
7.0
1.10
应为Round house曲线形状
5 外径为1219mm、壁厚为22mm X80HD2钢管的纵向拉伸性能测试结果表
抗拉强度(Rm)/MP
屈服强度(Rt0.5)/MPa
屈强比(Rt0.5)/Rm
伸长率(A)/%
均匀变形伸长率(UEL)/%
Rt1.5/Rt0.5
724
580
0.80
43.0
8.1
1.17
表6 外径为1219mm、壁厚为22mm X80HD2钢管纵向变形能力表
规格
外径/壁厚
压缩应变/%
弯曲应变/%
10MPa
12MPa
10MPa
12MPa
HD2
1219/22.0
0.983
1.10
1.405
1.550
5 高钢级管道的腐蚀控制和应变时效控制
    西二线的外防腐与西一线相同,仍采用3层PE(Polyethylene)。但由于X80焊管强度较高,制管成型过程的应变会导致250℃涂敷防腐层时发生应变时效,从而使屈服强度上升,屈强比升高,影响焊管的变形能力和管道的安全性。西二线的腐蚀控制牵涉到焊管的应变时效控制。
    应变时效是钢经过冷塑性变形后,在室温长时间放置或稍加热后,其力学性能发生变化(通常是屈服强度增高,屈强比提高,并伴有塑性和韧性降低)现象。原因是存在于钢中的溶质组元如C、N原子通过扩散在位错周围偏聚,形成柯氏(Cottrell)气团,使位错运动变得困难,导致屈服强度升高。图10为X80钢管在不同时效条件下屈服强度和抗拉强度的变化情况。由图10可见,随着时效温度升高和时效时间的延长,钢管的抗拉强度变化不明显,但屈服强度则明显上升。在实际防腐过程中,时间一般只有5min左右。而从试验结果来看,防腐温度在200℃以下时,屈服强度没有明显变化。因此可以规定防腐时的加热温度不宜超讨200℃。
 

    在上述试验的基础上,中石油工程技术研究院已经研制了适用于较低温度(小于等于200℃)涂敷的3PE外防腐涂料和涂敷工艺。
6 结束语
    1) 提高管线钢管钢级和输送压力是国际上天然气管道建设强劲的发展趋势。过去,我国天然气管道普遍采用A3、16Mn等低强度钢管和不超过4MPa的设计压力,经济效益较低。2000年,西气东输管道工程采用X70钢级和10MPa设计压力,跟上了发达国家的步伐;现在,西气东输二线干线全部采用XS0钢级,西段采用12MPa的设计压力,使我国天然气管道建设跨上了新台阶。西气东输和西气东输二线管道工程的设计压力和钢管的强度级别达到或领先于同时期的国际先进水平。
    2) 西气东输和西气东输二线管道工程的几项重大技术进步:①研制并大规模开发了针状铁素体型X70、X80钢级高性能管线钢及焊管、管件;②突破国际上螺旋缝埋弧焊管的使用禁区,确立了具有中国特色的“大口径高压输送干线螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用”的技术路线;③在国内首次研究了高压输气管道动态断裂与止裂问题,采用Battelle简化公式或Battelle双曲线模型预测了西气东输和西气东输二线等管道延性断裂的止裂韧性;④在国内首次研究了油气管道基于应变的设计方法,解决了该设计方法及抗大变形管线钢管在强震区和活动断裂层管段应用的技术难题;⑤研究解决了高强度焊管的腐蚀控制和应变时效控制技术。
    3) 近年来,我国输气管道技术发展迅速。就高压输送和高钢级焊管的工程实践而言,我国已跻身国际上领跑者的行列。但就输气管道建设的整体技术,特别是高压输送和高钢级焊管应用的基础研究方面而言,我们仍属跟踪研究阶段,与发达国家之间还有一定的差距。
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(本文作者:李鹤林 吉玲康 田伟 中国石油天然气集团公司管材研究所)
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