基于應(yīng)變設(shè)計的X80M鋼級Φ1 219 mm×33 mm高應(yīng)變管線鋼管開發(fā)*

牛愛軍，牛 輝，畢宗岳，戶志國，張錦剛，韋 奉，柯星星

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

0 前 言

隨著生產(chǎn)生活對石油、天然氣需求量的不斷增加，高強度、大直徑、高壓長輸管道成為管道建設(shè)最為經(jīng)濟和合理的選擇[1]。長輸管道不可避免地要經(jīng)過地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區(qū)、沉陷帶等工況復(fù)雜的地區(qū)，管道在服役過程中容易受到外部條件作用產(chǎn)生的大應(yīng)變而引起管道屈曲、失穩(wěn)和延性斷裂，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故[2-3]。

基于應(yīng)變的設(shè)計方法是針對日益惡劣的管道施工和服役環(huán)境提出的一種新的管道設(shè)計方法，這種方法充分利用了管線鋼的塑性變形能力，允許管線鋼管在地震區(qū)、采空區(qū)等惡劣地質(zhì)環(huán)境以及存在不連續(xù)永凍區(qū)域等可以引起地面運動而導致管道變形的環(huán)境使用，解決了海底、極地凍土區(qū)、地震引起沙土液化、滑坡、活動斷層段和采空區(qū)段等特定地區(qū)基于應(yīng)力設(shè)計管道無法解決的問題，同時確保管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全可靠運行[4-6]。為了保證管線鋼管在應(yīng)變條件下安全運行，適應(yīng)管道的位移控制載荷條件，采用基于應(yīng)變的設(shè)計和采用應(yīng)變能力較強的大應(yīng)變管線鋼管為其提供了良好的解決方案[7]。近年來，國產(chǎn)X70HD/X80HD 大應(yīng)變管線鋼管已在國內(nèi)管道工程中實現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用，從根本上解決了中緬管線、西氣東輸管線等重大工程地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區(qū)、沉陷帶等復(fù)雜工況管道建設(shè)和安全運行關(guān)鍵技術(shù)難題[8-10]。

西氣東輸四線工程是國內(nèi)目前最長距離多管并行敷設(shè)管道，與現(xiàn)役管廊頻繁交叉，穿越多處活動斷裂帶，工程建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。西氣東輸四線穿越活動斷裂帶也采用了基于應(yīng)變的管道設(shè)計，設(shè)計采用X80M 鋼級Φ1 219 mm×33 mm 高應(yīng)變直縫埋弧焊接鋼管，也是目前國內(nèi)設(shè)計的鋼級最高、管徑和壁厚最大的高應(yīng)變管線鋼管，對管道的設(shè)計、材料、施工也提出了新的挑戰(zhàn)。本研究針對西氣東輸四線項目活動斷裂帶穿越工程管道用高應(yīng)變管線鋼管設(shè)計規(guī)格及性能指標要求，開發(fā)設(shè)計了X80M 鋼級Φ1 219 mm×33 mm 規(guī)格高應(yīng)變直縫埋弧焊管。

1 X80 高應(yīng)變管線鋼管研發(fā)目標

由于在地震帶、斷層地區(qū)以及滑坡泥石流等多發(fā)地區(qū)，管線鋼管在承受拉伸、壓縮和彎曲載荷時需要承受較常規(guī)管線鋼管更高的變形量，尤其是需要承受較大的縱向變形，因此基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)使用的管線鋼管除了需要考慮普通鋼管的管體橫向強度、夏比沖擊韌性、DWTT 等基本強韌性要求外，還要求具有抗大變形的能力，規(guī)定縱向拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和塑性變形容量指標，主要技術(shù)參數(shù)包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線、形變強化指數(shù)、應(yīng)力比、均勻塑性變形伸長率、屈強比等[11-14]。

研發(fā)目標主要依據(jù)西氣東輸四線天然氣管道工程基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80 高應(yīng)變管線鋼管的性能指標要求。表1 為管體橫向及焊接接頭拉伸性能指標要求，表2 為管體縱向拉伸性能指標要求，表3 為管體及焊接接頭韌性指標要求。從表1～表3 可知，基于應(yīng)變設(shè)計的X80管線鋼管要求具有較低的屈強比、較高的應(yīng)力比以及較高的均勻塑性變形延伸率，保證管線鋼管在應(yīng)變條件下具有良好的塑性儲備以及較高的形變強化能力。同時，對管線鋼管縱向變形能力也提出明確要求，拱頂形拉伸曲線保證了塑性變形容量。

表1 管體橫向及焊接接頭拉伸性能指標要求

表2 管體縱向拉伸性能指標要求

表3 管體及焊接接頭韌性指標要求

2 X80高應(yīng)變厚壁管線鋼板開發(fā)

2.1 成分設(shè)計

基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80管線鋼管要求強度高、低溫韌性好，還要具有低的屈強比、高的均勻伸長率，既要有足夠的強度，又必須有足夠的變形能力，同時還要滿足現(xiàn)場的焊接要求[15]。為保證X80M 鋼級厚度33 mm 大應(yīng)變管線鋼的性能要求，在成分設(shè)計方面，以低C高Mn為基礎(chǔ)，添加Nb、Cr、Ni、Mo、Ti、Cu等復(fù)合微合金元素進行合金體系設(shè)計，控制N含量，嚴格控制 S、P、O、H 等有害元素的含量。表4 為試制的X80M 鋼級33 mm厚壁高應(yīng)變管線鋼板化學成分，具有較低的冷裂紋敏感指數(shù)（Pcm=0.18%）。采用 Al、Si全脫氧，通過Ca處理控制夾雜物形狀。通過析出強化、位錯強化、固溶強化和沉淀強化來保證鋼板的強度和高韌性，采用潔凈鋼冶金技術(shù)、超細晶?？刂乒に嚰夹g(shù)、多相組織控制技術(shù)及合理的TMCP生產(chǎn)工藝來實現(xiàn)X80M 鋼級厚度33 mm 鋼板的強度、韌性、塑性、焊接性的合理匹配。

表4 X80M鋼級厚度33 mm高應(yīng)變管線鋼板化學成分 %

2.2 微觀組織

高應(yīng)變管線鋼特征組織狀態(tài)一般為軟硬相結(jié)合，具有較高強度、韌性及優(yōu)異塑性的雙相或多相組織，其中硬相提供必要的強度，而軟相保證足夠的塑性，一般為多邊形鐵素體+貝氏體（F+B） 組織和貝氏體+M/A 島狀（B+M/A）組織，該組織結(jié)構(gòu)能提高鋼管的變形能力和止裂能力[16-17]。針對X80M 鋼級厚度33 mm 高應(yīng)變管線鋼，采用了“多邊形鐵素體+貝氏體”雙相組織設(shè)計。通過低碳多元微合金化設(shè)計，調(diào)控軟相和硬相組織的比例，從而提高管材的變形能力，實現(xiàn)較低的屈強比。圖1 所示為X80M 鋼級33 mm 高應(yīng)變鋼板的顯微組織及帶狀組織。從圖1 可看出，板材組織為典型的“鐵素體+貝氏體”雙相組織，鐵素體含量約40%～60%，貝氏體組織有貝氏體、鐵素體和少量的M/A組元。鐵素體晶粒尺寸細小，晶粒度在11 級以上，晶粒尺寸平均為5 μm，帶狀組織在2級以下。

圖1 X80M鋼級厚度33 mm高應(yīng)變鋼板的顯微組織及帶狀組織

表5為X80M鋼級33 mm高應(yīng)變厚壁鋼板的主要力學性能，從表5中可以看出，鋼板性能整體控制良好，橫向及縱向的各項拉伸性能測試值均達到目標值要求。在-20 ℃，鋼板夏比沖擊功最小為327 J，最大為412 J，均值為370 J，沖擊試樣沖擊剪切面積最大值、最小值和平均值均為100%。在-15 ℃，DWTT落錘剪切面積最小值為95%，最大值為100%，平均值為98%。鋼板的各項韌性性能穩(wěn)定，遠高于目標要求。顯微硬度最小值為206HV10，最大值為246HV10，均值為220HV10。

表5 X80M鋼級厚度33 mm高應(yīng)變管線鋼板主要力學性能

3 X80M 鋼級Φ1 219 mm×33 mm 高應(yīng)變管線鋼管開發(fā)

3.1 制管工藝

X80M 鋼級Φ1 219 mm×33 mm 高應(yīng)變管線鋼管試制采用JCOE 制管工藝，采用X 形焊接坡口設(shè)計，內(nèi)焊和外焊的坡口角度均為60°，鈍邊為10 mm，匹配了具有高強度和高韌性的H08C 焊絲和高堿度的CHF102GX焊劑，優(yōu)化設(shè)計了內(nèi)焊四絲/外焊四絲的雙面埋弧焊焊接工藝參數(shù)，焊接接頭具有較高的強度和優(yōu)異的低溫韌性，焊接工藝參數(shù)見表6。

表6 X80M鋼級Φ1 219 mm×33 mm高應(yīng)變管線鋼管試制焊接工藝參數(shù)

在制管過程中充分考慮了材料加工硬化會導致強度上升、均勻延伸率降低等力學性能上的影響，同時考慮擴徑率對鋼管橢圓度的影響，采用了0.6%～1.0%的擴徑率進行鋼管全管體擴徑。

3.2 鋼管力學性能

3.2.1 拉伸性能

分別取管體縱向、管體橫向和焊接接頭拉伸試樣，包括矩形試樣和圓棒試樣兩種?？v向拉伸試樣在200 ℃下保溫5 min 進行時效處理。矩形試樣為標距內(nèi)長50 mm、寬38.1 mm的全壁厚試樣；圓棒拉伸試樣標距內(nèi)直徑為12.7 mm，標距長為50 mm。管體橫向和焊接接頭拉伸試驗結(jié)果見表7，時效前后管體縱向拉伸性能試驗結(jié)果見表8，時效前后管體縱向拉伸曲線如圖2 所示。

圖2 時效前后管體縱向拉伸曲線

表7 管體橫向和焊接接頭拉伸性能試驗結(jié)果

表8 時效前后管體縱向拉伸性能試驗結(jié)果

從表7可看出，管體橫向和焊接接頭拉伸性能均達到目標要求，各項指標富余量較大。管體橫向屈服強度實測值為587～609 MPa，均值為598 MPa；抗拉強度實測值為703～712 MPa，均值為705 MPa；屈服強度和抗拉強度相對較為穩(wěn)定，平均值接近或略高于目標值的中值。管體橫向伸長率實測值為27%～28%，屈強比實測值為0.83～0.86，伸長率及屈強比指標的富余量合理。焊接接頭的抗拉強度實測值為692～699 MPa，略低于管體橫向母材的抗拉強度，全部斷于熱影響區(qū)，表明在熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，可通過管線鋼材料、焊接材料匹配及焊接工藝的優(yōu)化設(shè)計改善并提高焊接接頭的性能。從表8可看出，時效前后鋼管管體縱向屈服強度、抗拉強度、伸長率、屈強比、均勻伸長率、應(yīng)力比等性能指標均達到目標要求，但也存在個別屈服強度、均勻延伸率及應(yīng)力比等測試值富余量不足等現(xiàn)象，需要進一步從材料及制管工藝上進一步優(yōu)化提升。從圖2 可看出，時效前后管體縱向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀呈平滑的拱形，表現(xiàn)為連續(xù)屈服現(xiàn)象，無屈服點延伸，具有基于應(yīng)變設(shè)計的管線鋼管典型的拱頂形特征。

3.2.2 夏比沖擊性能

在距焊縫90°處的管體和焊接接頭分別取管體橫向、縱向和焊縫、熱影響區(qū)的夏比V 形缺口沖擊試樣樣坯，靠近鋼管外表面加工成10 mm×10 mm×55 mm 的沖擊試樣，V 形缺口沿壁厚方向垂直鋼管外表面。表9 為管體、焊縫及熱影響區(qū)在-10 ℃下的夏比沖擊韌性試驗結(jié)果。圖3 為鋼管管體及焊接接頭夏比沖擊吸收能量和斷口剪切面積百分數(shù)系列溫度轉(zhuǎn)變曲線。從表9 可看出，鋼管母材的夏比沖擊功為297～340 J，均值為316 J；焊縫的夏比沖擊功為156～177 J，均值為168 J；熱影響區(qū)的夏比沖擊功為271～306 J，均值為283 J；管體、焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗的單值及平均值均達到目標指標要求，富余量較大。從圖3 可看出，-60 ℃時管體母材沖擊功仍保持在275 J 以上，且剪切面積率均為100%；鋼管管體頭部縱向、橫向和熱影響區(qū)FATT50CVN均低于-60 ℃，焊縫FATT50CVN為-53 ℃，鋼管管體及焊接接頭表現(xiàn)出優(yōu)良的低溫韌性。

圖3 鋼管管體和焊接接頭夏比沖擊吸收能量和斷口剪切面積百分數(shù)轉(zhuǎn)變曲線

表9 V形缺口夏比沖擊試驗結(jié)果（-10 ℃）

3.2.3 落錘撕裂性能

在距焊縫90°處的管體上取縱向、橫向落錘撕裂試驗（DWTT）試樣，試樣尺寸為305 mm×76.2 mm×33 mm。表10 為鋼管管體在-5 ℃下試樣DWTT 試驗結(jié)果。試樣分別在0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃系列溫度下進行DWTT 試驗，系列溫度下管體DWTT斷口剪切面積百分數(shù)系列溫度轉(zhuǎn)變曲線如圖4所示。從表10可看出，管體橫向和縱向DWTT試驗結(jié)果均達到目標指標要求。從圖4 可看出，-40 ℃下，管體橫向落錘撕裂可達到60%以上，管體縱向落錘撕裂可達到90%以上，管體橫向FATT85DWTT為-14 ℃，縱向FATT85DWTT低于-40 ℃，鋼管管體母材具有優(yōu)良的低溫韌性。

圖4 管體DWTT斷口剪切面積百分數(shù)轉(zhuǎn)變曲線

表10 管體落錘撕裂（DWTT）試驗結(jié)果（-5 ℃）

3.2.4 金相組織及硬度

鋼管焊接接頭的橫截面宏觀形貌見圖5，焊接接頭外觀幾何參數(shù)尺寸檢測結(jié)果見表11。從圖5和表11可看出，焊縫區(qū)未見宏觀焊接缺陷，焊縫形貌良好，焊縫余高、熔合量、焊偏量等幾何參數(shù)均達到對焊接接頭外觀形貌的目標控制要求。

圖5 焊接接頭宏觀形貌

表11 焊接接頭外觀幾何尺寸檢測結(jié)果

在焊接接頭和距焊縫180°的管體上取樣加工全壁厚金相試樣。鋼管管體及焊接接頭的顯微組織如圖6 所示，由圖6 可看出，管體組織均為多邊形鐵素體（PF）+粒狀貝氏體（B粒），晶粒度為 11.5 級，非金屬夾雜物等級為A 0.5 級、B 0.5級及D 0.5 級；焊縫的組織為針狀鐵素體（IAF）+多邊形鐵素體（PF），熔合區(qū)組織為粒狀貝氏體（B粒），其中細晶熱影響區(qū)為多邊形鐵素體（PF）+馬氏體-奧氏體島組分（M/A），焊接熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯晶粒粗大等現(xiàn)象。

圖6 鋼管管體及焊接接頭顯微組織

焊接接頭硬度檢測位置如圖7所示，測試結(jié)果見表12。從表12可見，焊接接頭各區(qū)域硬度值均滿足目標要求。母材區(qū)域硬度值最大為237HV10，均值為228HV10；HAZ硬度值最大為222HV10，均值為208HV10；焊縫區(qū)域硬度值最大為244HV10，均值為240HV10。熱影響區(qū)的平均顯微硬度低于管體母材，熱影響區(qū)發(fā)生了一定程度軟化，需要進一步優(yōu)化焊接工藝，控制焊接過程的熱輸入。

圖7 焊接接頭維氏硬度測試點分布示意圖

表12 焊接接頭維氏硬度試驗結(jié)果（HV10）

4 結(jié) 論

（1）為保證油氣管道建設(shè)和運行安全，基于應(yīng)變設(shè)計和采用具有較低屈強比和良好塑性變形能力的高應(yīng)變管線鋼和鋼管已成為管道安全服役、特別是應(yīng)變控制工況下管道安全服役的必然趨勢。

（2）采用以低C 高Mn 為基礎(chǔ)，添加Nb、Cr、Ni、Mo、Ti、Cu 等復(fù)合微合金元素進行合金體系設(shè)計和“多邊形鐵素體+貝氏體”的雙相組織設(shè)計，并配合合理的TMCP 軋制工藝，開發(fā)出化學成分、力學性能穩(wěn)定，屈強比低，均勻伸長率和應(yīng)力比高，具有良好的成型性能、焊接性能的X80M鋼級厚度33 mm鋼板。

（3） 針對西氣東輸四線活動斷裂帶穿越工程管道，基于應(yīng)變的管線設(shè)計，研制出的X80M鋼級Φ1 219 mm×33 mm 高應(yīng)變直縫埋弧焊管具有低屈強比、高應(yīng)力比及高均勻塑性變形延伸率等良好的塑性和大應(yīng)變特性，同時具有優(yōu)良的低溫韌性、安全性能和較高的現(xiàn)場適用性，達到管道設(shè)計技術(shù)指標要求，為X80高應(yīng)變管線鋼管的管道工程批量化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。