楊劍峰，張 備，王嘯修，姚 建

（1.寶山鋼鐵股份公司 制造管理部，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900）

0 前 言

近幾年，中國(guó)多個(gè)城市冬季持續(xù)大范圍霧霾天氣，并出現(xiàn)PM2.5指數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)的狀況。遭遇霧霾天氣既有氣象方面的原因，如大霧天氣使污染物難以及時(shí)擴(kuò)散等；也有污染排放方面的原因，即產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不到位、能源上過(guò)度依賴煤炭資源等。防治空氣污染，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)污染物協(xié)同減排，調(diào)整生產(chǎn)方式或者產(chǎn)能，避免燃煤污染的治本之策，就是要使用清潔能源，加快發(fā)展天然氣等清潔能源，開(kāi)展煤炭消費(fèi)總量控制試點(diǎn)，從源頭上減少污染排放[1]。城市燃?xì)馐侵腹┚用裆?、商業(yè)和工業(yè)作燃料用的，公用性質(zhì)的燃?xì)?，它是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是改善城市大氣環(huán)境的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其中發(fā)展天然氣是可選擇的最佳方案之一[2]。天然氣屬于清潔能源，預(yù)計(jì)未來(lái)全世界天然氣的消費(fèi)量將以壓倒優(yōu)勢(shì)超過(guò)石油和煤炭，成為全球一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的第一能源，因此21世紀(jì)被稱之為“天然氣世紀(jì)”。天然氣具有低碳能源屬性，其消費(fèi)水平是衡量一個(gè)國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)的重要指標(biāo)[3]。但由于能源緊張局面日益加劇，冬季天然氣短缺問(wèn)題突出。自2005年冬季始我國(guó)許多城市發(fā)生了大面積天然氣 “氣荒”。天然氣安全保障引起廣泛地關(guān)注。多氣源供氣，利用城市高壓或次高壓外環(huán)多點(diǎn)接氣，提高供氣的可靠性和連續(xù)性成為發(fā)展趨勢(shì)。城鎮(zhèn)化是中國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長(zhǎng)的動(dòng)力，直接帶動(dòng)城市燃?xì)夤芫€的迅速發(fā)展，“十二五”末我國(guó)將建成城市燃?xì)夤芫€ 25萬(wàn)km，使城市燃?xì)夤芫€達(dá)到 60萬(wàn)km。但由于中國(guó)城市環(huán)境發(fā)生了重大變化，高層建筑密集、施工大開(kāi)挖頻繁、地下水抽吸過(guò)量等引起地面塌陷屢次發(fā)生[2]，因此要高度重視燃?xì)夤芫€的安全，而加強(qiáng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的相關(guān)研究就成為迫切的需求。

1 國(guó)內(nèi)外城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的研究及進(jìn)展

1.1 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)由基于應(yīng)力設(shè)計(jì)向基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變是發(fā)展趨勢(shì)，UOE焊管是城市管網(wǎng)管型選用的最佳選擇。

文獻(xiàn)[2]和[3]指出了城市管網(wǎng)的一些技術(shù)規(guī)范及法律法規(guī)要求：①城際干線用管主要用于長(zhǎng)輸管線和城市之間的聯(lián)接，是城市氣源的來(lái)源管。 一般直徑為406～914 mm， 壓力為4～10 MPa，應(yīng)按照長(zhǎng)輸管線四類地區(qū)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其安全系數(shù)應(yīng)大于長(zhǎng)輸管線的要求，管型選擇應(yīng)為直縫焊管；②城市燃?xì)夤芫W(wǎng)按照輸氣壓力區(qū)分，有環(huán)狀高壓管線、次高壓管線、中壓管線和低壓管線四個(gè)檔次、七個(gè)等級(jí)，其技術(shù)性能應(yīng)符合GB/T 9711—2011要求；③城市燃?xì)夤芫€設(shè)計(jì)方法要以埋地管道設(shè)計(jì)為原則，從以應(yīng)力為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變到以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)上來(lái)。④日本JFE公司和大阪大學(xué)研究直縫焊管的壓縮變形性能，比較結(jié)果表明：當(dāng) D/t（直徑/壁厚）=50，鋼級(jí)≤X65管材才合格，而 X70及螺旋埋弧焊管（SAWH）不能承受軸向壓力。由此得出結(jié)論，城市燃?xì)夤芫€能經(jīng)受軸向壓力的管材等級(jí)≤X65；D/t≤50；管型選用直縫埋弧焊管 （SAWL）和高頻直縫焊管（HFW）為宜[2]。

文獻(xiàn)[4]和[5]指出，基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)理念是建立在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)思想和位移控制載荷作用的基礎(chǔ)上，對(duì)于位移控制的管段，在保證管道安全運(yùn)營(yíng)的前提下，允許管道的應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力。此時(shí)的管道雖發(fā)生一定塑性變形，但仍能滿足運(yùn)行要求，能充分發(fā)揮管道材料的性能，節(jié)約成本。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，各國(guó)管道規(guī)范中涉及管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)大致分為3類：①同時(shí)包含應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有挪威船級(jí)社《海底管道系統(tǒng)》（DNV－OS－F101—2007）和加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)《油氣管線系統(tǒng)》（CSA Z662—2007）；②允許以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但沒(méi)有具體條款規(guī)定，有美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì) 《油氣輸配管道系統(tǒng)》（ASME B31.8）、美國(guó)石油協(xié)會(huì)《管線焊接和聯(lián)結(jié)設(shè)施》（API 1104）和澳大利亞 《石油和天然氣管線第一部分： 設(shè)計(jì)和施工》（AS 2885－1—2009）；③包含了部分特定管道以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有美國(guó)石油協(xié)會(huì)《碳?xì)浠衔锖５坠艿涝O(shè)計(jì)、建設(shè)、 運(yùn)行和維修》（API RP 1111—1999）、 美國(guó)船舶部 《海底管道建設(shè)指導(dǎo)》 （ABS—2006）和美國(guó)生命線聯(lián)盟 《埋地鋼管的設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（ALA—2001）。

圖1 不同設(shè)計(jì)方法的管材工作區(qū)域?qū)Ρ?/p>

不同設(shè)計(jì)方法的管材工作區(qū)域?qū)Ρ热鐖D1所示[5]。管道直徑、徑厚比及材質(zhì)與管道軸向最大拉應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示[6]。文獻(xiàn)[6]構(gòu)造的跨越斷層埋地管道的有限元模型給出了一些有利于管道抗震設(shè)計(jì)的規(guī)律性結(jié)論：①由管道直徑與軸向最大拉應(yīng)變的關(guān)系（圖2（a））可見(jiàn)，相同斷層位錯(cuò)量作用下，小直徑管道容易產(chǎn)生更大的拉伸應(yīng)變，且易發(fā)生塑性應(yīng)力集中現(xiàn)象乃至管道破損，選擇較大直徑的管道跨越斷層將更加安全；②由管道徑厚比與軸向最大拉應(yīng)變的關(guān)系（圖2（b））可見(jiàn)，相同斷層位錯(cuò)量作用下，徑厚比越大，管道軸向拉應(yīng)變?cè)酱?，管道越容易失效，薄壁管道在斷層作用下容易發(fā)生屈曲和塑性應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而厚壁管道則可以抵抗更大的斷層位移；③管道材質(zhì)與軸向最大拉應(yīng)變的關(guān)系（圖2（c））可見(jiàn)，不同管道材質(zhì)在斷層作用下發(fā)生失效時(shí)斷層的位錯(cuò)量不同，管材型號(hào)越低，延性越大，管道抵抗斷層變形的能力越大。由此可見(jiàn)，敷設(shè)管道應(yīng)選用大直徑且型號(hào)低的管材。而UOE焊管厚壁大直徑的特點(diǎn)對(duì)于提高服役管線的抗震性能尤為重要。

圖2 直徑、徑厚比及材質(zhì)與管道軸向最大拉應(yīng)變的關(guān)系

由文獻(xiàn)[7]可知，輸氣管道輸送量與輸送壓力和管道直徑的關(guān)系如圖3所示，管線鋼強(qiáng)度級(jí)別對(duì)鋼管壁厚和質(zhì)量大小的影響如圖4所示，結(jié)合管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知，管道工程的大直徑、高壓輸送這一目標(biāo)可以通過(guò)增加鋼管壁厚和鋼管強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而提高管線鋼的強(qiáng)度才是理想的選擇。這是因?yàn)樘嵘芫€鋼強(qiáng)度不僅可以減少鋼管壁厚和質(zhì)量，節(jié)約鋼材成本，而且由于管徑和壁厚的減少可以產(chǎn)生許多連帶的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 輸氣管線輸送量與輸送壓力和管道直徑的關(guān)系

圖4 管線鋼強(qiáng)度級(jí)別對(duì)鋼管壁厚和質(zhì)量的影響

綜合文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[7]的分析可見(jiàn)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的選型要綜合考慮管道的輸送壓力、管徑、壁厚及鋼級(jí)。從經(jīng)濟(jì)和安全角度考慮，X65鋼管應(yīng)用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)其綜合性價(jià)比較高，因此有必要對(duì)該鋼級(jí)展開(kāi)進(jìn)一步的研究和分析。就歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，城市天然氣管網(wǎng)的長(zhǎng)度為長(zhǎng)輸天然氣主干線的5倍，質(zhì)量比為3倍，再加上強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求等因素，可以預(yù)見(jiàn)城市天然氣管網(wǎng)的市場(chǎng)前景看好。因此，寶鋼加強(qiáng)了針對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的技術(shù)力量?jī)?chǔ)備及深入研究，致力于生產(chǎn)制造富于成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的經(jīng)濟(jì)型城市天然氣管網(wǎng)用UOE焊管產(chǎn)品成為當(dāng)前的客觀需要。

1.2 寶鋼UOE管在大應(yīng)變管道設(shè)計(jì)方面的業(yè)績(jī)

國(guó)外埋地管道抗震設(shè)計(jì)早已采用以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。2003年10月8日美國(guó)正式發(fā)布了《管道以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的設(shè)計(jì)》文件，該文件指出了基于應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，即

式中：t—鋼管壁厚；

Ф—設(shè)計(jì)系數(shù)；

σy—屈服強(qiáng)度；

p—工作壓力；

D—鋼管外徑；

σ—設(shè)計(jì)應(yīng)力；

[σ]—許用應(yīng)力。

基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，即

式中：εd—設(shè)計(jì)應(yīng)變；

εc—許用應(yīng)變。

日本對(duì)輸氣管線的相關(guān)研究表明：土壤和地震對(duì)管線安全的最大威脅是軸向壓縮，會(huì)導(dǎo)致管道多在焊縫處破裂。在地震引起二級(jí)大地移動(dòng)作用下明顯變形的情況發(fā)生時(shí)，為了使管線仍能保持輸送功能且不發(fā)生泄漏，日本環(huán)境保護(hù)廳為此做出規(guī)定，即

式中：εb—壓曲臨界（不發(fā)生斷裂）的應(yīng)變量。

日本學(xué)者SUZUKI等人提出了JAP公式[8]，綜合考慮了管線的應(yīng)變硬化指數(shù)n和管材的厚徑比t/D與εb的相關(guān)關(guān)系，即

并建議對(duì)于X65及其以下鋼級(jí)n值取0.11，X80 HD1和X80 HD2分別取0.06和0.09。中國(guó)燕山大學(xué)學(xué)者郭寶峰等人的研究[9]也證明了此觀點(diǎn)。

X60管線鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)n與應(yīng)變的關(guān)系基于應(yīng)變的管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法于2004年引入我國(guó)，并在2008年西氣東輸二線工程穿越強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷層段第一次得到工程應(yīng)用實(shí)績(jī)。但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備及研究還較匱乏，實(shí)際上大量使用的為進(jìn)口日本JFE鋼廠的X80抗大應(yīng)變UOE焊管，用量達(dá)上萬(wàn)噸之多。由于當(dāng)時(shí)寶鋼UOE大直徑焊管機(jī)組投產(chǎn)不久，僅于2009年 9月獨(dú)家供應(yīng)了φ1 219 mm×22 mm的X80 HD1抗大應(yīng)變焊管，用量?jī)H為千噸級(jí)。這是中國(guó)國(guó)產(chǎn)第一批X80 HD1抗大應(yīng)變焊管，正式拉開(kāi)了中國(guó)抗大應(yīng)變管線鋼管研究和技術(shù)應(yīng)用的序幕。而后在2011年國(guó)內(nèi)在中緬天然氣管線 （國(guó)內(nèi)段）大規(guī)模應(yīng)用了X70抗大變形管線鋼管，寶鋼UOE焊管機(jī)組供應(yīng)了φ1 016 mm×17.5 mm/22 mm兩個(gè)規(guī)格1.1萬(wàn)余噸，其力學(xué)性能如圖5所示。2012年在難度甚大的φ1 219 mm×26.4 mm規(guī)格X80抗大應(yīng)變焊管的研究方面取得了突破性進(jìn)展[10-11]，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)對(duì)大應(yīng)變管線鋼管的研究及生產(chǎn)水平趕上并達(dá)到了世界水平。

圖5 寶鋼UOE中緬管線X70HD鋼管管體力學(xué)性能

2 寶鋼對(duì)UOE板管力學(xué)性能的研究

UOE焊管產(chǎn)品全流程工序大致分為兩塊，一塊是制管，另一塊是供料（煉鐵、煉鋼、熱軋厚板），這種劃分是基于板管制造商，一般不是同一廠家乃至不在同一地區(qū)。宏觀來(lái)講，供料母材的性能直接決定了最終鋼管管體的性能，因此，供料設(shè)計(jì)和控制技術(shù)至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)供料來(lái)說(shuō)，首要目的是如何快速將用戶對(duì)鋼管的要求轉(zhuǎn)化為對(duì)熱軋厚板的要求，并科學(xué)地制定供料工序的一貫制控制工藝參數(shù)；在大生產(chǎn)階段，焊管工序希望前工序質(zhì)量穩(wěn)定、能夠快速交貨，方便其組織生產(chǎn)；也希望在生產(chǎn)緊急需要補(bǔ)料時(shí)前工序能快速響應(yīng)。總之，制管工序（或管廠用戶）對(duì)供料有如下要求，即精（設(shè)計(jì)精準(zhǔn)）和快（嚴(yán)格按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)）。因此，對(duì)于管材和鋼管制造商來(lái)說(shuō)，了解從鋼板到鋼管的強(qiáng)度變化并分析其原因都是非常重要的。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，歐美及日本的鋼鐵制造商們采用了多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)主要合金元素和加工工藝參數(shù)對(duì)管材和鋼管力學(xué)性能的影響。最初，在鋼板和鋼卷領(lǐng)域采用多項(xiàng)線性回歸模型來(lái)預(yù)測(cè)板和卷的強(qiáng)度和韌性。以著名的Hall-Petch關(guān)系為基礎(chǔ)，屈服強(qiáng)度和韌性是各種強(qiáng)韌化機(jī)制的疊加，見(jiàn)式（6）。

式中：d—晶粒直徑；

σi—除晶粒尺寸外影響強(qiáng)度的各種因素，如固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、錯(cuò)強(qiáng)化、織構(gòu)等。

20世紀(jì)70年代，ORTONJ[12]提出了著名的關(guān)于管線鋼的化學(xué)成分對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和DWTT試驗(yàn)的吸收能的影響因素，見(jiàn)式（7）～式（9）。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，管材生產(chǎn)者們想出很多方法來(lái)計(jì)算從管材到鋼管的強(qiáng)度變化，從試驗(yàn)規(guī)模的制管數(shù)據(jù)到經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)技術(shù)、再到計(jì)算機(jī)模型。在熱軋機(jī)中，通常采用簡(jiǎn)單的回歸分析方法，在管材抗拉強(qiáng)度或屈強(qiáng)比與鋼管的屈服強(qiáng)度之間建立起關(guān)系，來(lái)指導(dǎo)日常的生產(chǎn)操作。DOUGLAS G等人[13]設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于管材、鋼管性能及制管參數(shù)等的數(shù)據(jù)庫(kù)模型， 見(jiàn)式（10）～式（12）。

該模型或公式要具有說(shuō)服力，往往要依賴于完備的大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)體系的支撐，目前，僅限于個(gè)別大制造商（如歐洲鋼管、新日鐵或JFE等大型鋼鐵制造商）使用。當(dāng)然這種方法的使用范圍受公式中各獨(dú)立參數(shù)范圍的制約，通常只適用于特定的（板或卷）軋機(jī)及相關(guān)焊管機(jī)組。但該方法能夠?qū)疽氐挠绊懽龀龌菊_地預(yù)測(cè)（或者趨勢(shì)研判），故該方法仍在使用，并可以成功地運(yùn)用于指導(dǎo)管材的合金設(shè)計(jì)和成本分析。

2.1 基于DOE技術(shù)的UOE板管力學(xué)性能研究

基于寶鋼UOE焊管機(jī)組投產(chǎn)5年多來(lái)的140余萬(wàn)噸的管線業(yè)績(jī)及寶鋼管線鋼近30年來(lái)的生產(chǎn)制造一貫制技術(shù)積累，統(tǒng)籌兼顧考慮煉鋼化學(xué)成分、厚板軋制工藝（TMCP等）、焊管成型工藝參數(shù)等因素，并根據(jù)寶鋼城市燃?xì)夤芫W(wǎng)工程項(xiàng)目的板管力學(xué)性能實(shí)績(jī)的綜合分析運(yùn)用，以及參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)專家學(xué)者等的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（公）式等，本研究嘗試運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法中的夏寧變量搜索法和混料回歸分析法，對(duì)X65鋼UOE板管力學(xué)性能的優(yōu)化配置進(jìn)行初步的探索和研究。

2.1.1 夏寧（D－shainin）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量搜索法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)[14]，經(jīng)濟(jì)科學(xué)地制定試驗(yàn)方案以便對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)學(xué)理論和方法。試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究如何合理而有效地獲得數(shù)據(jù)資料[15]、安排試驗(yàn)，然后進(jìn)行綜合科學(xué)的分析，同時(shí)研究多個(gè)輸入因素對(duì)輸出的影響，從而獲得影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素及最優(yōu)方案。建立DOE矩陣的常用設(shè)計(jì)方法有：因子設(shè)計(jì)、正交數(shù)組試驗(yàn)、中心組合設(shè)計(jì)、D優(yōu)化和LATIN法。在上述過(guò)程中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程所需要進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)會(huì)隨著因子數(shù)的增加而成幾何級(jí)的遞增，如全因子設(shè)計(jì)有4個(gè)因子，而每個(gè)因子各有2個(gè)水平，則有24即16個(gè)組合，這意味著要做16次試驗(yàn)。這種情況是切實(shí)可行的。但如果有10個(gè)因子，各有2個(gè)水平，將會(huì)有210個(gè)組合（即1 024次試驗(yàn)）。這個(gè)過(guò)程不僅需要成本投入，最重要的是產(chǎn)品投入市場(chǎng)或改進(jìn)周期的延遲，常常會(huì)造成市場(chǎng)機(jī)會(huì)的流失。

圖6 夏寧（D-shainin）DOE設(shè)計(jì)中的變量搜索法

本研究引入夏寧（D-shainin）試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法中的變量搜索法，其工作原理如圖6所示。對(duì)DOE中重要因子（本研究主要針對(duì)厚板的控軋控冷TMCP工藝參數(shù)）進(jìn)行篩選和交互作用分析。該方法具有試驗(yàn)數(shù)量較少的優(yōu)勢(shì)，甚至對(duì)于10個(gè)因子最多只進(jìn)行26次試驗(yàn)，同時(shí)還可對(duì)所有的主效應(yīng)和全部二階、三階和大多數(shù)四階的交互影響效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分離。此外，該方法比經(jīng)典法和田口法更節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用[16]。

變量搜素法可大致分為4個(gè)階段：①球場(chǎng)/界定試驗(yàn)因子，決定試驗(yàn)用的每個(gè)變量是否正確有效；②分離重要和非重要因子，將重要變量從非重要變量中分離并消除非重要變量及其相關(guān)的交互影響；③求校運(yùn)算，驗(yàn)證重要變量是重要的，而非重要變量是非重要的；④析因分析，對(duì)重要變量及其有關(guān)的交互影響的大小和期望水平進(jìn)行量化。

2.1.2 管線設(shè)計(jì)要考慮的約束條件

管線設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注和考慮一些約束條件，即頂點(diǎn)構(gòu)造的邊界。

2.1.2.1 冶金成分方面的約束條件

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著油氣管道輸送壓力和直徑的增大，對(duì)管線鋼的強(qiáng)度級(jí)別要求也越來(lái)越高，于是開(kāi)始采用高強(qiáng)度低合金鋼代替普碳鋼，并通過(guò)控制軋制和控制冷卻技術(shù)進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)韌性。這類鋼中，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般≤0.02%，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3%～5%。隨著管線鋼的進(jìn)一步發(fā)展，到20世紀(jì)60年代末70年代初，美國(guó)石油組織在API SPEC 5LX和API SPEC 5LS中提出了微合金控軋鋼X56，X60及X65系列，這類鋼突破了傳統(tǒng)鋼的設(shè)計(jì)理念，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.10%～0.14%，鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.20%的Nb，V和Ti等合金元素，并通過(guò)控軋工藝使鋼的力學(xué)性能得到顯著改善。到1973年和1985年，API標(biāo)準(zhǔn)中又相繼增加了X70和X80鋼，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.01%～0.05%，碳當(dāng)量相應(yīng)地降到0.37%以下，開(kāi)發(fā)出了真正現(xiàn)代意義上的多元微合金化控軋控冷管線鋼。

從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，對(duì)管線鋼較高的低溫韌性、良好的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊性能要求促使鋼的碳當(dāng)量逐漸降低，從而對(duì)鋼的成分設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的限制。例如，酸性介質(zhì)條件促進(jìn)低C，S和高潔凈度技術(shù)；高韌性的需要促進(jìn)低C，S，P和潔凈鋼技術(shù)；高強(qiáng)度和大應(yīng)變等需求促進(jìn)微合金化、合金化、低溫軋制和加速冷卻技術(shù)等。基于材料易焊接性能的考量，提出了鋼的冷裂紋硬化因子Hmax指標(biāo)；而為了避免管線鋼冷裂紋的產(chǎn)生，允許最大硬度一般為260 HV10。目前國(guó)外管線通常要求碳當(dāng)量CEIIW小于0.40%或碳當(dāng)量CEpcm小于 0.20%[17]。

API等國(guó)際管線技術(shù)規(guī)范對(duì)管線鋼焊接裂紋控制的相關(guān)要求及約束條件如下[17]：

2.1.2.2 厚板TMCP工藝及物流方面的約束條件

從冶金學(xué)原理角度分析，含Nb微合金化鋼最合適的軋制工藝是熱機(jī)械處理（TMCP）工藝，即采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)、未再結(jié)晶區(qū)或奧氏體與鐵素體兩相區(qū)的三階段控制軋制[18-21]和軋后控制冷卻條件來(lái)控制奧氏體的組織形態(tài)、相變條件、碳氮化物析出行為、相變后鋼的組織和性能，控制軋制三個(gè)階段及組織變化如圖7所示[18-20]，控制軋制與控制冷卻技術(shù)如圖8所示[21]?？刂栖堉频闹饕に噮?shù)有：板坯加熱溫度、板坯加熱時(shí)間、軋鋼變形量、精軋開(kāi)軋溫度、中間坯厚度和終軋溫度；控軋冷卻的主要工藝參數(shù)有：冷卻速度、始冷溫度和終冷溫度。控制軋制中各種因素的相關(guān)關(guān)系如圖9所示[22]。

圖7 控制軋制的三個(gè)階段及組織變化

圖8 控制軋制與控制冷卻技術(shù)示意圖

圖9 控制軋制中各種因素的相關(guān)圖

為確保微合金元素Nb和V在奧氏體中能充分固溶，即保證再結(jié)晶區(qū)域中的奧氏體晶粒足夠細(xì)化，就需要合理的選擇加熱溫度及加熱時(shí)間。選擇軋鋼變形量時(shí)也要考慮由于存在再結(jié)晶區(qū)域、部分再結(jié)晶區(qū)域和未再結(jié)晶區(qū)域的影響。為細(xì)化鐵素體晶粒，在γ再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次大變形 （每道次變形量必須大于再結(jié)晶臨界變形量）高溫粗軋，通過(guò)形變/再結(jié)晶反復(fù)進(jìn)行使奧氏體晶粒充分細(xì)化（同時(shí)須保證粗軋結(jié)束時(shí)處于完全再結(jié)晶區(qū)，防止混晶），總形變量以40%左右為最佳[23]。TMCP與普通軋制的相關(guān)工藝對(duì)比如圖10所示[13]。

日本住友極地管線鋼的相關(guān)研究表明，針對(duì)管線鋼優(yōu)良的強(qiáng)韌性，相關(guān)的加熱溫度及熱軋軋制溫度存在一個(gè) “最優(yōu)區(qū)域”。住友極地管線鋼希望性能軋制條件的最優(yōu)區(qū)域如圖11所示[24]。

圖10 TMCP與普通軋制的相關(guān)工藝對(duì)比簡(jiǎn)圖

同時(shí)針對(duì)含Nb微合金鋼軋制溫度控制的一些經(jīng)驗(yàn)公式等也構(gòu)成管線設(shè)計(jì)的一些約束條件，共同影響頂點(diǎn)的構(gòu)筑。據(jù)科恩M等人[20]的研究，有關(guān)控軋溫度控制的幾組經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)式（17）～式（19）。

圖11 住友極地管線鋼希望性能軋制條件最優(yōu)區(qū)域

此外，針對(duì)X65管線鋼厚板的軋制工藝方法有多種選擇，既可以采用兩階段控軋，即再結(jié)晶區(qū)開(kāi)軋和再結(jié)晶區(qū)終軋，終軋溫度高于Ar3；也可以采用三階段控軋，比兩階段控軋工藝增加了一個(gè)γ-α兩相區(qū)的軋制，而且其后的控制冷卻形式也具有多樣性 （即可以空冷也可以ACC等），可依據(jù)各個(gè)寬厚板廠的設(shè)備、軋制條件、板厚板寬 （軋制難易程度）乃至于物流及產(chǎn)能等多方面因素的綜合考量而擇優(yōu)選取。

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)外寬厚板廠采用多塊鋼板交叉軋制方式以減少軋機(jī)待機(jī)的時(shí)間，提高產(chǎn)量，因厚板中間坯需待溫冷卻，后階段須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)軋制且累計(jì)壓下率也有特殊要求。代表目前世界厚板軋機(jī)工藝裝備最高水平的德國(guó)迪林根寬厚板廠就采用雙機(jī)架多塊板坯三階段控制軋制工藝生產(chǎn)管線鋼[25-26]。

2.1.3 混料設(shè)計(jì)極端頂點(diǎn)構(gòu)造法

采用兼有上下界約束的混料試驗(yàn)極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，以寶鋼的UOE機(jī)組生產(chǎn)的L450MB （X65）鋼φ813 mm×11.9 mm/15.9 mm規(guī)格的某城市燃?xì)夤芫W(wǎng)項(xiàng)目為例，研究了成分變化對(duì)厚板軋制溫度、UOE成型參數(shù)及X65管線管板、鋼管拉伸和沖擊性能變化的交互關(guān)系等影響規(guī)律，為后續(xù)X65板管力學(xué)性能優(yōu)化配置的研究應(yīng)用提供一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為兩組（A和B），均以微合金化的C-Mn-Si鋼為基礎(chǔ)，A組合單獨(dú)添加Nb，B組合添加Nb和Mo。混料設(shè)計(jì)極端頂點(diǎn)構(gòu)造表見(jiàn)表1，基于API管線設(shè)計(jì)原則的各分量約束條件見(jiàn)表2?？紤]薄壁及小直徑管等因素，結(jié)合前期生產(chǎn)其他相近規(guī)格的生產(chǎn)實(shí)績(jī)，此項(xiàng)目所有管料采用1.1%左右的擴(kuò)徑率，并采用中等水平0.25%以下的壓縮率進(jìn)行，以期保證鋼管強(qiáng)韌性指標(biāo)優(yōu)良的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的橢圓度控制目標(biāo)[27-28]。

表1 混料設(shè)計(jì)極端頂點(diǎn)構(gòu)造表

表2 基于API管線設(shè)計(jì)原則的各分量約束條件

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

L450MB（X65）鋼 φ813 mm×11.9 mm/15.9 mm板管的力學(xué)性能如圖12所示。

從圖 12（a）～圖 12（c）的拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩組（A和B）成分的板材制管后的拉伸性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求。B組11.9 mm厚板管性能的變化趨勢(shì)更明顯，即由板到管的屈服強(qiáng)度降低更明顯，而對(duì)應(yīng)的A組11.9 mm厚板管屈服強(qiáng)度的變化基本不大。15.9 mm厚板僅安排A組生產(chǎn)，其板管屈服強(qiáng)度變化也不明顯。A組和B組板管抗拉強(qiáng)度的變化也不太明顯。

從圖 12（d）～圖 12（f）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩組（A和B）成分的板材制管后的沖擊性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且有較大的富裕量。A組和B組板材經(jīng)UOE制管后，由板到管的塑性損失均較大，11.9 mm厚的B組降低51 J、A組降低108 J，15.9 mm厚的A組降低114 J。

從圖 12（g）～圖 12（i）的 DWTT 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩組 （A和B）成分的板材制管后的DWTT性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且都達(dá)到了92%以上的高水平。由板到管的剪切面積均值有所上升，主要考慮板管試驗(yàn)溫度的10℃的差異等因素。極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方案以及結(jié)果（管體拉伸性能）見(jiàn)表3。

采用二階段多項(xiàng)式回歸模型，用最小二乘法得到各回歸系數(shù)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析MINITAB軟件進(jìn)行檢驗(yàn)分析，最終獲得表4中的有關(guān)X65板管力學(xué)性能的預(yù)測(cè)方程。

圖12 L450MB（X65）鋼φ813 mm×11.9 mm/15.9 mm板管力學(xué)性能分布圖（均值的95%置信區(qū)間）

表3 極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果（管體拉伸性能）

表4 X65板管力學(xué)性能預(yù)測(cè)方程及方差分析

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）伴隨中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程清潔能源替代戰(zhàn)略的推進(jìn)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)將迎來(lái)新一輪的發(fā)展。而城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的設(shè)計(jì)思路由基于應(yīng)力設(shè)計(jì)向基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。UOE焊管的工藝技術(shù)特性表明其是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)管型的最優(yōu)選擇，且X65鋼能很好地平衡城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

（2）將試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）技術(shù)引入U(xiǎn)OE焊管板管力學(xué)性能的配置和優(yōu)化中，采用夏寧變量搜索法和混料設(shè)計(jì)回歸分析法，以某城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的生產(chǎn)制造實(shí)績(jī)?yōu)閼?yīng)用對(duì)象，初步分析了影響X65鋼板管力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，并嘗試推導(dǎo)了板管力學(xué)性能的預(yù)測(cè)方程，以實(shí)例分析和驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

（3）對(duì)UOE焊管板管力學(xué)性能的工藝研究過(guò)程中運(yùn)用DOE方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型建立、過(guò)程優(yōu)化控制和工藝參數(shù)預(yù)測(cè)等的高效深入研究，并取得良好的效果，初步顯示了DOE方法在板管力學(xué)性能研究應(yīng)用中的優(yōu)越性。隨著后期相關(guān)研究的不斷發(fā)展，變量搜索及混料設(shè)計(jì)等主要方法在板管力學(xué)性能研究中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，兼之與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等其他最優(yōu)化方法相結(jié)合，一定能夠促進(jìn)對(duì)UOE焊管板管力學(xué)性能的最優(yōu)化過(guò)程研究的持續(xù)改進(jìn)及提高。

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