X80管线钢与氢环境相容性试验研究

针对在高压气相氢环境下开展的X80管线钢慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验,分析了不同氢分压对X80管线钢力学性能、疲劳性能及断口形貌的影响规律。研究结果表明,氢分压是影响材料氢脆和疲劳性能的重要因素,随着氢分压的增加,X80管线钢的氢脆敏感性显著增大,缺口疲劳试样的疲劳循环次数显著降低,断口韧窝间出现典型的具有小平面和撕裂棱的准解理特征脆性断裂形貌,疲劳裂纹扩展速率急剧增加,增加了管道失效风险。研究结果可为高强度输送掺氢天然气管道工程临界评估提供参考。     

西气东输一、二线管道工程的几项重大技术进步

提高管线钢强度级别和管道输送压力是天然气输送管道的发展趋势,是输气管道技术进步的重要标志。近年来,我国管道企业和相关科研院所联合攻关,取得了一批关键技术成果,使西气东输(为便于区别,以下称为西气东输一线)和西气东输二线等国家重点管道工程的设计压力和钢管强度级别达到或领先于同时期的国际水平。这些成果包括:①研制了X70、X80钢级高性能管线钢及焊管、管件;②突破国际上螺旋缝埋弧焊管的使用禁区,确立了具有中国特色的"大口径高压输送主干线螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管联合使用"的技术路线;③在国内首次研究了高压输气管道动态断裂与止裂问题,分别采用Battelle简化公式和Battelle双曲线法预测了西气东输一线和西气东输二线等管道延性断裂的止裂韧性;④在国内首次研究了油气管道基于应变的设计方法,解决了该设计方法及抗大变形管线钢管在强震区和活动断层管段应用的技术难题;⑤研究解决了高强度焊管的腐蚀控制和应变时效控制技术等。上述成果对降低输气管道建设成本、保障管道运行安全具有重要意义。     

宝钢试制成功X120管线钢

目前世界上最高强度等级的X120管线钢在宝钢试制成功。至此，宝钢成为全球第四家实现X120管线钢试生产的企业。 随着近年来天然气使用量的不断增加，输气管线的发展速度已经超过输送石油等液体管线的速度。由于天然气田大多集中在荒漠、极地冻土带以及海洋等边远地区，对管线钢的可靠性和经济性提出了更高要求。管道用钢的强度越高，壁厚和直径可在不影响输气安全的前提下相应减小，大大节约了长距离天然气输送管线的用钢量，还可使施工费用、焊接材料等综合成本下降。因此，近二三十年来，现代管线钢不断向超高强度方向发展，X120是迄今为止等级最高的管线钢。目前，国际上只有日本新日铁、住友和欧洲钢管有过生产实绩。     

2016—2017年以来我国焊管产业的运行情况及技术进步

回顾了2016—2017年我国焊管行业的产业形势,主要表现为:焊管产量停滞不前、产能过剩与市场需求的矛盾更加突出、焊管出口呈现低位持平和下降趋势。重点介绍了2016年以来我国管道行业的重大技术进步,包括焊管信息化和自动化的进展,管线钢DWTT剪切面积和屈强比控制技术的进展,以及输气管道断裂控制、输气管道设计系数提高、X80钢级Ф1 422 mm管道应用、X90超高强度管线钢管开发等第三代大输量天然气管道关键技术研究取得的进步。最后指出,我国焊管发展经过多年高速增长后已进入平台期,但油气输送管道仍有较大发展空间,随着中俄原油管线、陕京天然气四线、中俄天然气管道东线等长输管线建设逐步恢复,焊管市场形势将会逐步好转。     

高性能输送管线钢(续)

鉴于管道工业将面临建设输送原油、成品油、粉煤浆、天然气等多种形式管线的高潮,对输送管线用钢发展前沿问题,如根据应变设计(strain design)原则在地质状况不稳定地区或深海管线用高抗变形管线钢;输送粉煤浆管线用抗冲蚀(anti-erosion)管线钢;长距离输送天然气管线用X100/X120级管线钢;能够大幅度提高厚壁管线钢管环焊热影响区韧性的含氧化钛质点管线钢;用于X100/X120级管线钢的新型高强度焊接材料以及防止高压输气管线发展延性断裂等问题做了综合论述.     

高性能输送管线钢

鉴于管道工业将面临建设输送原油、成品油、粉煤浆、天然气等多种形式管线的高潮,对输送管线用钢发展前沿问题,如根据应变设计(strain design)原则在地质状况不稳定地区或深海建设管线用高抗变形管线钢;建设输送粉煤浆管线用抗冲蚀(anti-erosion)管线钢;建设长距离输送天然气管线用X100/X120级管线钢;能够大幅度提高厚壁管线钢管环焊热影响区韧性的含氧化钛质点管线钢;用于X100/X120级管线钢的新型高强度焊接材料以及防止高压输气管线发展延性断裂等问题做了综合论述.     

形变与残余应力对管线钢氢致开裂行为的影响

为探讨管线钢服役过程中和性能检验时引入的塑性变形及残余应力对钢的氢致开裂(HIC)敏感性行为的影响,选用低强度的X52钢和高强度的X80钢进行了试验研究,探讨了力学因素和焊接组织对管线钢的HIC敏感参数测试结果的影响,并利用电子探针分析了成分偏析对HIC成因的影响。结果表明,管线钢的HIC敏感性与显微组织、化学成分偏析及应力状态有密切的联系;钢的形变和残余应力状态对其HIC敏感性的影响依赖于钢的固有HIC敏感性大小,钢的固有HIC敏感性愈高,形变和残余应力的影响愈为显著;从钢管上直接取样进行HIC试验评价更能揭示管线钢固有的HIC敏感行为,采用机械展平法制备试样进行HIC敏感性检验则可能会引起误判后果,尤其是对于小口径管线钢。     

长距离输气管线用X120级钢管的研究(续一)

X120级高强度管线钢的发展为天然气生产商提供了将长距离输气管线总造价降低5%～15%的机会,进而可降低向市场输送天然气的价格.成本降低来源于多个方面,包括材料、施工、(气体)压缩以及与综合设计方案结合所带来的节约.介绍了X120钢级发展方案的概况,包括大规模的试验和环缝焊接,同时讨论了X120级管线钢实际应用的方案,在这些方案中管道承压较高,管径较小,最终工程总造价可节约5%～15%.     

长距离输气管线用X120级钢管的研究

X120级高强度管线钢的发展为天然气生产商提供了将长距离输气管线总造价降低5%～15%的机会,进而可降低向市场输送天然气的价格.成本降低来源于多个方面,包括材料、施工、(气体)压缩以及与综合设计方案结合所带来的节约.介绍了X120钢级发展方案的概况,包括大规模的试验和环缝焊接,同时讨论了X120级管线钢实际应用的方案,在这些方案中管道承压较高,管径较小,最终工程总造价可节约5%～15%.     

国内外高钢级管线钢的发展及应用

长输油气管道正在向大口径、高压力的方向发展,为满足这一要求,高钢级管线钢的应用逐渐成为油气管道建设的发展趋势。目前陆上天然气管道已经发展到X80钢级,国内外对更高钢级X100、X120的研究也取得了新的进展。本文系统整理并介绍了国内外X80、X100、X120等三种高钢级管线钢的开发、生产及应用现状,并展望了它们的发展方向。     

X80钢焊接热影响区脆化软化现象热模拟试验研究

为了研究X80管线钢焊接热影响区(HAZ)组织及力学性能随冷却速度和焊接线能量的变化规律,采用热模拟试验的方法,对特定化学成分和原始金相组织的26.4 mm厚X80管线钢进行了热模拟试验。试验结果表明:通过采用加速冷却或高熔敷率低线能量焊接工艺,可以适当提高热影响区冷却速度,达到细化热影响区晶粒、改善或消除热影响区脆化软化的目的,有效改善了X80管线钢热影响区强韧匹配,提高了产品合格率。     

管线钢的裂纹生长预测新模型

氢脆是影响管线钢寿命最严重的破坏机理之一。传统的裂纹生长预测模型没有考虑pH值和温度等环境因素的影响,且只能考虑应力强度较大的加载循环对裂纹生长的影响,忽视了小周期加载的作用。笔者基于氢促进解离（HEDE）和氢增强局部塑性（HELP）两种主流理论,采用氢扩散的动力学模型,建立了一种新的裂纹生长预测模型,并将该模型应用于裂纹生长的预测及小周期对裂纹生长的影响的量化。研究结果表明,建立的裂纹生长模型综合考虑了氢势能、扩散系数、裂纹尖端附近的静水应力和临界加载频率等因素对管线钢裂纹扩展速率的影响,预测值与实验值吻合。利用模型可以将微观裂纹分为惰性、激活、快速增长3个状态,便于管道维护和安全评测;模型将环境因素引入管线钢寿命预测,增强了预测的普适性和准确性;并量化了油气输送中普遍存在的小周期加载对管道裂纹扩展速率的影响。     

X70管线钢管环焊接头氢脆敏感性研究

针对X70管线钢管环焊接头进行12 MPa总压、0.36 MPa氢分压下的缺口拉伸试验,研究焊接接头的氢脆敏感性变化,并结合断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验对其的断裂韧性和裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,热影响区位置的断面收缩率下降较明显,表现出较高的氢脆敏感性;与常温常压空气中的原始数据相比,X70钢热影响区在0.36 MPa氢分压环境下的裂纹尖端张开位移（CTOD）值下降了9.6%,断裂表面未出现二次裂纹;X70钢热影响区的疲劳裂纹扩展速率与空气环境相比增加了一个数量级,说明氢气能够增大材料的疲劳裂纹扩展速率,但根据实际管道压力波动情况,在0.36 MPa氢分压条件下X70钢管的氢脆敏感性较小。     

高强度管线钢焊接性影响因素分析

为了使X80～X120高强度管线钢焊接时获得高强韧性焊接接头,避免产生冷裂纹及热影响区脆化、软化等各种缺陷,针对高强度管线钢的焊接性影响因素进行了分析论述,包括冷裂纹产生的原因及影响因素、管线钢的HAZ软化及脆化影响因素等。重点对管线钢的焊缝与管材的强韧匹配以及管线钢焊接工艺进行了分析研究。研究结果表明,高强度管线钢焊接时,应依据等韧性原则来选用接头的匹配,选择合适的预热温度、含氢量较小的焊接材料、合理的焊接热输入,保证焊接接头具有足够的韧性,满足实际需要。同时针对冷裂纹及热影响区脆化、软化等各种缺陷提出了合理的控制措施。     

全球能源变换及管线钢的发展趋势

简要分析了全球能源变换的趋势,指出21世纪人类所用的能源主要有核聚变能源和天然气水合物两大类。分析了我国目前的能源现状,指出我国的天然气资源较石油资源更为丰富。天然气主要采用管道输送,为高效经济地输送天然气资源,开发高强度X80,X100和X120级管线钢十分必要。目前,发达国家已先后建成多条X80级输气管线和若干条X120级输气管线试验段。我国也于2006年试制成功X120钢级、16mm钢板,并试制出合格的直缝埋弧焊钢管。预计在2010~2015年,X80,X100和X120级管线钢管将会广泛应用于输气管线。     

TMCP工艺对X70管线钢在酸性环境中织构和抗氢脆性能的影响

为研究热机械轧制（TMCP）工艺对X70管线钢抗氢脆性能的影响,采用两种不同的TMCP工艺参数改变钢的组织和织构,并通过电化学充氢和氢渗透试验,研究了织构和微观结构对X70管线钢抗氢致开裂（HIC）性能的影响。结果表明,TMCP并没有改变钢板的物相,不同TMCP参数的钢板均由针状铁素体、多边形铁素体及少量珠光体组成,且大多分布在晶界周围;增加氢浓度会使位错周围产生氢气氛并锁定位错,使改变塑性变形所需的应力增大,导致硬化。研究表明,冷却速率能够影响晶粒尺寸,冷却速度越高,晶粒尺寸越小,较多的精轧道次和较快的冷却速率会增加钢中可逆陷阱的数量,促使发生HIC。     

大输量天然气管道工程用特厚壁X80M热轧板卷的开发

针对中俄东线等大输量天然气管道工程用X80钢级螺旋埋弧焊管对热轧板卷提出的技术要求,介绍了武汉钢铁有限公司21.4 mm特厚壁X80M热轧板卷的成分工艺设计,统计分析了批量生产X80M热轧板卷的化学成分、力学性能、低温韧性和显微组织,以及钢管的低温韧性。结果表明:武汉钢铁有限公司为中俄东线天然气管道工程开发的螺旋埋弧焊管用21.4 mm特厚壁X80热轧板卷组织为细小均匀的针状铁素体+弥散分布的M/A岛,低温韧性优异,各项理化性能全部满足管道工程技术标准要求。     

高强度X80钢管道的焊接

管道钢是一种微合金控轧钢,随着石油天然气需求的增长及油气开发的进展,管道钢正朝着高强度、高韧性的趋势发展。高强度、长距离、大口径管道已经成为输气管道的发展方向。文章分析了高强度X80钢管道的热影响区的软化、焊缝金属与母材的匹配及产生焊接裂纹的可能性,介绍了管道环缝焊接工艺,还列举了国外X80钢管道的焊接工程实例。     

X80管线钢电化学充氢后的断裂特性研究

采用3点弯曲试样,研究了X80管线钢在0.5mol/L H2SO4溶液中,经不同电流密度充氢后的断裂特性。结果表明:X80管线钢在0.5mol/L H2SO4溶液中充氢时,材料中可扩散氢的质量分数随电流密度增大而增加。以小于12.5mA/cm2的电流密度充氢时,X80管线钢的断裂韧性随电流密度的增大而增加,当电流密度大于该值时,材料的断裂韧性随电流密度增加呈下降趋势。断口分析表明:电化学充氢试件断口仍以韧窝为主要特征,但与未充氢试件相比,韧窝的尺寸变小、变浅,且数量增多,韧窝的分布也接近均匀。