超低温用高变形能天然气管线钢管的开发

　　1前言

　　长距离输送天然气的管线使用的是UOE钢管和螺旋焊管。其中在不连续冻土带、地震带和地层滑动带铺设的管线多是UOE钢管。这些地带地层的变动使钢管受到塑性变形。这种塑性变形的典型例子就是不连续冻土带地层融化和再冻结引起钢管弯曲和弯曲复原的变形。对于在这种环境下铺设的钢管，要求必须具有一定的变形能，即必须具有在预计的应变条件下保证钢管完好的允许应变值。这种设计方法叫做基于应变的设计。在SBD中将弯曲变形、轴向拉压变形时的压缩应变极限εc和拉伸应变极限εt纳入设计的考虑因素。εc是发生压曲时的应变，εt由环形焊缝的允许缺陷决定。因此提高钢管压缩应变极限是开发高变形能管线钢管的首要目标。

　　εc的支配因子是SS曲线所代表的钢管力学性能和环缝焊接钢管的形状不规整性。在力学性能方面，加工硬化率、塑性各向异性和应变时效对εc的影响最大。在钢管形状方面，钢管长度方向的形状不规整、环缝焊接区的焊接变形、环缝对接错位等因素对εc的影响最大。为对上述εc的影响因素的影响程度进行定量化评价，需要开发用于解析环缝焊接钢管弯曲变形行为的高级数值解析模拟技术。这些技术的成功开发提高了新日铁住金产品的可信赖性，成为对客户技术技术咨询的工具，同时也是钢管材料设计的有利工具。

　　SBD必须保证在每个管线项目提出的应变条件下，不发生焊接区断裂和管体压曲。防止环缝焊接区断裂的重要的设计方法是过匹配。通常，为了防腐蚀对钢管进行加热涂装，这时必须采取措施抑制应变时效引起的钢管强度升高。钢管强度的下限值是该钢级的最小强度，管强度的上限值应小于现场焊接时焊接金属强度的最小值。因此必须认真研究钢管的制造方法，使钢管的强度满足上述狭窄的强度范围。此外，提高钢管弯曲变形时的抗压曲能力的基本方法是钢管的高均匀伸长率和低屈强比。

　　在钢管的低温韧性方面，要求钢管具有良好的抗裂纹发生性和抗裂纹传播性。为使钢管不发生脆性断裂，要求钢管在极低温下具有高冲击值为此，低碳化和合金元素最佳化是很重要的。另一方面，由于腐蚀或人为原因，管线一旦发生损坏，要求钢管具有良好的止裂特性。良好止裂特性的条件是在－40℃的低温下不发生脆性断裂，而发生韧性断裂。实现这个要求的重要方法是微观组织的微细化。

　　新日铁住金为使管线钢管具有良好的低温韧性和变形能、高强度以及均匀壁厚等4项综合性能，过去在钢中添加大量的Mo、Ni等稀有高价合金元素，现在开发出性能好于传统管线钢管并可节省合金元素的天然气用管线钢管。

　　2管线钢管的变形能控制因子和钢管的设计原则

　　2.1环缝焊接钢管的FEA模型和变形能预测精度

　　2.1.1钢管形状不规整模型

　　为进行弯曲时的压屈解析，需要将钢管L方向的形状不规整纳入FEA模型。图2是直径914mm×壁厚19.6mm的X80UOE钢管在进行环缝焊接后的L方向半径波动的实测值和模型形状。钢管半径波动由3项构成。第一项是可用正弦波近似表示的UOE钢管本身具有的半径波动Δb，第二项是基于Timoshenko弹性理论的、管端受到力矩作用使钢管发生变形时，环缝焊接引起的半径波动Δg，第三项是环缝焊接时焊缝对接错位引起的半径波动Δs。钢管本身具有按一定周期变化的形状不规整性，焊接环缝附近产生焊接残余应力引起钢管径缩。图3是反映环缝焊接钢管这种形状不规整性的FEM模型。对钢管施加操作内压后，钢管端部产生弯曲力矩。利用数值解析方法对钢管弯曲时的压曲进行评价，使钢管本体和钢管焊接区的形状实现了3维模型化。

　　2.1.2材料模型

　　除了钢管形状模型化，钢管材料特性高精度模型化对于压缩应变敏感性解析也是很重要的。对于钢管应特别关注的是，钢管制造时产生的应变和钢管出厂后进行加热耐蚀涂装引起SS曲线变化的同时产生的塑性各向异性。图4是914D×19.6t，X80UOE钢管235℃×5min加热耐蚀涂装前后测定的SS曲线。

　　成型状态钢管在长度方向和周向上都表现出塑性各向异性，并且涂装加热后塑性各向异性有进一步的扩大。涂装加热后的L方向SS曲线呈圆弧状，C方向的SS曲线出现了屈服伸长，两个方向的SS曲线有很大差异。这种L、C方向加工硬化率不同的材料的屈服函数模型不是通用模型，新日铁住金开发出新的模型，研究了强度各向异性对钢管压曲特性的影响。

　　2.1.3变形预测精度

　　图5是钢管变形能的实管试验结果和上述解析模型变形模拟结果。实管试验钢管是914D×19.6t，X80UOE钢管，针对涂装加热、环缝焊接和原始状态，制备了3个试验钢管试样，采用加拿大C-FERTechnology进行试验。在管内施加水压，水压小于管体屈服内压的72%，在这种状态下对钢管施加弯曲负荷，弯曲力矩达到最大值时的弯曲应变是εbend=θ/。将εbend定义为压缩应变极限εc。计算式中的θ是弯曲角度，ΔL是测定标距长度，D是钢管外径。环缝焊接钢管的焊接环缝附近发生局部压曲，压曲部位的形状不规整情况与钢管形状不规整情况相同，与塑性各向异性FEA模型的解析结果非常一致。

　　图6表示出各钢管实管试验得到的εc、使用塑性各向异性函数的FEA模拟解析结果和使用VonMises屈服函数并假定塑性各向同性的解析结果。根据该图，在钢管塑性各向异性条件下，对各种钢管都可获得高精度的εc预测结果，但如假定钢管塑性各向同性，则εc预测结果偏大。此外，试验结果还表明，加热引起的εc变化很小，带有环缝焊接接头的钢管，εc约下降20%。

　　如上所述，将钢管形状不规整性进行模型化，使用塑性各向异性的屈服函数，可以对环缝焊接钢管的变形能进行高精度预测。利用该技术可以对变形能影响因子进行解析。

　　2.2钢管的力学性能对变形能的影响

　　2.2.1L方向力学性能对εc的影响

　　SBD使用的钢管对弯曲负荷时的主应力方向即L方向的力学性能有要求。利用FEA模型评价了对εc影响最大的力学性能。图7是1220D×32.5t，X60钢管在施加40%管体屈服内压的负荷时的εc。从商业生产的UOE钢管中抽取12根钢管的SS曲线，绘制出εc和Y/T、σ1%/σ5%、σ1%/σ2%的相关关系。在海外的SBD项目中使用的是Y/T、σ1%/σ2%，但在本研究的钢管使用条件下，σ1%/σ5%与εc的相关性最大。原因是压曲开始时的局部应变达到5%。因此，高变形能管线钢管开发的目标是高σ1%/σ2%值。

　　2.2.2C方向的力学性能对εc的影响

　　涂装加热使L方向的SS曲线出现屈服伸长，被认为会导致弯曲变形能下降。因此在钢管材料开发时，应在提高加工硬化率的同时，使SS曲线圆弧化。但是，关于C方向SS曲线产生屈服伸长对εc的影响尚不明确。使用不同时效温度处理的SS曲线，利用加工硬化各向同性FEA模型和加工硬化各向异性FEA模型求出钢管内压是72%屈服内压条件下的εc，并对两个模型得到的εc进行比较，图8是比较的结果。图8中还有各温度下的C方向屈服伸长。此外，L方向SS曲线都是圆弧形状。从图8可以看出，加工硬化各向异性FEA模型求出的εc随加热温度升高而下降，在200℃以上时是一定值。但没有发现加工硬化各向

　　同性FEA模型求出的εc随加热温度升高而下降的现象。由此可知，在加工硬化各向同性FEA模型中εc和加热温度没有相关关系，加工硬化各向异性FEA模型求出的εc与实管试验结果有很好的一致性，可以判断，εc下降受到随温度升高而升高的C-YPE的影响。

　　通过以上分析可知，不仅L方向的应力-应变行为对钢管的压曲特性有影响，而且C方向的应力-应变行为对钢管的压曲特性也有影响。

　　2.2.3钢管强度波动对εc的影响

　　在钢管商业化生产中，钢管强度可以在标准规定范围内波动。因此在钢管铺设时，以焊接环缝为界，钢管的强度有所不同。在焊接环缝附近因焊接产生的形状不规整再加上钢管强度的变化，焊接环缝附近容易发生局部压曲。

　　图9是环缝焊接钢管之间屈服强度差ΔYS和εc的关系。这是在轴向应变拘束条件下，在小于72%钢管屈服内压范围内，改变钢管内压的解析结果。可以看出，在各个条件下，ΔYS越大，εc越小。在高内压下，初始εc越大，εc的降低量也越大。这个结果说明，在对管线进行SBD为代表的塑性设计时，不仅要考虑钢管材料特性，还要考虑钢管强度的波动。

　　2.3钢管形状不规整对钢管变形能影响的定量化解析

　　图10是对762D×15.8t，X80钢管施加72%钢管屈服内压时各种形状不规整性对εc影响的定量化解析结果。解析的基本条件是钢管之间的屈服强度差ΔYS为50MPa。各种形状不规整因素的叠加作用引起的εc下降的最大值是17%，而ΔYS为50MPa时的εc下降的最大值是28%。由此可知，钢管间强度的波动对εc的影响大于钢管的形状不规整性的影响。

　　通过钢管实管试验和钢管变形行为的数值模拟解析，可以得出环缝焊接UOE管线钢管性能的下限值，为安全性更大的SBD管线铺设提供有益的帮助。

　　3高变形能管线钢管的开发

　　根据上述研究结果，制造高变形能钢管的关键点是：

　　1）提高钢管L方向的加工硬化率；

　　2）降低钢管C方向的屈服伸长；

　　3）减少钢管之间的强度波动，即钢管的窄强度范围制造。

　　新日铁住金根据上述关键点，开发出高变形能管线钢管。

　　3.1开发钢的设计思想

　　为保证良好的加工硬化特性，钢的组织应是铁素体和贝氏体的双相组织。为了适用于高寒地区，应保证－40℃低温韧性，为此钢的组织应是平均晶粒直径小于5μm的微细双相组织。新日铁住金开发的高变形能钢管具有前所未有的3大特点。

　　第一个特点是，不含过去管线钢管必须添加的Mo，提高了涂装加热后的变形能。一般情况下，在将钢管加热到200℃以上进行防蚀涂装时，钢管会发生应变时效。钢中的游离碳越多，应变时效越容易发生，导致屈强比升高。由于均匀伸长率降低、使变形能下降。由于无Mo化，钢中形成了大量的铁碳化物，游离碳显著减少，提高了变形能。

　　图11是无Mo钢和含Mo钢，1%预应变并经240℃应变时效处理后屈服强度的增量。无Mo钢应变时效处理后屈服强度的升高受到抑制。图12是无Mo钢和含Mo钢应变时效前的TEM图象，可以看出，无Mo钢中的渗碳体析出量大于含Mo钢。由于含Mo钢发生相变滞留，在冷却到室温后会生成马氏体和未转变的γ。本试验的情况也是一样，含Mo钢中生成马氏体和未转变的γ，而无Mo钢中未生成马氏体和未转变的γ，生成了大量的渗碳体。

　　第二个特点是利用独有的加速冷却装置在弥补无Mo钢的强度不足的同时，实现高精度均匀冷却，可将钢板的强度控制在窄范围内。利用CLC-μ冷却装置建立了慢冷工艺，对铁素体和贝氏体的组织分量进行最佳化控制。图13是慢冷工艺的示意图。采用CLC-μ冷却装置实施慢冷工艺，实现了钢板强度的窄范围化。

　　第三个特点是为获得良好的极低温韧性，优化厚板生产工艺、高精度控制均匀加速冷却，使钢板的平均晶粒直径小于3μm。图14是钢板微观组织的SEM图像。

　　新日铁住金利用高精度冷却工艺可以生产APIX60～X100的无Mo、少Ni、高变形能管线钢管。在X100钢管方面，开发出铁素体和贝氏体基础上增加可控制的M-A的多相组织钢管。由于M-A组元对焊接热影响区的韧性有影响，所以M-A组元分量控制十分重要。

　　3.2开发钢的特性

　　以下介绍为俄罗斯制造的APIX60钢管应变失效前后的力学性能。

　　图16是240℃应变时效前后的屈强比和均匀伸长率。应变时效前后的屈强比都小于88%，均匀伸长率都大于10%。钢管具有超微细组织，其平均晶粒直径小于3μm，使钢管具有良好的－40℃低温韧性。图17是APIX60钢管DWTT的韧性－脆性转变温度。一般来说，保证32mm厚的厚壁钢管的韧性断口面积率是很困难的，由于本开发钢管具有超微细组织，所以在－60℃低温下，仍可满足韧性断口面积率为85%的要求。

　　3.3开发钢管的实用化情况

　　新日铁住金开发出APIX60～X100的省合金型天然气输送管线钢管。其中，X60钢管于2009年为俄罗斯制造1.7万吨。X100钢管在加拿大铺设了5km管线。最近接受了缅甸0.5万吨APIX70管线钢管的订货，并生产完毕。

　　4结语

　　在允许有塑性变形的天然气输送管线钢管的开发中，有两项技术不可缺少，一项是在通用钢管材料的基础上提高高变形能的技术，另一项是证实钢管性能可信赖性的技术服务。新日铁住金将这两项技术结合起来开发出高变形能UOE管线钢管，并实现商业化生产。高变形能UOE管线钢管的主要研究成果有以下几项。

　　1）建立了考虑到环缝焊接UOE钢管的形状不规整性和塑性各向异性的数值解析模型。利用该模型对钢管弯曲时的压曲特性进行解析的结果与钢管实管试验得到的极限压曲有着很好的一致性。

　　2）根据开发模型对压缩应变极限敏感性解析的结果，可以对影响压曲抗力的材料因子、形状因子进行定量化评价，并可导出压缩应变极限的下限值。

　　3）根据变形能控制因子定量化评价，开发出降低稀有金属元素用量的省合金管线钢，并建立高精度冷却工艺使开发钢具有最佳化的复相组织，使开发钢获得很高的变形能。