胡松林，屈獻(xiàn)永，張曙華

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

HFW 高頻焊接管線管已愈來(lái)愈廣地應(yīng)用于陸地及海洋等管道輸送領(lǐng)域［1-6］。在直徑不超過(guò)610 mm、壁厚不超過(guò)20 mm、X70 鋼級(jí)以下的中直徑輸送管管道項(xiàng)目中較普遍使用到HFW 高頻焊管；而壁厚超過(guò)20 mm 的管道項(xiàng)目，受材料及制造技術(shù)局限，多采用埋弧焊管（SAW）。

在輸送管道中，由于使用工況環(huán)境的差異性，各個(gè)工程管道所用鋼管的技術(shù)要求各有不同。通常是以API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》和DNVGL-STF101《海底管道系統(tǒng)》等為基礎(chǔ)，并附加額外的技術(shù)要求。就焊管的屈強(qiáng)比而言，API Spec 5L—2018（46 版）和DNVGL-ST-F101—2017 限定HFW 高頻焊接管線管的管體橫向拉伸的屈強(qiáng)比（橫向屈強(qiáng)比）在0.93 以下，而縱向拉伸的屈強(qiáng)比（縱向屈強(qiáng)比）由協(xié)商確定。在實(shí)際管道應(yīng)用中，常常會(huì)對(duì)管線管的縱向屈強(qiáng)比和橫向屈強(qiáng)比提出同樣要求，還有將屈強(qiáng)比進(jìn)一步加嚴(yán)的要求。了解管線鋼的強(qiáng)化機(jī)理，探討HFW 高頻焊接管線管管體的縱向屈強(qiáng)比和橫向屈強(qiáng)比的控制，有利于產(chǎn)品的技術(shù)性應(yīng)用。

1 管線鋼材料的屈強(qiáng)比與強(qiáng)化技術(shù)

輸送管道均為承壓管道，運(yùn)行在不同安全級(jí)別陸地及海洋等油氣領(lǐng)域，對(duì)管道運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性都有較高的要求。通常認(rèn)為，材料屈強(qiáng)比表征材料從產(chǎn)生塑性變形到最終斷裂的形變能力，值愈小變形能力越大，抗斷裂破壞的能力就較強(qiáng)。目前，隨著管線鋼強(qiáng)度的逐步提高，已不像碳鋼和低合金鋼那樣，隨屈強(qiáng)比的升高，抗變形能力會(huì)大幅下降。因此，有必要了解當(dāng)代管線管的強(qiáng)化技術(shù)和變形行為對(duì)安全性的影響。

隨著管線鋼及焊管技術(shù)的發(fā)展，目前我國(guó)已具備批量制造X70 鋼級(jí)HFW 高頻焊接管線管和X100 鋼級(jí)埋弧焊管的能力。在管線使用過(guò)程中，受施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊等技術(shù)的制約，對(duì)材料碳當(dāng)量均有一定的上限限制。因而，當(dāng)代管線鋼強(qiáng)度的提高，不同于碳鋼及低合金鋼的固溶強(qiáng)化技術(shù)，而多采取降C、增Mn、微合金化、控軋控冷等技術(shù)，綜合運(yùn)用了固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和織構(gòu)強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)理，使管線鋼材料獲得較高的強(qiáng)度和韌性。對(duì)當(dāng)今應(yīng)用較為普遍的細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)理的管線鋼來(lái)講，屈服強(qiáng)度提高的同時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高的幅度小于屈服強(qiáng)度提高的幅度，呈現(xiàn)出屈強(qiáng)比隨著強(qiáng)度的提高而增加的特征［7-8］。

已有文獻(xiàn)對(duì)較高屈強(qiáng)比的管線鋼的抗變形行為進(jìn)行了評(píng)估分析。文獻(xiàn)［7，9］研究了Q235 碳鋼及管線鋼（X46、X60、X65、X80）的應(yīng)力-應(yīng)變行為，認(rèn)為相對(duì)于碳鋼，管線鋼屈強(qiáng)比會(huì)有升高。但由于管線鋼在強(qiáng)化過(guò)程中產(chǎn)生了較大的預(yù)應(yīng)變，屈強(qiáng)比的升高并沒(méi)有大幅降低材料硬化指數(shù)n 及靜力韌度值，管線鋼仍具有較大的變形抗力和較高的變形容量，這不同于碳鋼和低合金鋼的變形規(guī)律。

在一般的工程應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)中，抗拉強(qiáng)度是用最大拉伸載荷除以試樣的原始截面積，不能反映材料拉伸時(shí)的真實(shí)抗拉強(qiáng)度。文獻(xiàn)［7，10-11］對(duì)比分析了管線鋼（X46、X60、X65、X80 鋼級(jí)）的工程屈服應(yīng)力σs、工程抗拉應(yīng)力σb與真實(shí)屈服應(yīng)力Ss、真實(shí)抗拉應(yīng)力Sb。結(jié)果顯示：管線鋼的工程應(yīng)力屈強(qiáng)比（σs/σb）較真實(shí)應(yīng)力屈強(qiáng)比（Ss/Sb）高13% 以上；而且，隨著管線鋼屈強(qiáng)比的增大，硬化指數(shù)n 不像碳鋼與低合金鋼那樣快速下降。用工程應(yīng)力屈強(qiáng)比（σs/σb）來(lái)單方面衡量材料變形裕度顯然值得商榷。管線鋼從X42、X65 鋼級(jí)到X80 鋼級(jí)，盡管變形行為會(huì)有差異，但強(qiáng)化機(jī)理相近，較為普遍的是輸送用管線管的抗變形能力與材料均勻延伸率、硬化指數(shù)n、屈強(qiáng)比、拉伸曲線類(lèi)型和鋼管規(guī)格等均有關(guān)［12-13］。管線管單一屈強(qiáng)比的增加不會(huì)像一般碳鋼或低合金鋼那樣對(duì)其抗變形能力有顯著影響。

2 HFW 高頻焊接管線管的屈強(qiáng)比

筆者跟蹤了不同鋼級(jí)HFW 高頻焊接管線管的屈強(qiáng)比（σs/σb）情況，具體如圖1 所示。相對(duì)一般碳鋼，HFW 高頻焊接管線管的屈強(qiáng)比明顯提高；隨管線管強(qiáng)度的提高，管體橫向屈強(qiáng)比也略有升高。

圖1 不同鋼級(jí)HFW 高頻焊接管線管的屈強(qiáng)比分布

2.1 不同拉伸試驗(yàn)方法下的試驗(yàn)結(jié)果

通常HFW 焊接管線管的管體橫向拉伸試驗(yàn)是采用板狀試樣，經(jīng)壓平加工后進(jìn)行拉伸的，試樣在加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)。為使檢測(cè)的拉伸強(qiáng)度更接近焊管的真實(shí)狀態(tài)，對(duì)同批次的X70 鋼級(jí)HFW 高頻焊接管線管分別進(jìn)行了板狀拉伸（FB）和脹環(huán)拉伸（RE）試驗(yàn)，試驗(yàn)按照ASTM A 370—2014《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，得到的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出：板狀拉伸試樣和脹環(huán)拉伸試樣的屈服強(qiáng)度平均值和屈強(qiáng)比平均值都較接近，結(jié)果比較吻合；但板樣拉伸試樣的數(shù)據(jù)相對(duì)離散程度較大，屈服強(qiáng)度Rt0.5變化范圍在121 MPa，而脹環(huán)拉伸試樣的屈服強(qiáng)度Rt0.5變化范圍在91 MPa，這與板狀拉伸試樣的再加工硬化效應(yīng)有關(guān)［14］。可見(jiàn)，對(duì)于HFW 管線管來(lái)說(shuō)，與采用板狀拉伸試樣相比，采用脹環(huán)拉伸試樣的試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定。

2.2 不同管體拉伸方向的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于海洋及有縱向應(yīng)變要求的管道，在保證管道承壓安全同時(shí)，對(duì)所用管線管的縱向性能也會(huì)提出要求。在API Spec 5L—2018 中，對(duì)有縱向應(yīng)變要求的管線管，要求其縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓弧形，拉伸性能協(xié)商確定。

圖2 不同拉伸試驗(yàn)下HFW 高頻焊接管線管的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比

受材料各向異性及制管變形過(guò)程的影響，HFW 高頻焊接管線管的縱向性能與橫向性能會(huì)存在差異。筆者統(tǒng)計(jì)分析了X65M 鋼級(jí)Φ273～457.1 mm 規(guī)格HFW 管線管的縱向屈強(qiáng)比和橫向屈強(qiáng)比，具體如圖3 所示。從圖3 可以看出：該牌號(hào)HFW高頻焊接管線管的縱向拉伸屈強(qiáng)比明顯高于橫向拉伸屈強(qiáng)比。這與材料的各向異性及試樣加工硬化等因素有關(guān)。在協(xié)商確定中，通常會(huì)適當(dāng)提高HFW高頻焊接管線管的縱向拉伸屈強(qiáng)比上限。

圖3 不同規(guī)格HFW 高頻焊接管線管的縱向屈強(qiáng)比和橫向屈強(qiáng)比

由于制管過(guò)程彎曲變形及試樣壓平加工的影響，隨HFW 高頻焊接管線管厚徑比的增加，管體縱向屈強(qiáng)比的增加相對(duì)橫向更為明顯，具體如圖4所示。在海洋用HFW 管線管中，因多為厚壁管，所以其縱向屈強(qiáng)比會(huì)有明顯的提高［15］。在同一管線中，管體縱向屈強(qiáng)比上限相對(duì)橫向屈強(qiáng)比上限會(huì)提高2%～4%。

圖4 HFW 管線管縱橫向拉伸厚徑比與管體屈服比的關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

（1） 隨著管線鋼強(qiáng)度的增加，會(huì)帶來(lái)屈強(qiáng)比的升高，但并不像碳鋼或低合金鋼那樣大幅降低變形容量。

（2） HFW 高頻焊接管線管具有與管線鋼同樣的特性，鋼級(jí)的提高會(huì)帶來(lái)屈強(qiáng)比的升高。

（3） HFW 高頻焊接管線管的縱向屈強(qiáng)比高于橫向的，其差值隨管線管厚徑比的增加而增大。