L485高應(yīng)變海洋管線管開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展*

吉玲康，孫國(guó)民，賈書(shū)君，張 帥，章傳國(guó)，李為衛(wèi)，陳宏遠(yuǎn)

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，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 陜西 西安 710077；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300457； 3.鋼鐵研究總院 北京 100081；4.鞍鋼股份有限公司 遼寧 鞍山 114009； 5.寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

0 引 言

深水油氣，特別是中國(guó)南海豐富的油氣資源是我國(guó)未來(lái)能源開(kāi)發(fā)的新天地和主戰(zhàn)場(chǎng)。海底管道是連接海上油氣輸送的通道，是海上油氣田的重要組成部分和生命線。海底管道一旦遭到破壞，不僅影響正常油氣輸送和生產(chǎn)，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的是還會(huì)污染海洋環(huán)境，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境災(zāi)難[1-5]。據(jù)美國(guó)管道和危險(xiǎn)物質(zhì)安全管理部(PHMSA)統(tǒng)計(jì)，1988-2008年間，美國(guó)海底管道共發(fā)生了334起失效事故,財(cái)產(chǎn)損失4.51億美元，其中外力作用(包括第三方活動(dòng))和腐蝕是主要原因。從我國(guó)1973年首條海底輸油管道在山東黃島成功鋪設(shè)開(kāi)始至今50年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)獲知, 海底管道在鋪設(shè)和運(yùn)行中同樣有可能因受到外力作用而受損。據(jù)上述不完全統(tǒng)計(jì), 1995-2012年期間, 國(guó)內(nèi)發(fā)生有記錄的海底管道事故約35起，原因主要有：在鋪設(shè)過(guò)程中由于海流的影響造成管道的變形或斷裂；在運(yùn)行過(guò)程中由于受到外力的沖擊(如受到漁船拋錨撞擊或漁網(wǎng)拖拉等) 造成管道變形或破裂；在運(yùn)行過(guò)程中, 海底管道因海流沖刷而產(chǎn)生懸跨, 繼而因渦激振動(dòng)而疲勞斷裂；另外，海底管道也會(huì)因傳輸介質(zhì)的腐蝕作用而產(chǎn)生穿孔斷裂[1-2]。

可見(jiàn)，深水管道不僅在鋪設(shè)過(guò)程中承受較大應(yīng)變；而且在服役過(guò)程中由于高溫高壓作用、涌浪、強(qiáng)底流等海洋環(huán)境多變性、海床土壤不確定性等因素，管道也將承受較大的荷載。這些苛刻的工況條件會(huì)使海底管道產(chǎn)生較大的塑性變形，甚至斷裂。與陸上管道不同，海底惡劣服役環(huán)境對(duì)管線管提出了更嚴(yán)格的要求。因而采用基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提高海洋管線管的應(yīng)變能力，是保證海底管道安全的重要措施。對(duì)深海用管線鋼管來(lái)說(shuō)，首先需要更大厚徑比(t/D)及壁厚的鋼管以提高鋼管的抗屈曲性能和抗壓潰性能；其次還要求其縱向具有較高的應(yīng)變能力；另外海洋管線管還需要優(yōu)良的抗疲勞性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等。

在深海海底管道的設(shè)計(jì)方法方面，目前國(guó)內(nèi)外海洋管道設(shè)計(jì)一般采用的設(shè)計(jì)方法主要有荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法、允許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法等，而對(duì)于材料應(yīng)變能力涉及甚少，對(duì)于依據(jù)應(yīng)變控制開(kāi)展海洋管道設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目及設(shè)計(jì)內(nèi)容亦非常少。但隨著深水海底油氣資源的開(kāi)發(fā)，特殊工況下的海洋管道設(shè)計(jì)相比較淺水有極大的不同，對(duì)管線管應(yīng)變能力提出了更高的要求。海洋管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在國(guó)內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一、系統(tǒng)的應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范。

在管線鋼管方面，國(guó)外發(fā)布了多個(gè)海底管道設(shè)計(jì)、材料、建造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和檢查等的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，其中海洋管線適用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一般為DNVGL-ST-F101[6]和API Spec 5L(附錄J)[7]，是國(guó)內(nèi)外海底管道工程普遍采用的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。其中DNVGL-ST-F101對(duì)塑性變形管(P)提出了簡(jiǎn)單的補(bǔ)充要求，而API SPEC 5L在附錄N中對(duì)具有縱向塑性應(yīng)變能力要求鋼管的訂購(gòu)提出了需要協(xié)商的性能指標(biāo)，并未對(duì)具有高應(yīng)變能力鋼管的性能進(jìn)行具體規(guī)定。國(guó)外海底管道工程中非酸性環(huán)境下應(yīng)用的最高鋼級(jí)為X70，酸性環(huán)境下應(yīng)用的最高鋼級(jí)為X65；鋼管壁厚最大為41.0 mm，D/t最小為15.8。我國(guó)海洋管道經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展總里程已經(jīng)超過(guò)9 000 km，最大水深1 542 m[8]，普遍采用X65及以下鋼管，X70較少，外徑最大765 mm，壁厚最大為31.8 mm，D/t最小為20.0[1, 9-11]。目前，國(guó)外建設(shè)的X70管道在水深、壁厚、厚徑比等方面都有很大提高，但是普遍還未開(kāi)發(fā)專用的高應(yīng)變X70管材(如著名的北溪海底管道)；高應(yīng)變鋼管大規(guī)模應(yīng)用僅限于陸上管線，如我國(guó)X70HD/X80HD 大應(yīng)變管線鋼和鋼管在中緬管線和西氣東輸管道工程中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用[12]，從根本上解決了地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區(qū)、沉陷帶等復(fù)雜工況管道建設(shè)和安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)難題。

為此，由中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司聯(lián)合海洋石油工程股份有限公司、鋼鐵研究總院、鞍鋼股份有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司、寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、安泰科技股份有限公司、天津大學(xué)等國(guó)內(nèi)管線鋼/管科研、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用、評(píng)價(jià)等方面的10家優(yōu)勢(shì)單位，聯(lián)合承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高應(yīng)變海洋管線管研制”的研究工作。

該項(xiàng)目從海洋管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)技術(shù)研究入手，研究確定了海洋管線管鋪設(shè)、服役中的應(yīng)變需求，制定了高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)兼具高強(qiáng)、韌、塑綜合性能管線鋼/管相關(guān)科學(xué)問(wèn)題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，從UOE和JCOE兩條不同技術(shù)路線突破了高應(yīng)變海洋管線管制造技術(shù)難題；同時(shí)研究解決了高應(yīng)變海洋管線管配套環(huán)焊材料和工藝應(yīng)用技術(shù)；通過(guò)對(duì)關(guān)鍵服役性能全面評(píng)估闡明了其質(zhì)量水平和應(yīng)用可行性。項(xiàng)目通過(guò)科學(xué)問(wèn)題研究及關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)，形成高應(yīng)變海洋管線管全產(chǎn)業(yè)鏈“設(shè)計(jì)-制造-連接-檢測(cè)-評(píng)價(jià)”技術(shù)。

1 海底管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究

1.1 基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法在典型大應(yīng)變工況海底管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

對(duì)現(xiàn)行海底管道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較，研究了海底管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)開(kāi)展了管道側(cè)向屈曲試驗(yàn)研究，對(duì)物理模型和仿真模型進(jìn)行對(duì)比，確保了管道屈曲分析的準(zhǔn)確。系統(tǒng)研究提出了“基于應(yīng)變的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法”“管材的技術(shù)要求”“軸向壓縮應(yīng)變條件下基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)”“軸向拉伸應(yīng)變條件下的基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)”“周期荷載下基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)”“工程臨界評(píng)估”等設(shè)計(jì)方法，確立了國(guó)內(nèi)首個(gè)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的海底管道企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海洋管線基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)指南》[13]，包括確立了基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)流程及失效評(píng)估流程，如圖1、圖2所示。主要包括三個(gè)方面：1)在不同工況下，管道設(shè)計(jì)應(yīng)變的確定；2)在相應(yīng)工況下，管道臨界應(yīng)變能力的確定；3)考慮一定安全因子后確定管道的容許應(yīng)變。

圖1 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程

圖2 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管道評(píng)估流程

運(yùn)用該基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法，基于L485鋼級(jí)管徑559mm,壁厚31.8mm鋼管，結(jié)合我國(guó)海域類似工程項(xiàng)目參數(shù)(環(huán)境參數(shù)、工藝參數(shù)等)，針對(duì)海洋管道實(shí)際工程中涉及到的典型大應(yīng)變工況進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，主要包括：鋪管工況下海洋管道設(shè)計(jì)研究；海管側(cè)向屈曲工況下海洋管道設(shè)計(jì)研究；海床大位移工況下海洋管道設(shè)計(jì)研究；深水鋼懸鏈立管生存工況下管道設(shè)計(jì)研究；管道局部構(gòu)件設(shè)計(jì)研究等，形成完整設(shè)計(jì)成果文件。

1.2 高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)指標(biāo)體系及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究

確定了厚壁高應(yīng)變海洋管線管均勻延伸率[14]、加工硬化指數(shù)的計(jì)算方法。獲得了不同壓力條件下鋼管的屈曲應(yīng)變?nèi)萘恳约皫缀螀?shù)對(duì)屈曲應(yīng)變?nèi)萘康挠绊懸?guī)律。明確了管材的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比與臨界屈曲應(yīng)變呈負(fù)線性相關(guān)性，均勻延伸率、加工硬化指數(shù)均與臨界屈曲應(yīng)變呈正線性相關(guān)性，如圖3所示。

圖3 海洋管線管關(guān)鍵力學(xué)性能指數(shù)與臨界屈曲應(yīng)變?nèi)萘康南嚓P(guān)性

基于高應(yīng)變海洋管線管試制產(chǎn)品的性能分布規(guī)律，結(jié)合壓縮屈曲應(yīng)變?nèi)萘肯嚓P(guān)性結(jié)果，綜合考慮DNVGL- ST-F101、API Spec 5L、GB/T 9711等國(guó)內(nèi)外管道標(biāo)準(zhǔn)，制定了高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)指標(biāo)體系，形成了《海洋油氣管道用高應(yīng)變直縫埋弧焊鋼管》[15]管材制造企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 L485高應(yīng)變管線鋼強(qiáng)、韌化和塑化的物理冶金學(xué)原理研究

2.1 “超細(xì)晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織韌塑性匹配研究

目前，國(guó)際上的中、高強(qiáng)度管線鋼多采用傳統(tǒng)的鐵素體+珠光體(或者鐵素體+貝氏體)組織、針狀鐵素體組織，其中針狀鐵素體組織強(qiáng)韌性好，但塑性不能滿足要求；而雙相組織強(qiáng)度、塑性匹配雖好，但韌性相對(duì)較低。研究提出的“超細(xì)晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的強(qiáng)、韌、塑綜合性能匹配[16]。其中，在針狀鐵素體組織中引入一定量的細(xì)晶多邊形鐵素體可細(xì)化的有效晶粒，以更有效地阻止裂紋傳播，從而確保材料較高的斷裂韌性水平(見(jiàn)圖4)[17,18]；同時(shí)，分布在較硬的針狀鐵素體(AF)基體上的多邊形鐵素體(PF)作為軟相，當(dāng)外力作用時(shí)可產(chǎn)生可動(dòng)位錯(cuò)有效降低材料的屈強(qiáng)比和提高均勻延伸率，有利于獲得良好的塑性。

圖4 高應(yīng)變管線鋼顯微組織(EBSD)及對(duì)裂紋擴(kuò)展影響示意圖

2.2 “超細(xì)晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織量化設(shè)計(jì)研究

研究提出了L485高應(yīng)變管線鋼的目標(biāo)組織為“超細(xì)晶鐵素體+針狀鐵素體”的雙相組織控制目標(biāo)[19]，其中：多邊形鐵素體(PF)的體積分?jǐn)?shù)控制在40%～80%，晶粒尺寸盡量控制在4～6 μm為宜。圖5為31.8 mm厚L485高應(yīng)變管線鋼鋼板厚度方向PF平均晶粒尺寸及體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，研究闡明了L485高應(yīng)變管線鋼雙相組織變形特性，通過(guò)硬相/軟相硬度比控制可實(shí)現(xiàn)量化組織設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6。建立了采用位錯(cuò)密度張量描述變形過(guò)程中的兩相協(xié)調(diào)變形行為方法，在整個(gè)變形階段軟相(PF)呈持續(xù)硬化狀態(tài)、而硬相(AF)呈階段硬化狀態(tài)，見(jiàn)圖7。這種獨(dú)特的兩相協(xié)調(diào)變形行為抑制了硬相提前失穩(wěn)，最大限度地發(fā)揮了各相的變形能力[20-21]。

圖5 L485高應(yīng)變管線鋼鋼板厚度方向PF平均晶粒尺寸及體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 硬度比對(duì)屈強(qiáng)比和均勻延伸率的影響

圖7 軟相/硬相的位錯(cuò)密度變化

2.3 解理斷裂小平面有效晶粒尺寸與變形奧氏體的相關(guān)性研究

發(fā)現(xiàn)了針狀鐵素體組織中，解理斷裂小平面的有效晶粒尺寸是相鄰晶粒{100}解理面夾角≥35°的大角度晶界所包圍的面積，該尺度與軋后變形奧氏體高度相當(dāng)，提出了管線鋼中變形奧氏體的尺寸控制與DWTT性能的相關(guān)性(見(jiàn)圖8)，并提出了壓扁奧氏體高度≤10 μm的控制目標(biāo)，奠定了解決針狀鐵素體管線鋼DWTT性能控制難題的理論基礎(chǔ)[18]。

圖8 變形奧氏體高度和解理單元尺寸與斷裂行為的關(guān)系

2.4 高應(yīng)變管線鋼焊接接頭斷裂韌性控制機(jī)制研究

細(xì)化的針狀鐵素體是焊縫獲得優(yōu)異強(qiáng)韌性的關(guān)鍵。焊縫HAZ區(qū)細(xì)晶區(qū)存在明顯軟化現(xiàn)象，圖9為L(zhǎng)485高應(yīng)變埋弧焊縫區(qū)域硬度云圖。隨著熱輸入量降低、母材中針狀鐵素體比例增加和微合金元素增加，軟化現(xiàn)象得到改善；HAZ粗晶區(qū)和臨界區(qū)是HAZ中不可避免的脆性區(qū)，可通過(guò)V、Nb、Mo等元素調(diào)整提高該區(qū)域韌性水平[22]。

圖9 焊縫區(qū)域硬度云圖

3 L485高應(yīng)變海洋管線管及其用鋼板制造技術(shù)研究

3.1 L485高應(yīng)變管線鋼成分設(shè)計(jì)及雙相組織比例精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)研究

通過(guò)模擬試驗(yàn)和研究，獲得了主要化學(xué)成分和冷卻參數(shù)對(duì)PF+AF雙相組織相變動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律，開(kāi)發(fā)出了低溫終軋及均勻相變控制技術(shù)，獲得了理想比例的雙相組織配比，并且使室溫組織中AF和PF組織充分細(xì)化及均勻化，有效控制了組織中M/A組元的形態(tài)和分布，確保該組織優(yōu)異的強(qiáng)韌塑性匹配[23]。提出了高應(yīng)變L485管線鋼優(yōu)化的成分設(shè)計(jì)范圍：C：0.05～0.07%；Mn：1.4～1.75%；Nb：0.04～0.06%；Mo：0.10～0.20%；Ni：0.1～0.25%。提出了高應(yīng)變L485管線鋼控軋控冷流程的主要工藝參數(shù)控制范圍：如加熱溫度、粗軋和精軋溫度；粗軋末機(jī)架變形量及精軋累積變形量；終軋溫度、開(kāi)冷和終冷溫度等。

3.2 厚規(guī)格高品質(zhì)鑄坯制造技術(shù)研究

高均質(zhì)厚規(guī)格連鑄板坯可改善鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、提升韌性和組織均勻性[24]。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和工藝試驗(yàn)，形成了夾雜物及氣泡、偏析等關(guān)鍵影響因素的控制工藝技術(shù)，并建立了量化的偏析評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了純凈內(nèi)質(zhì)和均質(zhì)的連鑄坯制造，見(jiàn)圖10。夾雜物等級(jí)≤1級(jí)，偏析等級(jí)≤M2.0級(jí)。

圖10 B級(jí)夾雜物關(guān)鍵影響因素

3.3 基于低溫快速疊加形變軋制的奧氏體組織細(xì)化控制技術(shù)研究

系統(tǒng)研究了變形量、變形溫度、變形間隔時(shí)間等對(duì)海洋管線管用高應(yīng)變L485 管線鋼再結(jié)晶的影響規(guī)律[25]，掌握了未再結(jié)晶區(qū)變形溫度、壓縮比等對(duì)奧氏體形變以及相變形核的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了“基于低溫快速疊加形變軋制”技術(shù)，使精軋前再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸細(xì)化和扁平化從30 μm以上有效降低到15～20 μm，見(jiàn)圖11。

圖11 不同軋制工藝的平均奧氏體晶粒尺寸

3.4 基于溫度梯度高滲透軋制技術(shù)及基于晶粒控制的多階段大壓下軋制技術(shù)研究

開(kāi)發(fā)了通過(guò)利用軋制階段鑄坯快速冷卻工藝提高鑄坯厚度方向溫度梯度來(lái)提升軋制形變滲透效果的溫控形變技術(shù)，解決了厚壁管線鋼厚度中心晶粒細(xì)化困難、厚度截面組織均勻性差的關(guān)鍵技術(shù)難題[26]。結(jié)合高滲透軋制，研究開(kāi)發(fā)了粗軋末段低溫大變形工藝。粗軋低溫軋制前段以壓下量控制為重點(diǎn)，粗軋末段以道次變形率控制為重點(diǎn)且道次變形率呈逐漸增大趨勢(shì)；粗軋待溫區(qū)和道次間隙以適當(dāng)方式進(jìn)行冷卻，為實(shí)現(xiàn)高滲透軋制提供保證。圖12為鑄坯高滲透軋制溫度和形變模擬結(jié)果。

圖12 鑄坯高滲透軋制溫度和形變模擬

3.5 基于冷速和冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)研究

結(jié)合軋制過(guò)程鋼板散熱特征，通過(guò)厚規(guī)格高應(yīng)變L485 管線鋼軋后和加速冷卻過(guò)程溫度-微觀組織-析出相-性能關(guān)系研究，開(kāi)發(fā)出基于冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)[27]；通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)曲線的設(shè)計(jì)，使鋼板不同位置在加速冷卻過(guò)程中獲得理想的溫度變化，解決了鋼板加速冷卻前溫度差異引起的組織性能不均問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的有效控制。分析了冷卻速度和終冷溫度與硬相組織類別、形貌及硬度的影響(見(jiàn)圖13)，形成了基于軟硬組織調(diào)控的高應(yīng)變L485 管線鋼多相組織控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)、塑、韌的良好匹配。

圖13 終冷溫度對(duì)顯微硬度的影響

3.6 大厚徑比高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管成型、焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)

設(shè)計(jì)并制造了滿足大厚徑比鋼管用預(yù)彎、成型模具、小口徑受限空間焊接用內(nèi)焊頭、厚壁短距扇形塊擴(kuò)徑頭(見(jiàn)圖14)等專用器具；開(kāi)發(fā)了適用于大厚徑比JCOE鋼管高精度漸進(jìn)式多步成型技術(shù)；通過(guò)多步小步長(zhǎng)擴(kuò)徑工藝，解決了擴(kuò)徑載荷大難題；同時(shí)開(kāi)發(fā)了L485高應(yīng)變管線鋼焊接用埋弧焊絲及高堿性燒結(jié)焊劑，并制定了配套的焊接工藝；研究掌握了制管工藝對(duì)殘余應(yīng)力、幾何尺寸精度和橫縱向力學(xué)性能的影響規(guī)律。圖15為JCOE制管后性能變化規(guī)律。建立了包括成型、焊接及擴(kuò)徑多工序在內(nèi)的大厚徑比高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管成套生產(chǎn)裝備和制管技術(shù)[28]。

圖14 厚壁短距扇形塊擴(kuò)徑頭

3.7 高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管及配套鋼板、制管用埋弧焊絲和焊劑開(kāi)發(fā)

成功開(kāi)發(fā)出φ559 mm×31.8 mm L485M高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管及其配套用鋼板(見(jiàn)表1)，填補(bǔ)了我國(guó)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)海洋管道用鋼管工業(yè)化生產(chǎn)的空白，鋼管的強(qiáng)度、塑性、韌性匹配方面具有先進(jìn)性，特別是具有較高的形變硬化指數(shù)、均勻塑性變形延伸率、較低的屈強(qiáng)比等，達(dá)到《海洋油氣管道用高應(yīng)變直縫埋弧焊鋼管》及DNVGL-ST-F101、GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 直徑559 mm、壁厚31.8 mm L485高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管及配套鋼板主要技術(shù)性能

同時(shí)，成功開(kāi)發(fā)出L485高應(yīng)變管線鋼焊接用埋弧焊絲及高堿性燒結(jié)焊劑，焊接材料的熔覆金屬性能試驗(yàn)及鋼管的評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果表明該焊絲焊劑組合具有良好的焊接工藝性能，焊接接頭具有優(yōu)良的低溫韌性和高塑性等性能，適用于L485高應(yīng)變管線鋼的大線能量焊接(見(jiàn)表2)。

表2 L485高應(yīng)變管線管制管用高熱輸入埋弧焊材及焊縫主要技術(shù)性能

4 L485高應(yīng)變海洋管道環(huán)縫焊接工藝技術(shù)研究

4.1 高應(yīng)變管道環(huán)焊接頭力學(xué)及斷裂變形行為表征研究

采用DIC拉伸(見(jiàn)圖16)、微區(qū)壓痕應(yīng)力應(yīng)變(見(jiàn)圖17)、微剪切、硬度云圖、熱力學(xué)模擬、TEM/EBSD顯微分析等多種先進(jìn)的試驗(yàn)分析手段，針對(duì)L485鋼級(jí)、31.8 mm大壁厚高應(yīng)變海洋管道的環(huán)焊技術(shù)開(kāi)展機(jī)理研究，掌握了高應(yīng)變管道高強(qiáng)匹配環(huán)焊縫的斷裂變形機(jī)理和多元素微合金控軋高應(yīng)變管線鋼的焊接性特征，弄清了拘束度和熱循環(huán)協(xié)同作用對(duì)環(huán)焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響機(jī)制[29-31]。

圖16 焊接接頭圓棒 DIC橫向拉伸變形過(guò)程

圖17 環(huán)焊接頭微剪切試驗(yàn)

4.2 L485高應(yīng)變管道環(huán)焊用高強(qiáng)韌氣保焊絲開(kāi)發(fā)[32-34]

通過(guò)合金強(qiáng)化、組織細(xì)化、雜質(zhì)控制等手段，采用低C、低S、P雜質(zhì)含量和低裂紋敏感指數(shù)Pcm，含適量Mn、Si、Ni、Cr、Ti合金元素的成分設(shè)計(jì)，試制出3種不同成分的實(shí)心焊絲，在海洋管道GMAW方法、較低焊接熱輸入工藝參數(shù)下，形成的焊縫均為以針狀鐵素體為主的顯微組織。由于焊縫組織以細(xì)小、均勻和多位相分布的針狀鐵素體為主，因而保證了焊縫具有高強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的韌性和塑性，達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外焊材水平(見(jiàn)表3)。

表3 焊縫金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 L485高應(yīng)變管道環(huán)縫焊接工藝研究

采用窄間隙坡口、小熱輸入量多層多道焊、工藝參數(shù)分區(qū)精確自動(dòng)控制的自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)工藝，以及開(kāi)發(fā)的3種成分的氣保實(shí)心焊絲，針對(duì)所開(kāi)發(fā)的L485鋼級(jí)、31.8 mm壁厚UOE、JCOE焊管進(jìn)行了10次環(huán)焊焊接試驗(yàn)，形成環(huán)焊接頭的強(qiáng)度和韌性平均值與國(guó)外焊絲基本相當(dāng)[35-38](見(jiàn)表4)，滿足項(xiàng)目高強(qiáng)匹配的要求以及DNV標(biāo)準(zhǔn)要求。圖18為典型的環(huán)焊縫形貌和焊縫金屬拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。焊縫的屈服強(qiáng)度(最小639 MPa)與母材屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)上限(585 MPa)相比，完全達(dá)到高強(qiáng)匹配，且有較大的富裕量。含預(yù)制缺陷的環(huán)焊縫寬板拉伸和鋼管全尺寸彎曲試驗(yàn)表明，變形、斷裂位置位于母材，環(huán)焊接頭未產(chǎn)生明顯的變形或斷裂，具有良好的抗變形能力。

表4 開(kāi)發(fā)試制焊絲和進(jìn)口焊絲的環(huán)焊縫主要技術(shù)性能對(duì)比

圖18 典型環(huán)焊縫形貌和焊縫金屬拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5 高應(yīng)變海洋管線管應(yīng)變?nèi)萘吭u(píng)估技術(shù)研究

5.1 高應(yīng)變海洋管全尺寸試驗(yàn)方法研究

形成大口徑大壁厚海洋管全尺寸彎曲試驗(yàn)裝置，可對(duì)高應(yīng)變海洋管的壓縮應(yīng)變?nèi)萘窟M(jìn)行全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證[39]。在測(cè)試中，引入光學(xué)散斑、電勢(shì)差等相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，有效地測(cè)試應(yīng)變的演化及分布，環(huán)焊縫缺陷斷裂、失穩(wěn)的有效信息[40]。圖19為全尺寸四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及試驗(yàn)中裂紋測(cè)試裝置。

圖19 全尺寸彎曲試驗(yàn)及試驗(yàn)中裂紋測(cè)試裝置

5.2 寬板拉伸試驗(yàn)方法研究

在2500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上攻克了工裝設(shè)計(jì)、缺陷制備、試樣焊接、信號(hào)采集、位移控制精度等一系列難題，形成了一套規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的寬板拉伸試驗(yàn)方案，開(kāi)發(fā)了成套的設(shè)備工裝[41]并成功完成了計(jì)劃的試驗(yàn)[40]，見(jiàn)圖20、圖21。

圖20 寬板拉伸試驗(yàn)-管體塑性垮塌

圖21 寬板拉伸試驗(yàn)-焊縫韌性撕裂

5.3 高應(yīng)變海洋管應(yīng)變?nèi)萘款A(yù)測(cè)技術(shù)研究

采用激光測(cè)量技術(shù)對(duì)實(shí)際鋼管外形進(jìn)行測(cè)量，并利用外形逆向重構(gòu)及有限元計(jì)算對(duì)鋼管的彈塑性屈曲行為進(jìn)行仿真[42](見(jiàn)圖22)，從而獲得了鋼管材料特定應(yīng)力比與屈曲應(yīng)變?nèi)萘康南嚓P(guān)性，相關(guān)成果支持了高應(yīng)變海洋管線管的標(biāo)準(zhǔn)起草及發(fā)布。

圖22 精確激光外形測(cè)量及仿真結(jié)果

5.4 高應(yīng)變海洋管含缺陷環(huán)焊接頭定量評(píng)價(jià)方法研究

針對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)條件下的管道環(huán)焊縫ECA 評(píng)估的需求，發(fā)展了基于應(yīng)變的失效評(píng)估圖(見(jiàn)圖23)；提出了一種采用無(wú)量綱函數(shù)λ建立的基于簡(jiǎn)化參考應(yīng)力法的高應(yīng)變海洋管線管環(huán)焊接頭缺陷評(píng)估方法[43]；開(kāi)發(fā)的連續(xù)介質(zhì)損傷模型結(jié)果更為接近試驗(yàn)結(jié)果，可用于靜態(tài)裂紋有限元方法和基于FAD方法缺陷容限指標(biāo)保守程度的定量分析，從而建立了基于應(yīng)變的環(huán)焊縫臨界缺陷尺寸確定方法(見(jiàn)圖24)。

圖23 不同韌性水平焊縫的FAD分析

圖24 延性撕裂判據(jù)不同方法確定的缺陷容限指標(biāo)(ε=1%)

5.5 高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果

研究提出了“高應(yīng)變海洋管線管評(píng)估推薦做法”，對(duì)開(kāi)發(fā)的L485高應(yīng)變海洋管線管及環(huán)縫焊接用氣保焊絲、工藝技術(shù)形成的環(huán)焊縫的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表5?？梢?jiàn)，開(kāi)發(fā)的高應(yīng)變JCOE和UOE海洋管線管均具有較高的臨界屈曲應(yīng)變?nèi)萘亢涂箟簼⑿阅?，且其環(huán)焊縫也具有較高的拉伸應(yīng)變?nèi)萘俊９荏w和環(huán)焊縫均可很好地滿足高應(yīng)變海洋管線管設(shè)計(jì)要求。

表5 直徑559 mm、壁厚31.8 mm L485高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管綜合性能評(píng)估結(jié)果

6 結(jié)論及展望

1)我國(guó)近年來(lái)在高應(yīng)變海洋管線管研制和應(yīng)用技術(shù)的研究取得的一系列研究成果主要體現(xiàn)在：針對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)對(duì)深水管道的特殊要求，建立基于應(yīng)變海底管道設(shè)計(jì)方法，闡明L485 高應(yīng)變管材強(qiáng)、韌、塑化控制理論，攻克板/管制造關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)環(huán)焊焊接材料、工藝、接頭檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)，建立應(yīng)用評(píng)價(jià)體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2)本文所述相關(guān)研究突破了我國(guó)在海洋管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)以及高應(yīng)變海洋管線管生產(chǎn)制造、連接、評(píng)價(jià)方法等方面的重大技術(shù)瓶頸，形成成套生產(chǎn)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，豐富深海管道的設(shè)計(jì)方法，為我國(guó)海洋管道建設(shè)和運(yùn)行安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為保障國(guó)家油氣能源戰(zhàn)略通道安全做出貢獻(xiàn)。成功開(kāi)發(fā)出的大厚徑比高應(yīng)變海洋管線管及配套鋼板、埋弧焊材、氣保焊絲等產(chǎn)品，性能達(dá)到同類品種的國(guó)際領(lǐng)先水平，將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)海底管道用高應(yīng)變管線管國(guó)產(chǎn)化提供支撐，同時(shí)將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)重點(diǎn)領(lǐng)域高端鋼鐵產(chǎn)品的研制和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，具有良好的社會(huì)效益。

3)我國(guó)海域遼闊，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的增加以及我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋油氣田的建設(shè)必將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。因此為了保證我國(guó)海底管道的建設(shè)質(zhì)量和安全運(yùn)行，高應(yīng)變海洋管線管產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用、推行海底管道的基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法勢(shì)在必行。從高應(yīng)變海洋管線管的制造和應(yīng)用技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)在規(guī)模化應(yīng)用的過(guò)程中，進(jìn)一步優(yōu)化鋼管的成分、組織和性能，保證其質(zhì)量；完善高應(yīng)變海洋管線管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和鋼管質(zhì)量、服役性能評(píng)估體系；同時(shí)重點(diǎn)開(kāi)展適用于高應(yīng)變海洋管線管的焊接技術(shù)、施工技術(shù)研究，確保我國(guó)苛刻服役條件下的深水、超深水海底管道的安全可靠性。