高钢级大壁厚管线钢管DWTT影响因素探讨

介绍了国内管线钢管生产中落锤撕裂试验(DWTT)常用的标准。对于大壁厚管线钢管的DWTT,可采用全壁厚试样和规定尺寸的减薄试样来进行。从韧脆转变温度、断口剪切面积评判方法和减薄试样加工方法几个方面探讨了高钢级大壁厚管线钢DWTT的影响因素。提出了建议:采用减薄试样DWTT时,应避开材料的韧脆转变温度进行试验;采用单面减薄和双面减薄试样DWTT时,应在标准中明确试样的加工方法;另外,应对不同钢级减薄试样降低相同温度的试验结果进行相应的系数修正。     

K60级管线钢低温断裂韧性分析

以俄罗斯管线工程中采用的K60级管线钢为研究对象,通过-15℃落锤撕裂试验和-40℃夏比冲击试验对钢板的低温断裂韧性进行了系统的统计和分析.试验结果表明,随着壁厚的增加,K60级管线钢夏比冲击韧性变化不大,DWTT性能严重下降.指出,在大壁厚管线钢钢板生产中应着重注意DWTT性能的稳定性.     

实体膨胀管膨胀过程几何参数变化试验研究

对139.7mm×7.72mm N80钢级实体膨胀管实物膨胀过程进行了试验研究。基于实体膨胀管实物评价试验平台,设计了试验方案和检测方法,对比分析了实体膨胀管膨胀前、后几何参数变化。结果表明:实体膨胀管经膨胀变形后其外径椭圆度变大,均匀性显著变差,壁厚均匀性变化受膨胀变形的影响并不显著。     

P110钢级Ф139.7mm×10.54mm高抗挤套管抗挤毁性能分析及挤毁强度预测

为了研究P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁位置几何参数对挤毁强度的影响,对套管抗挤毁强度进行准确预测,抽取不同批次试样9根,分别进行拉伸试验、残余应力检测和几何参数测量,并结合套管全尺寸挤毁试验结果,分析了影响该规格套管抗外压挤毁性能的主要因素及套管挤毁失效位置与几何缺陷的关系。此外,还对挤毁压力的理论/实际偏差与管体壁厚、壁厚不均度、管径、椭圆度及残余应力的关系进行了分析,拟合得出P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁强度更精准的预测公式。结果表明,在屈服强度相近、壁厚不均度在1.35%~9.21%、椭圆度小于0.56%的前提下,P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚对抗挤毁强度的影响程度远远大于管体外径、壁厚不均度和椭圆度的影响。     

螺旋埋弧焊管用X65级20.62mm热轧板卷的开发

介绍了螺旋埋弧焊管用X65级、壁厚20.62mm热轧板卷的制造方法及产品性能.研究表明,选用低C-Mn-Nb-V为基,适当添加Cu,Ni和Mo等元素,采取超纯净钢冶炼、控制轧制和轧后加速冷却工艺,开发的针状铁素体型X65级、壁厚20.62mm热轧板卷的各项理化性能优良,达到了输气管线技术条件要求.随着板卷厚度的增加, X65级钢的碳当量增加,DWTT断口剪切面积下降.X65级钢的组织为块状铁素体 针状铁素体 少量珠光体 少量M-A岛,随着厚度增加,块状铁素体和珠光体及M-A岛数量增加,且晶粒变大,组织不均匀性和带状组织更加明显,最终导致钢的强度和DWTT性能下降,韧脆转变温度升高.随着板卷厚度增加,异常断口越易出现,断口剪切面积判定难度加大.     

X80级管线钢管板状与圆棒试样屈服强度差异分析

分析了包辛格效应、形变硬化和脱碳层对管体屈服强度的影响.通过对18.4mm壁厚、X80级管线钢管板状试样和圆棒试样检测的屈服强度(Rt 0.5)的对比分析表明,采用板状试样更能真实地反映管线钢管管体的力学性能.为了保证管线钢管服役时的安全性能,应尽量以板状试样所测的数据结合静水压爆破试验结果作为评估钢管整体力学性能的参考依据.     

延缓大庆油田标准层套损的套管优选

大庆油田部分区域集中出现标准层套管剪切损坏,虽已采用标准层不固井工艺延缓套管损坏,但除此之外,套管壁厚、钢级等参数对标准层套管剪切损坏的临界条件也有影响。为此,考虑套管和地层弹塑性力学特征,针对标准层不固井的工程条件,应用考虑大变形后应力平衡状态的拉格朗日格式有限元方程,提出了地层整体移动剪切套管过程的三维有限元计算方法。考虑套管变形和套管断裂的2种失效条件,计算并对比不同壁厚和钢级套管失效的临界值。结果表明:考虑套管断裂的地层剪切套管临界滑移量明显小于考虑套管变形的临界滑移量;同规格、同钢级套管损坏的临界滑移量随套管壁厚增大呈线性减小,随其延伸率增大近似呈线性增大。因此,在满足强度校核的前提下,大庆油田标准层宜采用低钢级小壁厚套管以延缓套管损坏。      

高钢级管线管试样形状对拉伸试验结果的影响

对不同规格的高钢级大壁厚管线管在不同方向上的条形试样和圆棒试样的拉伸性能进行了试验分析研究,结果表明试样形状对拉伸试验结果有很大影响。对产生差异的原因做了进一步的探讨。最后在试验结果和分析讨论的基础上,对制定管线钢管产品标准(拉伸性能部分)时需要注意的几个方面做了说明,包括试样的形状和尺寸、试样的取样位置、试样的方向和标准中拉伸性能的规定等;建议对高钢级大壁厚管线管采用圆棒拉伸试样,同时对屈强比和延伸率进行适当调整。     

深海管线用X70厚壁管线钢的组织及性能分析

通过对深海管线服役工况的分析,总结了深海用管线钢的技术特点,表明高强度、大壁厚、小径厚比管线钢管是深海用管线钢管的发展趋向。通过采用低C高Mn,Nb和Ti微合金化的成分设计和TMCP工艺控制,开发出了深水用X70钢级、厚壁36.5 mm管线钢,其全壁厚组织以均匀细小的针状铁素体+少量M/A岛为主。对钢板进行了实物力学性能测试,测试结果显示:屈服强度480~550 MPa,屈强比≤0.82,-20℃下冲击功410 J以上,横向和纵向DWTT断口纤维率为100%,该深海管线用X70厚壁管线钢达到高强度、低屈强比、高韧性和优良低温抗动态撕裂能力的良好匹配。     

低温管线钢DWTT性能影响因素研究

DWTT性能是超低温服役管线钢管产品开发的关键技术难点之一。在实验室冶炼、轧制条件下,设计了5种不同成分的管线钢,分析研究了化学成分、卷取温度、冷却速度等因素对管线钢热轧板卷低温DWTT性能的影响。结果表明,w（C）=0.042%试验钢的DWTT性能显著优于w（C）=0.065%试验钢;添加Ni元素可有效提高试验钢的DWTT性能,并且添加Mo+Ni对珠光体的抑制作用优于添加Cr+Ni元素,可获得更好的DWTT性能;卷取温度从530 ℃降低至450 ℃,可有效细化显微组织,提高DWTT性能,效果比添加Ni元素明显;冷却速度从 18 ℃/s提高到28 ℃/s,亦可有效提高DWTT性能。基于研究结果,成功试制了Φ508 mm×11.13 mm规格的X56钢级低温服役HFW管线钢管,并表现出了优异、稳定的-45 ℃ DWTT性能。     

中国和俄罗斯管道壁厚计算方法差异研究

随着我国长输管道跨越式发展,中亚和俄罗斯成为海外油气战略重点地区。由于中俄标准技术水平差异,可能造成管道投资增加的问题。应通过中国和俄罗斯管道设计标准的差异性研究加以解决,特别是管道壁厚计算方法的差异性。中俄管道设计标准分别基于管道屈服强度和抗拉强度计算壁厚,俄罗斯标准能够反映X65钢及以上高钢级钢管材料特性的变化规律,考虑因素更全面,但壁厚计算值略大,二者差值在1.67~3.8 mm之间。中俄管道设计标准的应用建议是:钢管等级高于X65时,宜按照俄罗斯标准计算管道壁厚,以保证管道安全性,按照中国标准应考虑安全裕量;钢管等级低于X65时,宜按照中国标准计算管道壁厚,以节省管道投资成本。     

武钢X80级热轧厚板卷的试制与生产

介绍了武钢X80级热轧厚板卷的生产设备、生产工艺控制。分析了X80级钢的化学成分和金相组织。对X80级热轧板卷及用其所试制的螺旋埋弧焊管的拉伸、冷弯、硬度、系列温度冲击韧性、DWTT等性能进行了测试。结果表明，武钢采用控轧和强制加速冷却工艺生产的17．5mm和15、3mm厚X80级热轧板卷强韧性高，焊接性能良好；组织为针状铁素体加少量弥散分布的岛状组织，其性能和组织符合API 5L和中国石油天然气集团公司对X80级管线钢的标准要求，可满足X80钢级螺旋焊管的制管要求。     

试样减薄方式对落锤撕裂试验结果的影响

为了研究不同减薄方式对管线钢管落锤撕裂试验结果的影响,通过开展大量的落锤撕裂试验,得到不同壁厚试样的韧脆转变温度,并与SY/T 6476标准试验温度的降低量进行对比分析。结果显示,对于厚壁管线钢管,试样减薄方式对DWTT韧脆转变的影响十分显著,双面减薄试验的韧脆转变温度降低量与SY/T 6476—2017标准规定等效温度降低值基本一致,单面减薄试验的韧脆转变温度降低量明显大于标准规定的等效试验温度降低量。研究表明,按SY/T 6476—2017标准规定的温度降低量要求进行减薄试样落锤撕裂试验时,单面减薄的试验结果比双面减薄更偏于危险。建议当试验机能力无法满足需要而必须对试样进行减薄时,应采用双面减薄试样代替全壁厚试样;如果采用单面减薄试样进行试验时,则应比SY/T 6476—2017标准规定降低更多的温度。     

大直径超厚Φ1 422 mm×25.4 mm螺旋埋弧焊管开发

通过低碳高Nb＋Mo/Ni合金设计理念,采用粗轧低温快轧技术,成功开发出典型的针状铁素体型X80级Φ1 422 mm×25.4 mm大直径超厚螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板。在制管过程中采用低残余应力成型技术,结合适度增加水压压力,管体内表面和外表面环向应力都低于80 MPa,并通过试验确定了厚壁管材焊接过程中的最佳热输入线能量。对试制后的X80级Φ1 422 mm×25.4 mm螺旋埋弧焊管进行理化性能检测,结果显示,管体屈服强度为556～615 MPa,抗拉强度为648～655 MPa,焊接接头拉伸强度≥669 MPa,0 ℃下,母材、HAZ和焊缝夏比冲击性能都在150 J以上,母材DWTT剪切面积94%,且管体和焊接接头硬度最大值仅255HV10。检测结果表明,试制的X80级Φ1 422 mm×25.4 mm管材具有良好的力学性能,且理化性能全部符合API SPEC 5L标准要求。     

试样厚度及落锤试验方式对X70 DWTT性能影响的研究

为了研究试样厚度及落锤试验方式对X70 DWTT性能影响,分析了不同厚度DWTT试样在不同试验温度下剪切面积的变化规律,对比了落锤试验机和摆锤试验机两种不同试验方式下原壁厚及减薄试样剪切面积随温度的变化规律。结果表明:随着试样减薄,DWTT的韧脆转变温度也随之下降,而且对于评价合格有利;当试样厚度达到26 mm以上或18 mm以下时,厚度效应不十分明显,温度效应大于厚度效应;摆锤试验和落锤试验对于30 mm的原壁厚试样DWTT剪切面积无明显影响,但对于19 mm的减薄试样,摆锤试验的韧脆转变温度高于落锤试验,影响较为明显。     

抗延性断裂X80厚壁直缝埋弧焊管的研发

为了满足油气输送管道对钢管止裂韧性的要求,采用超低C、低S、低P、无Mo或少量Mo以及Ni-Cr-Cu-Nb为主的合金设计体系和控轧控冷技术,开发出抗延性断裂的X80钢级Φ1 219 mm×33 mm厚壁直缝埋弧焊管。按照标准对该产品进行了夏比冲击性能、DWTT性能检测。检测结果显示,钢管管体屈服强度为570~665 MPa,抗拉强度为640~746 MPa,焊接接头抗拉强度为655~740 MPa;-10 ℃条件下母材夏比冲击功平均值达380 J,焊缝夏比冲击功平均值达165 J,热影响区夏比冲击功平均值达283 J;0 ℃条件下全壁厚DWTT试样剪切面积平均值＞80%。各项性能试验结果表明,开发的钢管满足抗延性断裂的要求,同时具有优良的低温韧性。     

国产X80大直径厚壁螺旋埋弧焊管开发

为了进一步降低管道建设成本,采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti合金设计,开发出了以针状铁素体为主的X80级22 mm/21.4 mm厚壁热轧卷板;通过制管工艺优化和控制,开发出了X80级Φ1 219 mm×22 mm和X80级Φ1 422 mm×21.4 mm国产大直径、厚壁螺旋缝埋弧焊管。产品性能检测结果表明,管体屈服强度、抗拉强度、焊接接头拉伸强度以及管母、焊缝、HAZ冲击韧性、DWTT等指标均达到或超过西气东输三线和中俄东线技术条件要求和API 5L标准要求;钢管静水压爆破试验起爆点位于母材,爆破口呈100%韧断;环切法测得环向弹复量为-55~-220 mm,盲孔法测得环向残余应力为-179~264 MPa,与同规格、同钢级直缝管相当,具有较低的残余应力。产品经国家油气管材质量监督检验中心检测,并经管道局环焊试验,符合管道工程技术条件和API5L及相关标准要求。产品千吨级试制表明,国内具备工业化批量生产能力。     

OD1 422 mm X80钢管低温爆破试验研究

为了降低我国低温服役管材失效概率,掌握X80钢级管材低温性能,研究了一套低温爆破试验技术和方法,开发了低温爆破试验装置,在-5℃下开展了1次OD1422 mm X80钢管全尺寸低温爆破试验。通过试验得到了裂纹扩展速度和断口形貌,试验结果表明:在初始裂纹扩展速度达到200 m/s以上的情况下,该规格管材可依靠自身韧性将裂纹扩展速度降到100 m/s以下,实现低温止裂;同时试验钢管断口形貌与DWTT断口形貌相吻合,验证了DWTT试验方法的有效性。     

大壁厚高钢级管线钢DWTT断口分析

对不同缺口形式和不同厚度的大壁厚高钢级管线钢试样进行了落锤撕裂试验,并对断口形貌进行了研究。结果表明:API RP 5L3对无效试样的定义已经不适用于大壁厚高钢级管线钢;大壁厚高钢级管线钢的DWTT压制缺口试样出现异常断口的几率较大。建议在试验时尽量采用人字形缺口的全壁厚试样;对于大壁厚高钢级管线钢,不管何种缺口形式的落锤撕裂试样,其断口都容易出现分离现象。