徐 婷 編譯

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077）

1 試驗材料和規(guī)范

1.1 試驗材料

對天然氣的需求日益增長，推動著高鋼級長輸管線的不斷發(fā)展，X100鋼管的應用成為過去10年廣泛研究的課題之一。筆者研究了X100鋼管的制造、建設、結構性能和長期運行性能，以及鋼管沿整條管線在局部區(qū)域承受應變的能力。

試驗材料為 1條長 800 m的 X100鋼級φ1 219 mm×19.8 mm的埋地管線，工作壓力為18 MPa，管線的設計系數為0.8，在2年內承受壓力循環(huán)，模擬約40年的壓力服役狀況。

1.2 管線規(guī)范

本研究對管線管和焊接的要求都進行了規(guī)定。表1為管線設計的關鍵參數，表2為管線管未涂覆時的主要性能指標。

表1 管線設計關鍵參數

表2 管線管主要力學性能

2 X100管線管母材合金設計

X80管線鋼主要顯微組織是具有細粒鐵素體的上貝氏體。對于X100高強度管線鋼的顯微組織包括低溫轉變產物，如帶有少量馬氏體-奧氏體（M/A）的下貝氏體，以獲得更高強度和合適的斷裂韌性，其顯微組織和SEM照片如圖1所示。

圖1 典型X100管線鋼管顯微組織和SEM分析結果

為獲得低合金的顯微組織，鋼的組分被高度優(yōu)化。選擇低C-Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-Ti化學成分來實現(xiàn)奧氏體淬透性的最大化，而同時保持低Pcm（裂紋敏感系數）值，低Pcm有助于提高鋼的焊接性能以及降低合金的成本。

3 X100管線管焊縫金屬和熱影響區(qū)設計

圖2 Pcm值和焊縫金屬抗拉強度之間的關系

在研究焊縫性能的試驗中，發(fā)現(xiàn)主要通過其淬透性可以控制焊縫的強度。圖2為Pcm值和焊縫金屬抗拉強度之間的關系。由圖2可以看出，焊縫金屬強度隨Pcm值的增加而增加。Pcm值選擇為0.27%±0.03%，考慮母材的化學成分來設計焊縫金屬化學成分可以達到Pcm值的目標要求。

可以采用一些方法優(yōu)化熱影響區(qū)（HAZ）的韌性。鋼管保持低的C和Si含量，使MA組分達到最小。采用微合金化元素（Nb，V和Ti）來控制M/A，限制晶粒長大，并限制有害析出物的影響。減少N，P和S的含量，且控制好淬透性來確保在焊接熱循環(huán)期間得到細板條為基的組織的轉變。通過控制S的含量達到母材高韌性要求，添加B來控制焊縫金屬的韌性。

4 生產工藝

鋼管生產采用UOE制造工藝，成型后縱向焊縫由埋弧焊接完成，內焊縫采用3根電焊條，外焊縫采用4根電焊條。焊接輸入熱量控制盡可能低，使熱影響區(qū)達到高韌性。焊接時，為避免焊縫產生延遲氫致開裂，焊劑和坡口應保持干燥。

焊接后為精確控制最終鋼管形狀，對鋼管進行機械擴徑，擴徑率在短距內最大為1.5%。靜水壓試驗后，對縱向焊縫進行超聲波檢驗。最后，UOE鋼管管端采用超聲波和磁粉檢驗方法進行無損檢測。

5 試驗鋼管化學成分及力學性能

5.1 化學成分

生產的50根X100鋼級φ1 219mm×19.8 mm鋼管，單根長度為12m。母材的化學成分見表3。C，Mn，P，S和N元素對母材和熱影響區(qū)（HAZ）的韌性非常重要，應將這些元素的含量控制在目標優(yōu)化范圍內。

表3 母材的化學成分 %

5.2 力學性能

5.2.1 拉伸性能

力學性能試驗采用棒狀試樣和API全壁厚板狀試樣，分別應用于橫向和縱向。

兩種不同規(guī)格試驗鋼管的力學性能試驗結果見表4～表7。

表4 φ8.9mm棒狀試樣橫向拉伸試驗結果

表5 全壁厚板狀試樣橫向拉伸試驗結果

表6 φ12.7mm棒狀試樣縱向拉伸試驗結果

表7 全壁厚板狀試樣縱向拉伸試驗結果

從拉伸試驗結果可以看出，橫向平均屈服強度為776 MPa，接近協(xié)議范圍690～810 MPa的較高值；縱向平均屈服強度為657 MPa，接近協(xié)議范圍630～790 MPa的下限。這表明規(guī)范規(guī)定的鋼管縱向屈服強度的上限應降低，可能會允許放寬環(huán)焊縫金屬的強度而達到同樣過匹配強度水平。橫向和縱向的母材平均拉伸強度是相似的，且大致為協(xié)商范圍的中間值。

圖3為試驗類型對鋼管橫向拉伸性能的影響。從圖3可以看出，由于包申格效應，板狀試樣具有較低的屈服強度，包申格效應對高強度鋼級更為明顯，當橫向彎曲試樣壓平時會發(fā)生。對比縱向棒狀試樣和板狀試樣的結果，表明拉伸性能無較大的差別，這說明鋼管的拉伸性能在壁厚上是一致的。

試樣橫向平均屈服強度比縱向高120MPa，這是由于機械擴徑時的加工硬化造成的，這種影響隨著抗拉強度的增加而增加，這種情況在高強度鋼中更為常見。這導致試樣縱向平均屈強比為81% （板狀試樣），而橫向平均屈強比為93%。

圖3 試驗類型對鋼管橫向拉伸性能的影響

5.2.2 韌性性能

材料的韌性性能由夏比V形缺口試驗和全壁厚壓制缺口落錘撕裂試驗（DWTT）來測定。

夏比沖擊試驗結果見表8。6%母材沖擊功的單個值小于目標值（200J），其測到的最小值為181J，滿足項目對初期控制的要求。

表8 V形缺口夏比沖擊試驗結果

由表8可以看出，-30℃下焊縫平均韌性為147 J，最小值為117 J，這已經大于目標值（100 J）和最小值（75 J）的要求。-30℃下熱影響區(qū)的韌性為144 J，單個最小值為57 J。母材、焊縫和熱影響區(qū)典型的溫度轉變曲線如圖4所示。當轉變發(fā)生溫度低于-30℃時，母材、焊縫和熱影響區(qū)的50%上平臺能轉變溫度都分別低于-80℃、-68℃和-62℃。

圖4 夏比沖擊溫度轉變曲線

5.2.3 DWTT試驗

-20℃的DWTT試驗平均SA為98%，最大100%，最小值為88%，符合項目規(guī)范的要求（≥85%）。 典型DWTT轉變曲線如圖5所示，85%SA的轉變溫度為-44℃。

5.2.4 硬度試驗

X100鋼管典型焊縫接頭平均硬度見表9，其硬度分布如圖6所示。其中圖6為與X60鋼級的對比。管體、焊縫和 HAZ硬度均小于300HV10，滿足項目規(guī)范要求。

圖5 DWTT溫度轉變曲線

表9 X100焊縫接頭平均硬度值

圖6 典型焊縫接頭硬度分布

對于X100高強度管線鋼管，減少HAZ軟化、HAZ寬度的最小化及維持過匹配對保證焊縫接頭的強度都非常關鍵。X100管線鋼管焊縫接頭典型的顯微組織如圖7所示。從圖7可以看出，焊縫的焊偏控制在3 mm以內，焊縫的最窄點大于公稱壁厚6.6 mm的1/3，焊道高度控制在低于3 mm的范圍，均與鋼管規(guī)范的要求一致。

圖7 典型焊縫接頭微觀組織

6 結 論

（1）試驗X100管線鋼管能夠滿足技術標準的要求。

（2）橫向和縱向拉伸性能均控制在項目規(guī)范的范圍內，最大偏差為35 MPa，并且可以使其中的一些范圍更加嚴格，盡可能地提高應變性能，如管體縱向屈服強度公差和均勻延伸率等。

（3）-20℃時母材最小韌性超過了 180 J，-30℃焊縫韌性超過了117 J，實現(xiàn)了對裂紋止裂的要求。

（4）焊縫接頭硬度水平滿足項目規(guī)范要求，管體、焊縫和HAZ硬度均低于300HV10。