馬秋榮，張對(duì)紅，郭志梅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；3.中國(guó)石油集團(tuán)管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京100101)

X100管線鋼管的技術(shù)要求及研究開(kāi)發(fā)

馬秋榮1,2，張對(duì)紅3，郭志梅3

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；3.中國(guó)石油集團(tuán)管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部，北京100101)

結(jié)合X100管線鋼管開(kāi)發(fā)研究成果，對(duì)X100管線鋼管開(kāi)發(fā)研究中普遍關(guān)注的斷裂控制、高屈強(qiáng)比、各向異性、缺陷容限和韌脆轉(zhuǎn)變行為等主要問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。研究結(jié)果表明，用DWTT試驗(yàn)和Battelle總結(jié)的85％SA對(duì)應(yīng)溫度經(jīng)驗(yàn)方法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)X100鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂行為；目前只有全尺寸實(shí)物爆破試驗(yàn)法是適用于X100管線裂紋止裂行為預(yù)測(cè)的可靠方法。因此，X100管線鋼管的應(yīng)用還需根據(jù)具體管線服役工況，在API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，補(bǔ)充屈強(qiáng)比、止裂韌性及DWTT等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的要求，以保證X100管線的服役安全。

焊管；X100；屈服強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；沖擊韌性；止裂韌性

1 國(guó)際上X100鋼管研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

從1990年起，國(guó)際上就開(kāi)始了X100管線鋼管開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用的研究。英國(guó)BP公司與鋼鐵、制管企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)了X100管線鋼管，并進(jìn)行了冶金、理化性能評(píng)價(jià)，可焊性評(píng)估以及鋼管現(xiàn)場(chǎng)彎曲試驗(yàn)。為確定X100管材對(duì)鋼管長(zhǎng)程開(kāi)裂的止裂能力，還進(jìn)行了多次全尺寸爆破試驗(yàn)。歐洲鋼管公司也已生產(chǎn)出厚度為20mm的X100管線鋼，用來(lái)制造直徑為914mm的鋼管，目前還試制了25.4mm厚的鋼板。日本JFE也對(duì)X100的研究應(yīng)用做了大量的工作。從1995年開(kāi)始，JFE就著手X100鋼管的試制工作，已經(jīng)生產(chǎn)試制了3 300 t X100管線鋼管，做了力學(xué)性能、焊接、涂覆、全尺寸爆破、止裂器應(yīng)用等在內(nèi)的大量研究。

高壓輸氣管線裂紋擴(kuò)展止裂性能一直是國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，CSM和Advantica等已進(jìn)行了多次X100鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)。通過(guò)這些試驗(yàn)，CSM逐步建立了X100鋼管全尺寸爆破試驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并取得了一定的成果。

經(jīng)過(guò)十多年的研究，X100鋼管開(kāi)發(fā)水平得到了很大的提高，在全尺寸氣體爆破試驗(yàn)之外，開(kāi)始小規(guī)模建設(shè)試驗(yàn)段和試運(yùn)行。這些試驗(yàn)段的建設(shè)旨在展示制造X100鋼管技術(shù)的可靠性以及建設(shè)超高壓輸送管道的可行性。

國(guó)外試驗(yàn)段/示范段建設(shè)的目的主要是獲取X100的制造、試驗(yàn)和建設(shè)(焊接和現(xiàn)場(chǎng)冷彎)經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估極地寒冷環(huán)境施工技術(shù)(焊接和冷彎)，研究鋼管拉伸和壓縮應(yīng)變行為和基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步增大規(guī)模，證明X100鋼管的適用性，檢驗(yàn)X100鋼管抗第三方損傷、疲勞、應(yīng)力腐蝕等方面的服役性能。

X100試驗(yàn)段大多是在現(xiàn)有管線上敷設(shè)，一般不超過(guò)5km，雖然已經(jīng)成功建設(shè)了多條X100試驗(yàn)段。但是迄今為止所有的管道試驗(yàn)段都是在低應(yīng)力系數(shù)水平下運(yùn)行，沒(méi)有在真正X100的設(shè)計(jì)應(yīng)力工況下運(yùn)行。建設(shè)試驗(yàn)段的目的集中在管道的設(shè)計(jì)、X100管線鋼管組織生產(chǎn)、施工技術(shù)的考核和改進(jìn)上。對(duì)鋼管強(qiáng)度、韌性和可靠性的考核主要依靠實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2 X100鋼管技術(shù)要求

API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定了X100需要滿足的基本理化性能(分別見(jiàn)表1和表2)。實(shí)際應(yīng)用還需根據(jù)工程實(shí)際情況制定各種補(bǔ)充技術(shù)條件，確定各種技術(shù)指標(biāo)，如屈強(qiáng)比、沖擊功值、DWTT等。

表1 API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品化學(xué)成分要求％

表2 API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸性能要求

API SPEC 5L附錄G規(guī)定了適用于夏比沖擊試驗(yàn)的PSL2鋼管和訂購(gòu)用于輸氣管線管體抗延性斷裂擴(kuò)展PSL2鋼管的補(bǔ)充條款，同時(shí)也為確定鋼管延性斷裂止裂CVN沖擊功值提供了指南。

表3是附錄G中提供的5種止裂韌性預(yù)測(cè)方法和其應(yīng)用范圍的說(shuō)明，目前只有全尺寸爆破試驗(yàn)方法適用于超高強(qiáng)度鋼管(X90及其以上鋼級(jí))。該方法建立在全尺寸爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)特定設(shè)計(jì)與輸送流體的管線止裂韌性進(jìn)行驗(yàn)證。目前，這是唯一可以讓大家普遍接受的可信的確定X90或X100超高強(qiáng)度管線鋼管止裂韌性的方法。

表3 API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)推薦的5種止裂韌性預(yù)測(cè)方法和應(yīng)用范圍

3 X100管線鋼管開(kāi)發(fā)研究的主要問(wèn)題

3.1 X100管線鋼的斷裂控制

延性裂紋的長(zhǎng)程擴(kuò)展是天然氣管道失效后果最嚴(yán)重的失效模式之一，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，尤其隨著輸送壓力和管線鋼強(qiáng)度的升高，風(fēng)險(xiǎn)也變得越來(lái)越大。因此，高壓輸氣管道的動(dòng)態(tài)延性斷裂控制和止裂預(yù)測(cè)成為關(guān)系管道安全的最重要的問(wèn)題。現(xiàn)有的確定鋼管延性斷裂止裂沖擊功值的5種方法，目前只有全尺寸實(shí)物爆破試驗(yàn)法適用于超高強(qiáng)度鋼管。

X100管線鋼管現(xiàn)有實(shí)物爆破試驗(yàn)數(shù)量少、數(shù)據(jù)分散，不能有效支持止裂韌性預(yù)測(cè)值(或修正值)，按目前實(shí)物爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如圖1所示)，X100管線鋼管止裂韌性應(yīng)達(dá)到Battelle預(yù)測(cè)值的2.4倍甚至更高。因此X100管線鋼管的自身止裂問(wèn)題一直存在爭(zhēng)論，一般當(dāng)設(shè)計(jì)系數(shù)較低時(shí)，基本可實(shí)現(xiàn)自身止裂；當(dāng)服役條件很茍刻時(shí)(富氣、高設(shè)計(jì)系數(shù)、低溫)則需要使用外部止裂器。

全尺寸爆破試驗(yàn)成本相當(dāng)昂貴，而且每次試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)較少，試驗(yàn)只針對(duì)特殊的管道運(yùn)行和環(huán)境條件，試驗(yàn)結(jié)果的普適性較差。為了促進(jìn)X100鋼管的工程應(yīng)用，有必要針對(duì)X100管線鋼展開(kāi)深入的動(dòng)態(tài)延性斷裂研究，并開(kāi)發(fā)出新的適用于X100管線鋼的止裂韌性預(yù)測(cè)方法。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行大量全尺寸氣體爆破試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證新的止裂預(yù)測(cè)模型的有效性和X100管線鋼止裂預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性。并形成X100管線鋼全尺寸氣體爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，確定合適的修正系數(shù)。當(dāng)服役條件很茍刻時(shí)(富氣、高設(shè)計(jì)系數(shù)、低溫)，比較可行的是使用外部止裂器，外部止裂器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、止裂能力驗(yàn)證、材料優(yōu)選等也需要進(jìn)行深入研究。

圖1 現(xiàn)有的部分全尺寸實(shí)物氣體爆破試驗(yàn)結(jié)果

近年來(lái)，歐洲、日本和國(guó)內(nèi)的一些專家在X100管線裂紋擴(kuò)展和止裂預(yù)測(cè)方面做了大量的研究工作，也分別提出了X100管線裂紋擴(kuò)展止裂的預(yù)測(cè)方法[2-4]，這些研究工作將極大地促進(jìn)X100管線鋼管的工程應(yīng)用。

3.2 高屈強(qiáng)比與穩(wěn)定塑性變形能力

TMCP工藝適合批量生產(chǎn)高強(qiáng)度管線鋼，但同時(shí)屈強(qiáng)比也會(huì)隨著強(qiáng)度的增加而變大。X100管線鋼管的屈強(qiáng)比可能超過(guò)0.97(如圖2所示)，因而穩(wěn)定塑性變形的能力將比低鋼級(jí)的鋼管小。為兼顧經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率，鋼廠必須優(yōu)化工藝，生產(chǎn)出低屈強(qiáng)比的高強(qiáng)度鋼，增強(qiáng)鋼管的塑性變形能力，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)冷彎和100％SMYS(規(guī)定最小屈服強(qiáng)度)水壓試驗(yàn)的要求。國(guó)外通過(guò)增加鋼管抗變形能力的要求，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變行為做更嚴(yán)格的要求，通過(guò)優(yōu)化X100管線鋼冶煉及軋制工藝，已經(jīng)生產(chǎn)出屈強(qiáng)比不超過(guò)0.95的X100管線鋼管[5]。此外，X100管線鋼管應(yīng)變時(shí)效會(huì)對(duì)X100管線鋼的性能產(chǎn)生一定的影響，如何在鋼管涂敷過(guò)程中對(duì)應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)進(jìn)行控制并制定出合理的涂敷工藝應(yīng)引起足夠的重視。

圖2 國(guó)產(chǎn)X100直縫鋼管屈強(qiáng)比分布圖

3.3 各向異性對(duì)鋼管變形能力的影響

X100管線鋼管的各向異性明顯，尤其是直縫埋弧焊管，橫向和縱向的屈服強(qiáng)度差在100MPa左右(見(jiàn)表4)；環(huán)向不同位置取樣的屈服強(qiáng)度也相差80～90MPa。根據(jù)國(guó)外的研究，當(dāng)管道變形量較大時(shí)各向異性對(duì)管道的應(yīng)力應(yīng)變行為及變形能力有一定的影響。

表4 X100直縫埋弧焊管縱向和橫向拉伸強(qiáng)度

3.4 缺陷容限的要求

Battelle建立的預(yù)測(cè)鋼管軸向裂紋開(kāi)裂公式(見(jiàn)公式(1))已被廣泛應(yīng)用[6-8]，此公式是在早期管線鋼的各個(gè)鋼級(jí)上通過(guò)多次爆破試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，當(dāng)時(shí)鋼級(jí)在X70以下，屈強(qiáng)比低于0.87，沖擊功均在30～120 J。

可按Folias公式計(jì)算出M，即

式中：σf—失效應(yīng)力，MPa；

σ0—流變應(yīng)力，σ0=(Rt0.5+Rm)/2，MPa；

d—缺陷深度，mm；

t—壁厚，mm；

M—鼓脹系數(shù)；

2C—缺陷長(zhǎng)度，mm；

R—鋼管半徑，mm。

為了證明Battelle預(yù)測(cè)公式的適用性，國(guó)外對(duì)X100鋼管進(jìn)行了含缺陷鋼管水壓爆破試驗(yàn)[9]，結(jié)果表明，Battelle公式能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)X100管線鋼管軸向表面缺陷的失效行為，屈強(qiáng)比較小的鋼管其預(yù)測(cè)結(jié)果更保守。表5是兩種規(guī)格含表面缺陷X100鋼管的缺陷容限試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果。

表5 兩種規(guī)格含表面缺陷X100鋼管的缺陷容限試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果

3.5 X100管線鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變行為

20世紀(jì)70年代進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明，用DWTT試驗(yàn)得出的試樣剪切面積和韌脆轉(zhuǎn)變溫度與全尺寸管線鋼管的行為之間有良好的一致性。裂紋擴(kuò)展的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可用DWTT試樣85％SA對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)表示，這個(gè)要求可以保證管線鋼管不發(fā)生脆性斷裂。

圖3是Φ1 422mm×19.1mm X100管線鋼管DWTT試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)和West Jefferson爆破試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖[10]。試驗(yàn)表明，用Battelle總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)方法仍然可以預(yù)測(cè)X100管線鋼管的韌脆斷裂轉(zhuǎn)變行為，盡管采用TMCP工藝生產(chǎn)的管線鋼存在斷口分離對(duì)斷裂面積的測(cè)量帶來(lái)了一定的困難。圖4是-20℃下DWTT試樣斷口形貌與West Jefferson試驗(yàn)鋼管斷口形貌照片。這些都表明用DWTT試驗(yàn)和Battelle總結(jié)的85％SA對(duì)應(yīng)溫度經(jīng)驗(yàn)方法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)X100鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂行為。

圖3 X100管線鋼管DWTT試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)和West Jefferson爆破試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

新的天然氣管線建設(shè)將向更大的輸送能力發(fā)展，將達(dá)到450～500億m3/a，采用更高工作壓力和更大直徑管道輸送是必然的選擇。在已有的X100管線鋼和鋼管的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，圍繞X100輸氣管道的設(shè)計(jì)方案、X100管材關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、斷裂控制、X100管道整體服役性能等多方面開(kāi)展研究，突破超高強(qiáng)度高壓輸氣管道延性動(dòng)態(tài)斷裂及止裂預(yù)測(cè)的瓶頸，結(jié)合成型工藝、焊接工藝、焊材開(kāi)發(fā)等研究，形成X100管制造技術(shù)，將最終實(shí)現(xiàn)在高性能X100管線鋼管應(yīng)用方面的突破。

[1]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范[S].

[2]MAKINO H，TAKEUCHI I，HIGUCHI R.Fracture arrestability of high pressure gas transmission pipelines by high strength linepipes[C]∥Pipeline Technology Conference，Ostend：[s.n.]，2009：35-37.

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Development and Technical Requirements of Grade X100 Line Pipe

MA Qiurong1,2,ZHANG Duihong3,GUO Zhimei3
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.State Key Laboratory of Service Behavior and Structural Safety of Tubular Goods and Equipment,Xi’an 710077,China;3.CNPC Pipeline Construction Project Management Department,Beijing 100101,China)

In combination of research results on X100 line pipe,it discussed common interested problems such as fracture control，higher yield ratio，anisotropy,defect tolerance，ductile to brittle transition，etc.The researched results showed that the ductile-brittle transition temperature and the fracture behavior of X100 steel pipe can be accurately predicted through corresponding temperature of 85％SAof DWTT test;and only full-scale burst test is a reliable method to predict fracture behavior of X100 pipeline.Therefore,at present the additional technical requirements shall be made according to the actual engineering situation，to determine the various technical indicators based on API SPEC 5L standard，such as the yield ratio,arrest toughness,DWTT and so on,to ensure the service safety of X100 line pipe.

welded pip;X100；yield strength;tensile strength;impact toughness;arrest toughness

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.002

馬秋榮(1966—)，男，碩士，教授級(jí)高工，主要從事石油管材料的研究工作。

2016-09-14

李紅麗