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您现在的位置:外径为1 422 mm的X80钢管材技术条件制订中的几个关键问题
2.1 化学成分
自“ 西气东输” 二线管道工程开始, 我国X80管线钢的生产和应用越来越多, 随着钢铁冶金技术的进步, 为了降低生产成本, 国内各钢铁企业根据自身的特点, 开发出了多种合金体系的管线钢, 不同钢铁企业生产的管线钢化学成分差别很大, 甚至同一企业在不同阶段生产的管线钢的化学成分也有很大的差异[8]。这种化学成分的较大差异, 会降低焊接工艺和焊材的适用性, 缩小现场焊接的工艺窗口, 增加管线焊接的难度, 造成焊缝力学性能波动加剧, 从而给管道的服役安全带来隐患, 对于壁厚超过20 mm的X80管线钢, 这一问题尤为突出。为了解决这一难题, 在中俄东线天然气管道工程用外径为1 422 mm的X80管材技术条件制订过程中, 对化学成分指标进行了大量的试验研究工作, 目标就是限定中俄东线天然气管道工程用管线钢的化学成分波动范围, 制订经济、科学的化学成分指标, 从而稳定管线钢质量和现场焊接工艺窗口。
2.1.1 碳、锰、铌
化学成分对管线钢的显微组织、力学性能和焊接性能有着重要的影响。通过研究, 决定外径为1 422 mm X80管线钢采用低C、Mn的成分设计, 并加入适量的Mo、Ni、Nb、V、Ti、Cu、Cr等元素。炼钢时钢材应采用吹氧转炉或电炉冶炼, 并进行炉外精炼, 并采用热机械控轧工艺(TMCP)生产, 最终管线钢的晶粒尺寸达到10级以上, 从而保证生产出具有良好的强韧性、塑性和焊接性的管线钢。
对“ 西气东输” 二线等天然气管道工程用X80钢管的化学成分及焊接结果进行研究分析发现, 管线钢中C、Mn、Nb的剧烈波动(图1~图3), 对焊接性能影响具有较大的影响。
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图1 X80钢管的C含量分布统计图
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图2 X80钢管的Mn含量分布统计图
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图3 X80钢管的Nb含量分布统计图
在管线钢中C是增加钢强度的有效元素, 但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响[9]。降低C含量可以改善管线钢的韧脆, 转变温度和焊接性, 但C含量过低则需要加入更多的其他合金元素来提高管线钢的强度, 使冶炼成本提高[10]。综合考虑经济和技术因素, C含量应控制在0.05%~0.07%。
为保证管线钢中低的C含量, 避免引起其强度损失, 需要在管线钢中加入适量的合金元素, 如Mn、Nb、Mo等。Mn的加入引起固溶强化, 从而提高管线钢的强度。Mn在提高强度的同时, 还可以提高钢的韧性, 但有研究表明Mn含量过高会加大控轧钢板的中心偏析, 对管线钢的焊接性能造成不利影响[11]。因此, 根据板厚和强度的不同要求, 管线钢中锰的加入量一般是1.1%~2.0%。Nb是管线钢中不可缺少的微合金元素, 能通过晶粒细化、沉淀析出强化作用改善钢的强韧性。但有研究表明Nb对阻止焊接热影响区晶粒长大和改善热影响区韧性并不十分有效, 这是因为在焊接峰值温度下, Nb的碳、氮化物的热稳定性尚有不足[11]。较低的Nb含量, 在焊接热循环过程中不能有效抑制热影响区奥氏体晶粒长大, 最终导致相变时产生大尺寸的块状M/A和粒状贝氏体产物, 使韧性恶化。过高的Nb含量, 在焊接热循环过程中会导致较大尺寸的沉淀析出, 同时使晶粒均匀性恶化, 也会损害热影响区韧性[12, 13]。研究结果表明, Nb的加入量一般控制在0.03%~0.075%比较合理。
通过大量实验研究、工业试制分析和专家组研讨, 认为外径为1 422 mm、X80管线钢的Mn含量最高不宜大于1.85%, Nb的含量应控制在0.04%~0.08%之间。图4、图5给出了按最新技术条件工业试制的外径为1 422 mmX80钢管的环焊缝及热影响区在-10 ℃下的CVN值, 可以看出其合格率超过97%。
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图4 外径为1 422 mmX80钢管环焊缝的CVN分布图
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图5 外径为1 422 mmX80钢管热影响区的CVN分布图
2.1.2 其他合金元素
Ti是强的固N元素, 在管线钢中可形成细小的高温稳定TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍再加热时奥氏体晶粒长大, 有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度, 同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。研究表明 Ti/N的化学计量比为3.42左右, 利用含量为0.02%左右的Ti就可以固定钢中含量为0.006%的N。管线钢中的N含量一般不超过0.008%。因此技术条件中Ti的含量规定控制在0.025%以下。
Cr、Mo是扩大γ 相区, 推迟α 相变时先析铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素, 对控制相变组织起重要作用, 在一定的冷却条件和终止轧制温度下超低碳管线钢中加入0.15%~0.35%的Mo和低于0.35%的Cr就可获得明显的针状铁素体及贝氏体组织, 通过组织的相变强化提高钢的强度。
Cu、Ni可通过固溶强化作用提高钢的强度, 同时Cu还可以改善钢的耐蚀性, Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性, 且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降。一般管线钢中铜含量低于0.30%, 镍含量低于0.5%。
为了更好地稳定产品的理化性能, 保证钢管具有良好的现场焊接性, 结合国内管线钢生产中合金元素的实际控制能力, 外径为1 422 mmX80钢管材技术条件根据钢管类型对C、Mn、Nb、Cr、Mo和Ni的含量进行了约定。通过试验研究, 并组织冶金和焊接专家讨论协商, 确定管线钢中C的含量目标值为0.060%, Mn的目标值为1.75%, Nb的目标值为0.06%。直缝钢管中Ni目标值为0.20%, 必须加入适量的Mo, 且含量应大于0.08%。螺旋缝钢管中Cr、Ni、Mo的目标值均为0.20%。考虑到生产控制偏差、检测误差及经济性, 外径为1 422 mm X80钢管材技术条件中规定C含量不大于0.070%, Mn含量不大于1.80%。直缝钢管Nb的含量范围为0.04%~0.08%, Mo的含量范围为0.08%~0.30%, Ni的含量范围为0.10%~0.30%; 螺旋缝钢管中Nb的含量范围为0.05%~0.08%, Cr的含量范围为0.15%~0.30%, Mo的含量范围为0.12%~0.27%, Ni的含量范围为0.15%~0.25%。表2给出了外径为1 422 mmX80钢管材技术条件确定的化学成分含量要求。

表2 外径为1 422 mm X80钢管的化学成分要求表
2.2 止裂韧性
API SPEC 5L:2012和ISO 3183:2012中规定的4种止裂韧性计算方法中, 只有对BTC计算结果进行修正的方法适用于12 MPa、外径为1 422 mmX80钢管道的止裂韧性计算[14], 其中修正系数的确定来源于X80钢管道全尺寸爆破试验数据库。目前国际上通用的全尺寸爆破试验数据库如上篇霍春勇文章中的图6所示, 由此确定的中俄东线管道工程止裂韧性修正方法为TGRC2, 修正系数为1.46。
中俄东线的天然气组成如表3所示, 按照中俄东线实际工况管径为1 422 mm、壁厚为21.4 mm、输送压力为12 MPa、运行温度为0 ℃进行止裂韧性计算。用BTC方法计算其止裂韧性结果为167.97 J, 按1.46倍修正后止裂韧性为245 J, 结果如表4所示。表4中还给出了Leis-2、Eiber、Wilkowski等方法的修正结果。

表3 中俄东线计算用气质组成表

表4 中俄东线止裂韧性计算结果表
由于现有的全尺寸气体爆破实验数据库无法覆盖中俄东线天然气管线X80钢级、1 422 mm外径、12 MPa压力下输送富气的设计参数要求。因此, 2015年12月在中国石油管道断裂控制试验场, 针对中俄东线天然气管道具体的设计参数和服役条件, 对外径为1 422 mmX80钢管的延性断裂止裂指标进行了全尺寸爆破试验验证。结果表明, 采用BTC方法计算, 并用TGRC2方法进行修正后的外径为1 422 mm的X80钢管止裂韧性指标为245 J是安全和经济的。
2.3 非金属夹杂物
近年来, 许多管道工程使用的高钢级管线钢均在金相检测过程中发现了超尺寸大型夹杂物。管线钢中大型夹杂物的存在会对其力学、焊接和耐腐蚀等性能产生不利影响, 进而给油气输送管道的安全运营带来很大的工程风险。为了有效降低管线钢中大型夹杂物的存在给管道输送系统带来的风险, 石油管工程技术研究院李炎华[15]等, 针对高钢级管线钢中大型夹杂物的特性进行了大量的研究工作, 进而为高钢级管线钢中大型夹杂物级别判定标准的制订提供了依据。
目前, 国内管线钢夹杂物评判通常采用ASTM E 45-2005:Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel和GB/T 10561— 2005《钢中非金属夹杂含量的测定标准评级图显微检验法》。ASTM E45-2005将夹杂物按形态和分布分为4类, 即A(硫化物类)、B(氧化铝类)、C(硅酸盐类)和D(球状氧化物类); 而GB/T 10561-2005将夹杂物分为5类, 即除上述4种外, 还增加了DS(单颗粒球类)。
李炎华等从大型夹杂物在高钢级管线钢冶炼过程中的运动规律角度进行了分析, 认为对于形态呈单颗粒球状的DS类夹杂物的厚度应当控制在50 μ m以下, 对于形态比小于3 的B 类夹杂物, 其厚度应当控制在33 μ m 以下, 即如果按照标准GB/T 10561— 2005对管线钢中的大型夹杂物进行评定, DS类夹杂物评级应该在2.5级(53 μ m)以下。中俄东线天然气管道工程用外径为1 422 mm的X80钢管材技术条件采用了这一研究成果, 在非金属夹杂物级别验收极限中, 定义了超标大型夹杂物的概念, 并给出了验收和复验标准, 如表5所示。

表5 外径为1 422 mmX80钢管材技术条件中的非金属夹杂物级别限定表
2.4 力学性能试样取样位置
“ 西气东输” 二线建成以来, 油气管道工程用螺旋缝埋弧焊钢管的管径均小于1 219 mm, 为了取样方面, 热轧板卷技术条件中力学性能取样位置均要求与板卷轧制方向成30° 取样。取样角度与板宽和钢管管径的关系, 如式(1)所示。
sinα =B/(π D) (1)
式中α 表示螺旋角, (° ); B表示板宽, mm; π 表示圆周率; D表示钢管直径, mm。
按目前主流热轧板卷产品宽度1 500~1 600 mm计算, 对于管径1 219 mm的螺旋缝埋弧焊管, 热轧板卷的取样角度为23.1° ~24.7° , 对于管径1 422 mm的螺旋缝埋弧焊管, 热轧板卷的取样角度为19.6° ~21° 。因此对于外径1 422 mm的螺旋缝埋弧焊管, 与板卷轧制方向成20° 取力学性能样, 更符合实际情况。
图6、图7给出了实际生产的热轧板卷20° 、30° 位置的力学性能对比图。可以看出与轧制方向夹角20° 位置的屈服强度、抗拉强度、DWTT剪切面积高于30° 位置, 若按与轧制方向成30° 位置取样, 容易低估热轧板卷的力学性能, 造成不必要的浪费。因此在中俄东线天然管道工程用热轧板卷技术条件中力学性能的检测取样位置更改为与轧制方向成20° 位置。
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图6 热轧板卷20° 、30° 位置的拉伸性能图
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图7 热轧板卷20° 、30° 位置的DWTT性能图
3 外径为1 422 mmX80钢级大口径钢管的开发