徐 婷 編譯

（中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077）

1 試驗(yàn)材料和規(guī)范

1.1 試驗(yàn)材料

對(duì)天然氣的需求日益增長(zhǎng)，推動(dòng)著高鋼級(jí)長(zhǎng)輸管線的不斷發(fā)展，X100鋼管的應(yīng)用成為過(guò)去10年廣泛研究的課題之一。筆者研究了X100鋼管的制造、建設(shè)、結(jié)構(gòu)性能和長(zhǎng)期運(yùn)行性能，以及鋼管沿整條管線在局部區(qū)域承受應(yīng)變的能力。

試驗(yàn)材料為 1條長(zhǎng) 800 m的 X100鋼級(jí)φ1 219 mm×19.8 mm的埋地管線，工作壓力為18 MPa，管線的設(shè)計(jì)系數(shù)為0.8，在2年內(nèi)承受壓力循環(huán)，模擬約40年的壓力服役狀況。

1.2 管線規(guī)范

本研究對(duì)管線管和焊接的要求都進(jìn)行了規(guī)定。表1為管線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，表2為管線管未涂覆時(shí)的主要性能指標(biāo)。

表1 管線設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

表2 管線管主要力學(xué)性能

2 X100管線管母材合金設(shè)計(jì)

X80管線鋼主要顯微組織是具有細(xì)粒鐵素體的上貝氏體。對(duì)于X100高強(qiáng)度管線鋼的顯微組織包括低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如帶有少量馬氏體-奧氏體（M/A）的下貝氏體，以獲得更高強(qiáng)度和合適的斷裂韌性，其顯微組織和SEM照片如圖1所示。

圖1 典型X100管線鋼管顯微組織和SEM分析結(jié)果

為獲得低合金的顯微組織，鋼的組分被高度優(yōu)化。選擇低C-Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-Ti化學(xué)成分來(lái)實(shí)現(xiàn)奧氏體淬透性的最大化，而同時(shí)保持低Pcm（裂紋敏感系數(shù)）值，低Pcm有助于提高鋼的焊接性能以及降低合金的成本。

3 X100管線管焊縫金屬和熱影響區(qū)設(shè)計(jì)

圖2 Pcm值和焊縫金屬抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

在研究焊縫性能的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)主要通過(guò)其淬透性可以控制焊縫的強(qiáng)度。圖2為Pcm值和焊縫金屬抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。由圖2可以看出，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度隨Pcm值的增加而增加。Pcm值選擇為0.27%±0.03%，考慮母材的化學(xué)成分來(lái)設(shè)計(jì)焊縫金屬化學(xué)成分可以達(dá)到Pcm值的目標(biāo)要求。

可以采用一些方法優(yōu)化熱影響區(qū)（HAZ）的韌性。鋼管保持低的C和Si含量，使MA組分達(dá)到最小。采用微合金化元素（Nb，V和Ti）來(lái)控制M/A，限制晶粒長(zhǎng)大，并限制有害析出物的影響。減少N，P和S的含量，且控制好淬透性來(lái)確保在焊接熱循環(huán)期間得到細(xì)板條為基的組織的轉(zhuǎn)變。通過(guò)控制S的含量達(dá)到母材高韌性要求，添加B來(lái)控制焊縫金屬的韌性。

4 生產(chǎn)工藝

鋼管生產(chǎn)采用UOE制造工藝，成型后縱向焊縫由埋弧焊接完成，內(nèi)焊縫采用3根電焊條，外焊縫采用4根電焊條。焊接輸入熱量控制盡可能低，使熱影響區(qū)達(dá)到高韌性。焊接時(shí)，為避免焊縫產(chǎn)生延遲氫致開(kāi)裂，焊劑和坡口應(yīng)保持干燥。

焊接后為精確控制最終鋼管形狀，對(duì)鋼管進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)徑，擴(kuò)徑率在短距內(nèi)最大為1.5%。靜水壓試驗(yàn)后，對(duì)縱向焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。最后，UOE鋼管管端采用超聲波和磁粉檢驗(yàn)方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

5 試驗(yàn)鋼管化學(xué)成分及力學(xué)性能

5.1 化學(xué)成分

生產(chǎn)的50根X100鋼級(jí)φ1 219mm×19.8 mm鋼管，單根長(zhǎng)度為12m。母材的化學(xué)成分見(jiàn)表3。C，Mn，P，S和N元素對(duì)母材和熱影響區(qū)（HAZ）的韌性非常重要，應(yīng)將這些元素的含量控制在目標(biāo)優(yōu)化范圍內(nèi)。

表3 母材的化學(xué)成分 %

5.2 力學(xué)性能

5.2.1 拉伸性能

力學(xué)性能試驗(yàn)采用棒狀試樣和API全壁厚板狀試樣，分別應(yīng)用于橫向和縱向。

兩種不同規(guī)格試驗(yàn)鋼管的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4～表7。

表4 φ8.9mm棒狀試樣橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 全壁厚板狀試樣橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 φ12.7mm棒狀試樣縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 全壁厚板狀試樣縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橫向平均屈服強(qiáng)度為776 MPa，接近協(xié)議范圍690～810 MPa的較高值；縱向平均屈服強(qiáng)度為657 MPa，接近協(xié)議范圍630～790 MPa的下限。這表明規(guī)范規(guī)定的鋼管縱向屈服強(qiáng)度的上限應(yīng)降低，可能會(huì)允許放寬環(huán)焊縫金屬的強(qiáng)度而達(dá)到同樣過(guò)匹配強(qiáng)度水平。橫向和縱向的母材平均拉伸強(qiáng)度是相似的，且大致為協(xié)商范圍的中間值。

圖3為試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)鋼管橫向拉伸性能的影響。從圖3可以看出，由于包申格效應(yīng)，板狀試樣具有較低的屈服強(qiáng)度，包申格效應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度鋼級(jí)更為明顯，當(dāng)橫向彎曲試樣壓平時(shí)會(huì)發(fā)生。對(duì)比縱向棒狀試樣和板狀試樣的結(jié)果，表明拉伸性能無(wú)較大的差別，這說(shuō)明鋼管的拉伸性能在壁厚上是一致的。

試樣橫向平均屈服強(qiáng)度比縱向高120MPa，這是由于機(jī)械擴(kuò)徑時(shí)的加工硬化造成的，這種影響隨著抗拉強(qiáng)度的增加而增加，這種情況在高強(qiáng)度鋼中更為常見(jiàn)。這導(dǎo)致試樣縱向平均屈強(qiáng)比為81% （板狀試樣），而橫向平均屈強(qiáng)比為93%。

圖3 試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)鋼管橫向拉伸性能的影響

5.2.2 韌性性能

材料的韌性性能由夏比V形缺口試驗(yàn)和全壁厚壓制缺口落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）來(lái)測(cè)定。

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。6%母材沖擊功的單個(gè)值小于目標(biāo)值（200J），其測(cè)到的最小值為181J，滿(mǎn)足項(xiàng)目對(duì)初期控制的要求。

表8 V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，-30℃下焊縫平均韌性為147 J，最小值為117 J，這已經(jīng)大于目標(biāo)值（100 J）和最小值（75 J）的要求。-30℃下熱影響區(qū)的韌性為144 J，單個(gè)最小值為57 J。母材、焊縫和熱影響區(qū)典型的溫度轉(zhuǎn)變曲線如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)變發(fā)生溫度低于-30℃時(shí)，母材、焊縫和熱影響區(qū)的50%上平臺(tái)能轉(zhuǎn)變溫度都分別低于-80℃、-68℃和-62℃。

圖4 夏比沖擊溫度轉(zhuǎn)變曲線

5.2.3 DWTT試驗(yàn)

-20℃的DWTT試驗(yàn)平均SA為98%，最大100%，最小值為88%，符合項(xiàng)目規(guī)范的要求（≥85%）。 典型DWTT轉(zhuǎn)變曲線如圖5所示，85%SA的轉(zhuǎn)變溫度為-44℃。

5.2.4 硬度試驗(yàn)

X100鋼管典型焊縫接頭平均硬度見(jiàn)表9，其硬度分布如圖6所示。其中圖6為與X60鋼級(jí)的對(duì)比。管體、焊縫和 HAZ硬度均小于300HV10，滿(mǎn)足項(xiàng)目規(guī)范要求。

圖5 DWTT溫度轉(zhuǎn)變曲線

表9 X100焊縫接頭平均硬度值

圖6 典型焊縫接頭硬度分布

對(duì)于X100高強(qiáng)度管線鋼管，減少HAZ軟化、HAZ寬度的最小化及維持過(guò)匹配對(duì)保證焊縫接頭的強(qiáng)度都非常關(guān)鍵。X100管線鋼管焊縫接頭典型的顯微組織如圖7所示。從圖7可以看出，焊縫的焊偏控制在3 mm以?xún)?nèi)，焊縫的最窄點(diǎn)大于公稱(chēng)壁厚6.6 mm的1/3，焊道高度控制在低于3 mm的范圍，均與鋼管規(guī)范的要求一致。

圖7 典型焊縫接頭微觀組織

6 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)X100管線鋼管能夠滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）橫向和縱向拉伸性能均控制在項(xiàng)目規(guī)范的范圍內(nèi)，最大偏差為35 MPa，并且可以使其中的一些范圍更加嚴(yán)格，盡可能地提高應(yīng)變性能，如管體縱向屈服強(qiáng)度公差和均勻延伸率等。

（3）-20℃時(shí)母材最小韌性超過(guò)了 180 J，-30℃焊縫韌性超過(guò)了117 J，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋止裂的要求。

（4）焊縫接頭硬度水平滿(mǎn)足項(xiàng)目規(guī)范要求，管體、焊縫和HAZ硬度均低于300HV10。