HFW 高頻焊接管線管屈強(qiáng)比的控制與探討

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610 mm、壁厚不超過20 mm、X70 鋼級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，常常會對管線管的縱向屈強(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)行在不同安全級別陸地及海洋等油氣領(lǐng)域，對管道運(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，目前我國已具備批量制造X70 鋼級HFW 高頻焊接管線管和X100 鋼級埋弧焊管的能力。在管線使用過程中，受施工現(xiàn)場對接焊等技術(shù)的制約，對材料碳當(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)理的管線鋼來講，屈服強(qiáng)度提高的同時，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)對較高屈強(qiáng)比的管線鋼的抗變形行為進(jìn)行了評估分析。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)為相對于碳鋼，管線鋼屈強(qiáng)比會有升高。但由于管線鋼在強(qiáng)化過程中產(chǎn)生了較大的預(yù)應(yīng)變，屈強(qiáng)比的升高并沒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)變試驗(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的真實(shí)抗拉強(qiáng)度。文獻(xiàn)［7，10-11］對比分析了管線鋼（X46、X60、X65、X80 鋼級）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 鋼級到X80 鋼級，盡管變形行為會有差異，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)比的增加不會像一般碳鋼或低合金鋼那樣對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，試樣在加工過程會產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)。為使檢測的拉伸強(qiáng)度更接近焊管的真實(shí)狀態(tài)，對同批次的X70 鋼級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］?？梢姡瑢τ贖FW 管線管來說，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，對所用管線管的縱向性能也會提出要求。在API Spec 5L—2018 中，對有縱向應(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程的影響，HFW 高頻焊接管線管的縱向性能與橫向性能會存在差異。筆者統(tǒng)計(jì)分析了X65M 鋼級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)比上限相對橫向屈強(qiáng)比上限會提高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

（1） 隨著管線鋼強(qiáng)度的增加，會帶來屈強(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，鋼級的提高會帶來屈強(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。