許光達 武剛 陳翠翠 李超 張杰 周會萍

1中石油管道有限責任公司西部分公司

2中國石油集團石油管工程技術研究院

3石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室

管道輸送是石油、天然氣最主要的輸送方式，管線鋼作為不可或缺的載體，正朝著降低成本、增加服役時間和提高運輸效率的方向發(fā)展[1]。大量研究表明[2-3]，提高管線鋼等級是提高油氣輸送效率、降低建設成本的最好方式，當直徑和輸送壓力一定時，每提升一個鋼級，理論上可以減少用鋼量達8%～12%；而在鋼級確定的情況下，增加管道直徑和輸送壓力則是提高管線輸送效率和建設成本的另一個重要途徑。

由于管線鋼是運輸過程中的一個重要載體，因此對于它在使用過程中的性能要求很高，如焊接性能好、強度高、韌脆轉變溫度低、耐沖擊韌性好等，有時還要求管線鋼具有抗硫化物應力腐蝕開裂能力以及良好的抗氫致開裂性能。通常來講，管線鋼的組織演變過程也就是它的發(fā)展演化過程，可以根據不同的顯微組織將管線鋼分為以下四類：針狀鐵素體（AF）管線鋼、鐵素體-珠光體（F-P）管線鋼、回火素氏體（S）管線鋼和貝氏體-馬氏體（B-M）管線鋼[4]。管線鋼在發(fā)展的初期其強度水平比較低，基本在X70 以下，微觀組織結構為鐵素體-珠光體；在管線鋼發(fā)展中期，強度級別有所提高，最高可達到X100，其微觀組織形態(tài)主要為針狀鐵素體。近年來，管線鋼的發(fā)展又達到一個高的強度級別，其微觀組織形態(tài)主要為貝氏體-馬氏體，強度級別最高可達到X120，有望進一步提高管線鋼的輸送能力。

1 管道服役過程中的機械損傷

1.1 管道增壓引起的機械損傷

在管道運輸過程中，管道增壓容易引起管線的微觀組織損傷，導致不同程度的安全事故。但是，它卻不能用一般的“安全設計方法”來論證，其中最重要的一個原因是大多數安全事故發(fā)生時，材料的斷裂應力總是比屈服應力低，有時比設計許用應力還低，這就需要從根本上探討管線鋼在服役過程中的微應變對管線鋼性能的影響。

在天然氣與石油的運輸過程中，由于實際需求，需要對輸送管道進行增壓處理[5]。一般來講，輸送氣管道內部壓力的最小和最大比值約為0.7，輸送油管道內部壓力的最小與最大比值約為0.45，而且不允許內壓有較大的波動，否則將會在輸送管道的局部產生應變，發(fā)生一定的機械損傷，從而導致疲勞失效，這往往是導致管道過早發(fā)生安全問題的主要因素。

1.2 其他因素引發(fā)的機械損傷

針對管道的失效現(xiàn)象，國內外研究者對失效原因進行了系統(tǒng)的調查統(tǒng)計。據狄彥等[6]統(tǒng)計，由于第三方施工操作不當及人為打孔偷油引發(fā)的管道事故最多，其次是自然地質災害和腐蝕，很少一部分原因是由于設備及材料的不足而導致。文斌等[7]對四川省天然氣管道事故原因進行了研究和統(tǒng)計，其中受外界影響占到15.8%，材料缺陷占10.9%，腐蝕占39.5%，施工缺陷占22.7%，地表移動占5.6%，其他占5.5%。鄭賢斌等[8]研究了影響老齡管道安全的5 大因素，分別為自然腐蝕、施工破壞、誤操作、安全裕量過大及自然地質災害。油氣管道風險因素分為內部因素和外部因素：內部因素包括設計、施工、操作失誤、材料缺陷，以及隨時間推移管道發(fā)生腐蝕、應力變化等；外部因素主要包括三個方面，首先是第三方施工不當，其次是服役過程中的人為因素（打孔、占壓及盜油等），第三是自然災害因素（地震、山洪、水災等）。

2 管體應變及對性能的影響

2.1 基于管道應變理論的硏究

根據以往X60、X65 和X80 管線鋼的拉伸性能試驗與研究報告（如FUKUDA 等[9]研究人員的相關試驗報告）可知，管線鋼進行預應變（塑性應變）試驗后，鋼材試驗件會產生包申格效應并出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，此效應和現(xiàn)象往往導致管線鋼在壓縮型應變后屈服強度降低，或在拉伸型應變后屈服強度增加，屈服強度的變化范圍往往由鋼材的屈服比決定。同時，該試驗結果也表明應變時效和預應變程度對X80 管線鋼性能產生了至關重要的影響，其中應變時效對管線鋼性能產生的影響起主導作用。并且管線鋼的抗沖擊性和延伸率會隨著強度的增大而減小，屈服強度比抗拉強度的增量更高。

薛小懷等[10]對X80 級螺旋縫埋弧焊接管線鋼拉伸性能做了研究，結果表明，小于1%預應變量對鋼材的屈服強度沒有太大影響，當預應變量逐漸增大時，它對材料的屈服強度有較大的影響，對抗拉強度影響較小。這會引起鋼材的屈強比變大，對于管線鋼的使用有著不利的影響。前人在管道預應變后組織和性能分析方面做了較為充分的研究，但是依然缺少能夠應用于實際工程中機械損傷形成的微應變數據。為此，需要深入系統(tǒng)地研究預應變后管線鋼的整體性能變化。

2.2 預應變對管線鋼組織結構及力學性能的影響

2.2.1 對顯微組織和結構的影響

王林鋒等[11]對管線鋼UOE 的成型方法做了研究，結果表明，管線鋼的組織為多元復合組織，在塑性應變中，這種組織對位錯運動的增值以及裂紋的形成和擴展都會產生影響。黃少波等[12]以預應變?yōu)樽兞?，探討了X90 管線鋼的顯微組織（圖1）和力學性能。試驗結果發(fā)現(xiàn)，X90 管線鋼是一種超細晶粒鋼，在初始奧氏體周邊存在著很多形狀為多邊形的鐵素體。將X90 管線鋼預拉伸之后，可以明顯觀察到超細晶粒逐漸出現(xiàn)粗化，一部分晶粒破碎，大量位錯塞積，使位錯密度變大，位錯之間纏繞并聚集，有的地方可以看到亞晶界的生成。齊麗華等[13]針對X100 管線鋼的動態(tài)塑性應變行為進行研究（圖2）。試驗結果顯示，管線鋼由于拉伸應力的存在使得針狀鐵素體組織最先產生形變，當應力逐漸增大時，針狀鐵素體的應變量也會相應增大，從而引發(fā)粒狀貝氏體產生形變，其中微裂紋成核的核心是氧化夾雜物，并且它會隨著拉伸應力的增大而不斷擴展、連接，從而使得裂紋橫亙貫穿基體，甚至失效。

圖1 X90 管線鋼預應變前后的組織形貌Fig.1 Microstructure of X90 pipeline steel before and after pre-strain

圖2 X100 管線鋼的微裂紋形成與擴展過程Fig.2 Formation and development of microcracks in X100 pipeline steel

2.2.2 對抗拉強度的影響

CHEN 等[14]主要探究了X60 管線鋼的拉伸性能和預應變之間的關系（圖3），結果表明，當預應變存在時，管線鋼的應變、均勻應變、塑性應變、屈服強度和抗拉強度都會有所減小，當預應力增加時，管線鋼的斷裂強度將會增大，而斷裂延性和加工硬化指數將會減小。蔡星周等[15]將高Nb 管線鋼和X80 管線鋼預拉伸之后，模擬了其在大直徑成形過程中的塑性應變過程，結果表明，兩種管線鋼的屈服強度均有所增加。出現(xiàn)這種情況的原因主要是材料在塑性應變過程中會產生加工硬化現(xiàn)象，導致位錯密度增加。而材料在應變過程中，主要影響抗應變的是微觀組織均勻程度以及初始屈強比。余建星等[16]對X60 管線鋼做了研究，指出在有無預應變的情況下，其拉伸斷口均為明顯的韌窩形貌，所以，X60 管線鋼拉伸產生的斷裂是在微孔的形成和聚合機制下進行的，可以觀察到顯微塑性應變，在很多韌窩底部也能觀察到微孔。

一般經過預應變后試樣的抗拉強度和屈服強度均變大，屈強比增大，延伸率減小，這是形變強化顯著的特點。因為隨著預應變試驗的變形量增大，位錯脫釘的數量與程度也隨之增加，從而導致試驗件內的殘余應力增加，形變強化現(xiàn)象更加明顯，最終使得材料的屈服強度得到提高[17]。

2.2.3 對硬度的影響

材料抵抗外部的壓入與破壞、塑性或彈性變形的性能稱為硬度。管線鋼在進行預拉伸時會產生加工硬化、組織位錯增加，且伴隨塞積導致材料的硬度增強，特別是材料邊緣區(qū)的硬度明顯變大。這是因為材料預拉伸過程中，邊緣的金屬會慢慢向中心聚集，這使得外部金屬比內部金屬活躍，外部邊緣區(qū)應變量比中部受力程度大，所以，中部硬度比邊緣區(qū)增量少很多[18]。當組織出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象或者位錯塞積時，管線鋼的均勻應變率會減小。通常來講，管線鋼的強韌性會隨著硬度的增大而減小。另外，在高原寒冷地區(qū)使用管線鋼時，硬度不能過高，否則會使金屬材料產生脆性斷裂，所以管線鋼的硬度和服役時的應變量就需要降低，這有利于管線鋼的油氣輸送[19-20]。

圖3 管線鋼塑性、強度與預應變量之間的關系Fig.3 Relationship among plasticity，strength and pre-deformation of pipeline steel

2.2.4 對抗沖擊性能的影響

國有糧食企業(yè)內部控制還存在著一些問題：內部環(huán)境不完善，缺乏完善的公司治理機制與制衡機制；各級領導識別、應對風險的意識淡薄，企業(yè)抗風險能力比較差；國有糧食企業(yè)的控制活動缺乏系統(tǒng)性和科學性，導致既定的內部控制制度失控；企業(yè)內部信息溝通效率差，影響信息的高效溝通與反饋；由于企業(yè)人才缺乏，不滿足內審人員的素質要求，導致內部監(jiān)督薄弱[53]。

孫勝英[21]在研究不同溫度下DWTT 試件斷口形貌的特征時，以X80 管線鋼為試件，并對其異常斷口的原因加以分析。結果顯示，在剪切面積為85%時的溫度區(qū)間處常出現(xiàn)異常斷口，錘擊側面厚度方向應變增大，且端口有分層現(xiàn)象（圖4）。黃少波等[12]通過預拉伸和沖擊試驗等分析了預拉伸應變對X90 管線鋼組織和性能的影響。試驗顯示，當預拉伸應變增大時，組織晶粒變大，導致位錯塞積，使管線鋼的屈強比增加，隨之沖擊吸收功、延伸率減小，通過對組織形貌分析可以觀察到斷口組織的韌窩也隨之變小，并觀察到組織析出第二相粒子的現(xiàn)象。

圖4 C-B 鋼錘擊側表面隨時間變化的典型照片F(xiàn)ig.4 Typical pictures of C-B steel lateral surface after hammering change over time

許曉峰等[22]采用劃分圓形網格和高速攝影的方法，研究了塑性應變對DWTT 中使用各種不同微觀結構鋼時發(fā)生異常斷裂的影響，分析其應變規(guī)律。如圖5 所示，可以觀察到真應變、塑性應變當量和時間的變化關系，從而可以得出，應變大致可分為彎曲拉伸區(qū)、彎曲壓縮區(qū)和落錘沖擊區(qū)這三個區(qū)域。落錘沖擊所引起的塑性應變偏低，而彎曲應變產生的塑性應變高，這是因為當彎曲應變高于臨界等效塑性應變時，材料產生異常斷裂時彎曲應變產生的塑性是主要因素。

2.2.5 對疲勞壽命的影響

預拉伸應變對材料的微觀結構及力學性能會產生一定影響，會使材料疲勞損傷程度變大，疲勞壽命縮短。陳美寶等[23]總結提出了預應變和X60 管線鋼的疲勞裂紋擴展速率之間的關系公式，即

從上述公式可以看出，預拉伸變形提高了裂紋擴展速率，降低了疲勞裂紋擴展門檻值，從而使管線的疲勞抗力降低，嚴重影響到其疲勞壽命。

TRIBE 等[24]分析了機械損傷和管道疲勞壽命之間的影響關系，認為金屬試樣在受拉伸過程中會產生頸縮，在塑性應變—斷裂時，頸縮處因為包含夾雜物以及第二相質點與基體材料存在彈性和塑性的差別，從而導致顯微空洞產生。最開始空洞小且獨立存在，當塑性應變變大時，空洞也會隨之變大、聚集和相互連通，從而使材料發(fā)生斷裂，在顯微觀察中發(fā)現(xiàn)，材料表面存在許多微坑。

圖5 C-B 鋼真應變隨時間的變化曲線Fig.5 Rrue strain curves of C-B change over time

2.2.6 對X 系列管線鋼斷裂韌性的影響

對于不同系列管線鋼的斷裂韌性與預應變的關系目前有很多研究。RICE 等[25]針對HY100 鋼初始裂紋尖端張開位移，深入研究了拉伸和壓縮預應變對其產生的影響。El-FADALY 等[26]分析了拉伸、壓縮預應變對卻貝V 型切口沖擊能量的影響作用，還分析了壓縮預應變和阻力曲線之間的具體關系。MIYATA 等[27]則主要研究拉伸預應變對J-R和Ji曲線產生的影響。HUTCHINSON 等[28]以X65、X60 和X42 管線鋼為試驗對象，分析并總結了拉伸、壓縮不同預應變對材料卻貝V 型切口沖擊能量、裂紋尖端張開位移和疲勞裂紋擴展的作用。試驗結果表明，當材料拉伸和壓縮預應變的絕對值增加時，臨界裂紋尖端張開位移（CTOD）會減小，這主要取決于基體材料的韌-脆轉變溫度。

夏琳燕等[29]以Al-3.7Cu-1.6Mg 合金板材為研究對象，先進行固溶-淬火處理，再進行不同應變量的預拉伸處理，最后放置在自然環(huán)境中，通過檢測合金的顯微組織、室溫拉伸性能、斷裂韌性及硬度來觀察預應變對合金斷口形貌影響，并分析斷裂機理（圖6）。試驗結果表明，預應變量增大可使合金的斷裂韌性減小。

圖6 不同預應變量的Al-3.7Cu-1.6Mg 合金斷裂韌性測試的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of Al-3.7Cu-1.6Mg alloy fracture toughness test in different pre-deformation

3 結束語

油氣輸送管線在社會發(fā)展中起著重要的作用，由于在輸送過程中，管線內部存在波動壓力而產生機械損傷和預應變，這會使輸送管線局部塑性應變增大，產生加工硬化現(xiàn)象，還會使其屈強比增大，從而造成輸送管線疲勞壽命降低，甚至產生失效和泄漏。

針對預應變引發(fā)的管線鋼組織及性能變化的研究表明，預應變可以誘發(fā)位錯增值而產生加工硬化現(xiàn)象，從而形成強化過程。特別是針狀鐵素體管線鋼，由于此種組織中存在位錯過多，同時還存在細小的晶粒析出相，在應變過程中組織和微結構特別是位錯組態(tài)變化和缺陷的分布對管線鋼宏觀力學性能具有顯著的影響。

綜上所述，采用模擬的方法來研究預應變條件下服役環(huán)境中的管線鋼，可以有效得出材料由于機械損傷所產生的預應變，以及預應變對微觀結構所帶來的力學響應，從而可以更好地將管線鋼的預應變控制在合理的范圍內，在復雜的地質環(huán)境下，使管線鋼的安全性能得到極大的提高，這對于西氣東輸工程和我國經濟發(fā)展具有重要且深遠的意義。