許光達(dá) 武剛 陳翠翠 李超 張杰 周會(huì)萍

1中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司

2中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院

3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

管道輸送是石油、天然氣最主要的輸送方式，管線鋼作為不可或缺的載體，正朝著降低成本、增加服役時(shí)間和提高運(yùn)輸效率的方向發(fā)展[1]。大量研究表明[2-3]，提高管線鋼等級(jí)是提高油氣輸送效率、降低建設(shè)成本的最好方式，當(dāng)直徑和輸送壓力一定時(shí)，每提升一個(gè)鋼級(jí)，理論上可以減少用鋼量達(dá)8%～12%；而在鋼級(jí)確定的情況下，增加管道直徑和輸送壓力則是提高管線輸送效率和建設(shè)成本的另一個(gè)重要途徑。

由于管線鋼是運(yùn)輸過(guò)程中的一個(gè)重要載體，因此對(duì)于它在使用過(guò)程中的性能要求很高，如焊接性能好、強(qiáng)度高、韌脆轉(zhuǎn)變溫度低、耐沖擊韌性好等，有時(shí)還要求管線鋼具有抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力以及良好的抗氫致開(kāi)裂性能。通常來(lái)講，管線鋼的組織演變過(guò)程也就是它的發(fā)展演化過(guò)程，可以根據(jù)不同的顯微組織將管線鋼分為以下四類：針狀鐵素體（AF）管線鋼、鐵素體-珠光體（F-P）管線鋼、回火素氏體（S）管線鋼和貝氏體-馬氏體（B-M）管線鋼[4]。管線鋼在發(fā)展的初期其強(qiáng)度水平比較低，基本在X70 以下，微觀組織結(jié)構(gòu)為鐵素體-珠光體；在管線鋼發(fā)展中期，強(qiáng)度級(jí)別有所提高，最高可達(dá)到X100，其微觀組織形態(tài)主要為針狀鐵素體。近年來(lái)，管線鋼的發(fā)展又達(dá)到一個(gè)高的強(qiáng)度級(jí)別，其微觀組織形態(tài)主要為貝氏體-馬氏體，強(qiáng)度級(jí)別最高可達(dá)到X120，有望進(jìn)一步提高管線鋼的輸送能力。

1 管道服役過(guò)程中的機(jī)械損傷

1.1 管道增壓引起的機(jī)械損傷

在管道運(yùn)輸過(guò)程中，管道增壓容易引起管線的微觀組織損傷，導(dǎo)致不同程度的安全事故。但是，它卻不能用一般的“安全設(shè)計(jì)方法”來(lái)論證，其中最重要的一個(gè)原因是大多數(shù)安全事故發(fā)生時(shí)，材料的斷裂應(yīng)力總是比屈服應(yīng)力低，有時(shí)比設(shè)計(jì)許用應(yīng)力還低，這就需要從根本上探討管線鋼在服役過(guò)程中的微應(yīng)變對(duì)管線鋼性能的影響。

在天然氣與石油的運(yùn)輸過(guò)程中，由于實(shí)際需求，需要對(duì)輸送管道進(jìn)行增壓處理[5]。一般來(lái)講，輸送氣管道內(nèi)部壓力的最小和最大比值約為0.7，輸送油管道內(nèi)部壓力的最小與最大比值約為0.45，而且不允許內(nèi)壓有較大的波動(dòng)，否則將會(huì)在輸送管道的局部產(chǎn)生應(yīng)變，發(fā)生一定的機(jī)械損傷，從而導(dǎo)致疲勞失效，這往往是導(dǎo)致管道過(guò)早發(fā)生安全問(wèn)題的主要因素。

1.2 其他因素引發(fā)的機(jī)械損傷

針對(duì)管道的失效現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)失效原因進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)。據(jù)狄彥等[6]統(tǒng)計(jì)，由于第三方施工操作不當(dāng)及人為打孔偷油引發(fā)的管道事故最多，其次是自然地質(zhì)災(zāi)害和腐蝕，很少一部分原因是由于設(shè)備及材料的不足而導(dǎo)致。文斌等[7]對(duì)四川省天然氣管道事故原因進(jìn)行了研究和統(tǒng)計(jì)，其中受外界影響占到15.8%，材料缺陷占10.9%，腐蝕占39.5%，施工缺陷占22.7%，地表移動(dòng)占5.6%，其他占5.5%。鄭賢斌等[8]研究了影響老齡管道安全的5 大因素，分別為自然腐蝕、施工破壞、誤操作、安全裕量過(guò)大及自然地質(zhì)災(zāi)害。油氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素分為內(nèi)部因素和外部因素：內(nèi)部因素包括設(shè)計(jì)、施工、操作失誤、材料缺陷，以及隨時(shí)間推移管道發(fā)生腐蝕、應(yīng)力變化等；外部因素主要包括三個(gè)方面，首先是第三方施工不當(dāng)，其次是服役過(guò)程中的人為因素（打孔、占?jí)杭氨I油等），第三是自然災(zāi)害因素（地震、山洪、水災(zāi)等）。

2 管體應(yīng)變及對(duì)性能的影響

2.1 基于管道應(yīng)變理論的硏究

根據(jù)以往X60、X65 和X80 管線鋼的拉伸性能試驗(yàn)與研究報(bào)告（如FUKUDA 等[9]研究人員的相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告）可知，管線鋼進(jìn)行預(yù)應(yīng)變（塑性應(yīng)變）試驗(yàn)后，鋼材試驗(yàn)件會(huì)產(chǎn)生包申格效應(yīng)并出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，此效應(yīng)和現(xiàn)象往往導(dǎo)致管線鋼在壓縮型應(yīng)變后屈服強(qiáng)度降低，或在拉伸型應(yīng)變后屈服強(qiáng)度增加，屈服強(qiáng)度的變化范圍往往由鋼材的屈服比決定。同時(shí)，該試驗(yàn)結(jié)果也表明應(yīng)變時(shí)效和預(yù)應(yīng)變程度對(duì)X80 管線鋼性能產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，其中應(yīng)變時(shí)效對(duì)管線鋼性能產(chǎn)生的影響起主導(dǎo)作用。并且管線鋼的抗沖擊性和延伸率會(huì)隨著強(qiáng)度的增大而減小，屈服強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度的增量更高。

薛小懷等[10]對(duì)X80 級(jí)螺旋縫埋弧焊接管線鋼拉伸性能做了研究，結(jié)果表明，小于1%預(yù)應(yīng)變量對(duì)鋼材的屈服強(qiáng)度沒(méi)有太大影響，當(dāng)預(yù)應(yīng)變量逐漸增大時(shí)，它對(duì)材料的屈服強(qiáng)度有較大的影響，對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較小。這會(huì)引起鋼材的屈強(qiáng)比變大，對(duì)于管線鋼的使用有著不利的影響。前人在管道預(yù)應(yīng)變后組織和性能分析方面做了較為充分的研究，但是依然缺少能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中機(jī)械損傷形成的微應(yīng)變數(shù)據(jù)。為此，需要深入系統(tǒng)地研究預(yù)應(yīng)變后管線鋼的整體性能變化。

2.2 預(yù)應(yīng)變對(duì)管線鋼組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

2.2.1 對(duì)顯微組織和結(jié)構(gòu)的影響

王林鋒等[11]對(duì)管線鋼UOE 的成型方法做了研究，結(jié)果表明，管線鋼的組織為多元復(fù)合組織，在塑性應(yīng)變中，這種組織對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的增值以及裂紋的形成和擴(kuò)展都會(huì)產(chǎn)生影響。黃少波等[12]以預(yù)應(yīng)變?yōu)樽兞?，探討了X90 管線鋼的顯微組織（圖1）和力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X90 管線鋼是一種超細(xì)晶粒鋼，在初始奧氏體周邊存在著很多形狀為多邊形的鐵素體。將X90 管線鋼預(yù)拉伸之后，可以明顯觀察到超細(xì)晶粒逐漸出現(xiàn)粗化，一部分晶粒破碎，大量位錯(cuò)塞積，使位錯(cuò)密度變大，位錯(cuò)之間纏繞并聚集，有的地方可以看到亞晶界的生成。齊麗華等[13]針對(duì)X100 管線鋼的動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變行為進(jìn)行研究（圖2）。試驗(yàn)結(jié)果顯示，管線鋼由于拉伸應(yīng)力的存在使得針狀鐵素體組織最先產(chǎn)生形變，當(dāng)應(yīng)力逐漸增大時(shí)，針狀鐵素體的應(yīng)變量也會(huì)相應(yīng)增大，從而引發(fā)粒狀貝氏體產(chǎn)生形變，其中微裂紋成核的核心是氧化夾雜物，并且它會(huì)隨著拉伸應(yīng)力的增大而不斷擴(kuò)展、連接，從而使得裂紋橫亙貫穿基體，甚至失效。

圖1 X90 管線鋼預(yù)應(yīng)變前后的組織形貌Fig.1 Microstructure of X90 pipeline steel before and after pre-strain

圖2 X100 管線鋼的微裂紋形成與擴(kuò)展過(guò)程Fig.2 Formation and development of microcracks in X100 pipeline steel

2.2.2 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

CHEN 等[14]主要探究了X60 管線鋼的拉伸性能和預(yù)應(yīng)變之間的關(guān)系（圖3），結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)應(yīng)變存在時(shí)，管線鋼的應(yīng)變、均勻應(yīng)變、塑性應(yīng)變、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會(huì)有所減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力增加時(shí)，管線鋼的斷裂強(qiáng)度將會(huì)增大，而斷裂延性和加工硬化指數(shù)將會(huì)減小。蔡星周等[15]將高Nb 管線鋼和X80 管線鋼預(yù)拉伸之后，模擬了其在大直徑成形過(guò)程中的塑性應(yīng)變過(guò)程，結(jié)果表明，兩種管線鋼的屈服強(qiáng)度均有所增加。出現(xiàn)這種情況的原因主要是材料在塑性應(yīng)變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加。而材料在應(yīng)變過(guò)程中，主要影響抗應(yīng)變的是微觀組織均勻程度以及初始屈強(qiáng)比。余建星等[16]對(duì)X60 管線鋼做了研究，指出在有無(wú)預(yù)應(yīng)變的情況下，其拉伸斷口均為明顯的韌窩形貌，所以，X60 管線鋼拉伸產(chǎn)生的斷裂是在微孔的形成和聚合機(jī)制下進(jìn)行的，可以觀察到顯微塑性應(yīng)變，在很多韌窩底部也能觀察到微孔。

一般經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)變后試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均變大，屈強(qiáng)比增大，延伸率減小，這是形變強(qiáng)化顯著的特點(diǎn)。因?yàn)殡S著預(yù)應(yīng)變?cè)囼?yàn)的變形量增大，位錯(cuò)脫釘?shù)臄?shù)量與程度也隨之增加，從而導(dǎo)致試驗(yàn)件內(nèi)的殘余應(yīng)力增加，形變強(qiáng)化現(xiàn)象更加明顯，最終使得材料的屈服強(qiáng)度得到提高[17]。

2.2.3 對(duì)硬度的影響

材料抵抗外部的壓入與破壞、塑性或彈性變形的性能稱為硬度。管線鋼在進(jìn)行預(yù)拉伸時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化、組織位錯(cuò)增加，且伴隨塞積導(dǎo)致材料的硬度增強(qiáng)，特別是材料邊緣區(qū)的硬度明顯變大。這是因?yàn)椴牧项A(yù)拉伸過(guò)程中，邊緣的金屬會(huì)慢慢向中心聚集，這使得外部金屬比內(nèi)部金屬活躍，外部邊緣區(qū)應(yīng)變量比中部受力程度大，所以，中部硬度比邊緣區(qū)增量少很多[18]。當(dāng)組織出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象或者位錯(cuò)塞積時(shí)，管線鋼的均勻應(yīng)變率會(huì)減小。通常來(lái)講，管線鋼的強(qiáng)韌性會(huì)隨著硬度的增大而減小。另外，在高原寒冷地區(qū)使用管線鋼時(shí)，硬度不能過(guò)高，否則會(huì)使金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂，所以管線鋼的硬度和服役時(shí)的應(yīng)變量就需要降低，這有利于管線鋼的油氣輸送[19-20]。

圖3 管線鋼塑性、強(qiáng)度與預(yù)應(yīng)變量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship among plasticity，strength and pre-deformation of pipeline steel

2.2.4 對(duì)抗沖擊性能的影響

國(guó)有糧食企業(yè)內(nèi)部控制還存在著一些問(wèn)題：內(nèi)部環(huán)境不完善，缺乏完善的公司治理機(jī)制與制衡機(jī)制；各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)識(shí)別、應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)淡薄，企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力比較差；國(guó)有糧食企業(yè)的控制活動(dòng)缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性，導(dǎo)致既定的內(nèi)部控制制度失控；企業(yè)內(nèi)部信息溝通效率差，影響信息的高效溝通與反饋；由于企業(yè)人才缺乏，不滿足內(nèi)審人員的素質(zhì)要求，導(dǎo)致內(nèi)部監(jiān)督薄弱[53]。

孫勝英[21]在研究不同溫度下DWTT 試件斷口形貌的特征時(shí)，以X80 管線鋼為試件，并對(duì)其異常斷口的原因加以分析。結(jié)果顯示，在剪切面積為85%時(shí)的溫度區(qū)間處常出現(xiàn)異常斷口，錘擊側(cè)面厚度方向應(yīng)變?cè)龃?，且端口有分層現(xiàn)象（圖4）。黃少波等[12]通過(guò)預(yù)拉伸和沖擊試驗(yàn)等分析了預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)X90 管線鋼組織和性能的影響。試驗(yàn)顯示，當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，組織晶粒變大，導(dǎo)致位錯(cuò)塞積，使管線鋼的屈強(qiáng)比增加，隨之沖擊吸收功、延伸率減小，通過(guò)對(duì)組織形貌分析可以觀察到斷口組織的韌窩也隨之變小，并觀察到組織析出第二相粒子的現(xiàn)象。

圖4 C-B 鋼錘擊側(cè)表面隨時(shí)間變化的典型照片F(xiàn)ig.4 Typical pictures of C-B steel lateral surface after hammering change over time

許曉峰等[22]采用劃分圓形網(wǎng)格和高速攝影的方法，研究了塑性應(yīng)變對(duì)DWTT 中使用各種不同微觀結(jié)構(gòu)鋼時(shí)發(fā)生異常斷裂的影響，分析其應(yīng)變規(guī)律。如圖5 所示，可以觀察到真應(yīng)變、塑性應(yīng)變當(dāng)量和時(shí)間的變化關(guān)系，從而可以得出，應(yīng)變大致可分為彎曲拉伸區(qū)、彎曲壓縮區(qū)和落錘沖擊區(qū)這三個(gè)區(qū)域。落錘沖擊所引起的塑性應(yīng)變偏低，而彎曲應(yīng)變產(chǎn)生的塑性應(yīng)變高，這是因?yàn)楫?dāng)彎曲應(yīng)變高于臨界等效塑性應(yīng)變時(shí)，材料產(chǎn)生異常斷裂時(shí)彎曲應(yīng)變產(chǎn)生的塑性是主要因素。

2.2.5 對(duì)疲勞壽命的影響

預(yù)拉伸應(yīng)變對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，會(huì)使材料疲勞損傷程度變大，疲勞壽命縮短。陳美寶等[23]總結(jié)提出了預(yù)應(yīng)變和X60 管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系公式，即

從上述公式可以看出，預(yù)拉伸變形提高了裂紋擴(kuò)展速率，降低了疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，從而使管線的疲勞抗力降低，嚴(yán)重影響到其疲勞壽命。

TRIBE 等[24]分析了機(jī)械損傷和管道疲勞壽命之間的影響關(guān)系，認(rèn)為金屬試樣在受拉伸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生頸縮，在塑性應(yīng)變—斷裂時(shí)，頸縮處因?yàn)榘瑠A雜物以及第二相質(zhì)點(diǎn)與基體材料存在彈性和塑性的差別，從而導(dǎo)致顯微空洞產(chǎn)生。最開(kāi)始空洞小且獨(dú)立存在，當(dāng)塑性應(yīng)變變大時(shí)，空洞也會(huì)隨之變大、聚集和相互連通，從而使材料發(fā)生斷裂，在顯微觀察中發(fā)現(xiàn)，材料表面存在許多微坑。

圖5 C-B 鋼真應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Rrue strain curves of C-B change over time

2.2.6 對(duì)X 系列管線鋼斷裂韌性的影響

對(duì)于不同系列管線鋼的斷裂韌性與預(yù)應(yīng)變的關(guān)系目前有很多研究。RICE 等[25]針對(duì)HY100 鋼初始裂紋尖端張開(kāi)位移，深入研究了拉伸和壓縮預(yù)應(yīng)變對(duì)其產(chǎn)生的影響。El-FADALY 等[26]分析了拉伸、壓縮預(yù)應(yīng)變對(duì)卻貝V 型切口沖擊能量的影響作用，還分析了壓縮預(yù)應(yīng)變和阻力曲線之間的具體關(guān)系。MIYATA 等[27]則主要研究拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)J-R和Ji曲線產(chǎn)生的影響。HUTCHINSON 等[28]以X65、X60 和X42 管線鋼為試驗(yàn)對(duì)象，分析并總結(jié)了拉伸、壓縮不同預(yù)應(yīng)變對(duì)材料卻貝V 型切口沖擊能量、裂紋尖端張開(kāi)位移和疲勞裂紋擴(kuò)展的作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)材料拉伸和壓縮預(yù)應(yīng)變的絕對(duì)值增加時(shí)，臨界裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）會(huì)減小，這主要取決于基體材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。

夏琳燕等[29]以Al-3.7Cu-1.6Mg 合金板材為研究對(duì)象，先進(jìn)行固溶-淬火處理，再進(jìn)行不同應(yīng)變量的預(yù)拉伸處理，最后放置在自然環(huán)境中，通過(guò)檢測(cè)合金的顯微組織、室溫拉伸性能、斷裂韌性及硬度來(lái)觀察預(yù)應(yīng)變對(duì)合金斷口形貌影響，并分析斷裂機(jī)理（圖6）。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)變量增大可使合金的斷裂韌性減小。

圖6 不同預(yù)應(yīng)變量的Al-3.7Cu-1.6Mg 合金斷裂韌性測(cè)試的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of Al-3.7Cu-1.6Mg alloy fracture toughness test in different pre-deformation

3 結(jié)束語(yǔ)

油氣輸送管線在社會(huì)發(fā)展中起著重要的作用，由于在輸送過(guò)程中，管線內(nèi)部存在波動(dòng)壓力而產(chǎn)生機(jī)械損傷和預(yù)應(yīng)變，這會(huì)使輸送管線局部塑性應(yīng)變?cè)龃?，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，還會(huì)使其屈強(qiáng)比增大，從而造成輸送管線疲勞壽命降低，甚至產(chǎn)生失效和泄漏。

針對(duì)預(yù)應(yīng)變引發(fā)的管線鋼組織及性能變化的研究表明，預(yù)應(yīng)變可以誘發(fā)位錯(cuò)增值而產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，從而形成強(qiáng)化過(guò)程。特別是針狀鐵素體管線鋼，由于此種組織中存在位錯(cuò)過(guò)多，同時(shí)還存在細(xì)小的晶粒析出相，在應(yīng)變過(guò)程中組織和微結(jié)構(gòu)特別是位錯(cuò)組態(tài)變化和缺陷的分布對(duì)管線鋼宏觀力學(xué)性能具有顯著的影響。

綜上所述，采用模擬的方法來(lái)研究預(yù)應(yīng)變條件下服役環(huán)境中的管線鋼，可以有效得出材料由于機(jī)械損傷所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變，以及預(yù)應(yīng)變對(duì)微觀結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的力學(xué)響應(yīng)，從而可以更好地將管線鋼的預(yù)應(yīng)變控制在合理的范圍內(nèi)，在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，使管線鋼的安全性能得到極大的提高，這對(duì)于西氣東輸工程和我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要且深遠(yuǎn)的意義。