對于螺旋焊管管道基于應變設計的考慮因素

孫　宏　編譯

(中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司　河北　青縣　062658)

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·經驗交流·

對于螺旋焊管管道基于應變設計的考慮因素

孫宏編譯

(中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司河北青縣062658)

對于鋪設于易于發生塑性變形地區的管道可以采用基于應變的設計方法。在這種情況下，不僅要考慮鋼管的強度和韌性性能，鋼管和焊縫金屬的應變能力也變得至關重要。當采用基于應變的設計方法時，使用螺旋焊管的主要挑戰是螺旋焊縫和材料的各向異性。為此，研究了高強度、高韌性螺旋焊管的拉伸應變能力和容許缺陷。主要包括螺旋管生產過程中不同階段及成型角等對鋼管力學性能的影響。研究發現，成型角決定鋼管的各向異性。焊管生產過程中的機械變形階段(成型、擴徑)、受熱過程(焊接及熱涂敷)等會顯著影響鋼管的局部或整體的強度、韌性及塑性性能。

螺旋焊管道；基于應變設計；軸向應變能力；成型角

0　引　言

對于鋪設在凍土、地震及滑坡等地域的管道，由于這些極端的負荷條件，管道可能承受超出鋼的彈性范圍的大變形量。因此管道設計不僅要考慮管道和焊縫金屬的強度和韌性，還要考慮其軸向應變能力。在這些情況下應該應用基于應變的設計方法。根據項目的具體工況，允許設計應變可在2%～4%之間。

一條管道基本是由多根鋼管通過環縫焊接連接的。當發生整體位移時，不利的情況是在環焊縫區域發生塑性變形。因為管道的環焊縫出現焊接缺陷的可能性，所以管道的環焊縫屬于關鍵區域。當環焊縫具備足夠的應變能力時，管道就能夠在變形超出鋼的彈性范圍的情況下不發生失效，從而保證管道的結構完整性?；趹兊脑O計方法的管道項目通常采用UOE工藝制造的鋼管，其關鍵工藝如圖1所示。管線鋼管的另一種生產工藝是螺旋焊工藝，即螺旋成型與隨后的埋弧焊，如圖2所示。

圖1　UOE鋼管制造的主要工序

圖2　螺旋管成型過程的基本原理

出于經濟效益原因，使用螺旋管的愿望持續提高。但是，一個主要疑慮就是螺旋焊管是否適合于基于應變設計的相關項目。螺旋焊管的生產過程更靈活且安裝成本低，所以經濟效益顯著。本研究評估了影響螺旋焊管應變能力的各主要因素。

大口徑螺旋焊管已被成功地用于石油和天然氣管道項目幾十年。管道運營商對螺旋管的評價通常都是正面的。目前認為螺旋鋼管不如UOE鋼管主要還是因為某些螺旋鋼管廠的產品質量較差，或者是由于缺乏管道運行經驗。

對于螺旋焊管管道在基于許用應力和/或基于應變的設計項目的使用和設計，除了拉伸應變能力還應考慮其他因素。基于數個研究小組的工作可以得出以下結論：如果考慮現場冷彎、屈曲抗力、止裂、韌性撕裂、爆破試驗等因素，螺旋鋼管能夠與UOE鋼管相當或更好。

1　螺旋焊管成型

1.1制管鋼板的生產

石油和天然氣管道通常采用高屈服強度的API X60及更高鋼級。因為屈服強度越高，管道能承受的內部壓力也越大，同時，對于高強度鋼還可以通過減小壁厚來降低鋼管的重量，從而降低管道的成本。為獲得足夠的可焊性和韌性的高鋼級管線鋼，通常采用TMCP工藝，TMCP工藝自身會造成板材的各向異性。各向異性主要表現在屈服強度、韌性及塑性。與軋制方向垂直的方向屈服強度最高，而與軋制方向平行的方向塑性和韌性最高。每個角度的數據取決于具體的工藝參數(如冷卻速率、冷卻溫度及板坯加熱溫度等)。板材的最低的屈服強度通常是軋制方向30°方向。API X70級管線鋼屈服強度的各向異性[管體橫向(TPA)對應30°方向]能夠達到100 MPa。一般認為晶粒形態和織構造成了屈服強度的各向異性，采用更高的板坯加熱溫度和/或終止軋制溫度可以降低屈服強度的各向異性。

1.2螺旋焊管的成型特點

根據圖2，螺旋焊管制管鋼板的寬度B、成型角α和最終的平均直徑D具有如下關系，見式(1)及圖3。工業化生產的螺旋焊管直徑最大可達1 500 mm，壁厚25 mm，成型角從15°到50°。螺旋焊管不進行冷擴徑就可以實現窄幾何公差和很高的橢圓度精度。

(1)

圖3　不同板寬的成型角與鋼管直徑之間的關系

2　螺旋焊管的力學性能

2.1力學性能的各向異性

如前所述，材料的各向異性源于鋼的制造過程。制管后，各向異性方向則與鋼管的軸向成一定角度，與成型角有關?？梢栽谥乒茕摪迳险业綄摴軝M向(TPA)和鋼管縱向(LPA)方向的方向，分別稱為TPAeq和LPAeq，如圖4所示。

圖4　板卷軋制方向與鋼管縱向和鋼管橫向之間的關系

根據式(1)和圖4可以發現如下關系。

TPAeq=RD+α

LPAeq=RD+(α-90°)

(2)

式中：RD為軋制方向；α為成型角。

以上所述意味著材料的特性主要取決于板材。圖5給出了分別對應鋼管橫向(TPA)和鋼管縱向(LPA)方向的板卷的TPAeq和LPAeq方向各向異性。然而鋼管制造過程中的塑性變形和加熱能夠改變最終的應力-應變行為。

板卷以成型角α制成鋼管的過程會導致提高鋼管環向方向的定向加工硬化和位錯密度。加工硬化的效果取決于鋼管的壁厚與管徑比。由于螺旋焊管的硬化效應，鋼管縱向方向的屈服強度會更高，這會導致相比鋼管環向方向具有更高的塑性變形抗力。

圖5　與軋制方向成各個角度的應力-應變曲線

要使之最具代表性，應該考慮整個生產過程。從板卷到鋼管的前三個步驟是影響力學性能的主要因素。緊隨其后的是水壓試驗，以確保足夠的強度及無泄漏。最后的涂層過程使鋼管經受一次熱循環。當比較制管鋼板與鋼管環向的強度性能時，發現了不同趨勢。根據筆者目前所了解的知識，這些趨勢的影響因素主要包括：試樣的幾何形狀、試樣準備過程中的加工硬化、熱處理、殘余應力和包辛格效應等。需要進一步研究制造過程及其對力學性能的影響。

例如，Collins等根據數根螺旋鋼管的試驗結果發現，對于鋼管環向方向采用圓棒試樣測得的屈服強度更高些。在鋼管的成型工程中，少量的冷變形會提高鋼管的平均屈服強度大約20 MPa。進行水壓試驗時，當理論產生的環向應力相當于規定最小屈服強度100%時，發現鋼管的平均屈服強度提高約20～40 MPa。最后的熱循環工序又將屈服強度提高約40～80 MPa。對于全壁厚壓平板狀試樣的情況，根據從B級到X80鋼級螺旋焊管工業生產數據庫試驗結果，Thibaux等發現了較大差異的結果。Collins等根據壓平板狀試樣也發現了類似的趨勢。

對于基于應變的設計，希望最大強度方向是環向方向(TPA)，而最大塑性方向為縱向方向(LPA)，這些是UOE鋼管的本質特征，但是由于螺旋管的成型角度和制管鋼板的各向異性所以對螺旋管不一定具備。UOE鋼管和螺旋管的屈服強度(YS)的縱向橫向比和抗拉強度(UTS)的縱向橫向比見表1。

表1　UOE鋼管和螺旋管的屈服強度和抗拉強度特性比較

Bian等根據六根鋼管的研究發現，螺旋焊管和UOE鋼管均表現出良好的加工硬化。螺旋管生產過程中水壓試驗的冷作硬化可用于提高屈服強度，這與UOE鋼管的擴徑方式類似。UOE鋼管橫向的屈服強度和抗拉強度高于縱向方向。螺旋管的橫向強度指標低于縱向。更高的環向方向強度對于實現UOE鋼管環焊縫的縱向強度過匹配具有優勢。

2.2材料特性

鋼管屈服強度和抗拉強度的評估應包括母材、焊縫及其熱影響區(HAZ)。強度的測試包括以下試樣方式：(1)小直徑圓棒拉伸試樣；(2)全壁厚板狀拉伸試樣，環向方向試樣需要壓平，這會引起一定量的冷作硬化和可能的包辛格效應；(3)脹環試驗方法，使用一個長度約100～150 mm的管段，能夠代表整個鋼管厚度并且沒有冷壓平過程。

鋼管縱向方向拉伸試驗通常采用全壁厚試樣。鋼管環向方向屈服強度和抗拉強度的準確測試則采用脹環試樣。因為脹環試驗裝置比較復雜，可以選擇替代方法，采用圓棒試樣確定屈服強度、全壁厚試樣確定抗拉強度。

在設計過程中，應考慮焊縫區的幾何形狀和熱影響區性能。除了焊縫幾何形狀，硬度和熱影響區軟化對基于應變設計也非常關鍵。焊縫的縱向性能可以通過缺口拉伸試樣確定。圖6給出了典型的X80鋼級螺旋焊管焊縫斷面的硬度分布。距內表面和外表面1 mm處比較類似，焊縫金屬硬度值與母材相匹配。熱影響區軟化率大約為10%。壁厚中心焊縫的硬度低于內表面和外表面。該結果符合預期，原因就是二次焊道會造成額外的熱輸入。

圖6　螺旋焊縫的橫截面及其對應的硬度分布

焊接時幾乎不可避免會產生殘余應力，這是局部焊接熱輸入及其相關局部變形造成的。對于直縫焊管(UOE鋼管)，殘余應力按環向方向對稱分布。因為螺旋焊管的焊縫成一定角度，其殘余應力為非軸對稱分布。殘余應力可以通過環切法評估。試樣為150 mm長的管段。通過測量回彈、張開或軸向位移得出是否存在殘余拉伸和/或壓縮應力及其位置。

3　結　論

當基于應變設計的考慮因素應用于螺旋焊管時，應特別注意鋼管的軸向應變能力。這種應變能力不僅受

到制管鋼板力學性能的各向異性的影響，顯然還必須考慮后續制造過程中(成型、焊接、水壓試驗和涂層工序)的機械變形和熱處理的影響。需要開展進一步的研究以完全理解每個因素的影響和焊縫缺陷對鋼管局部和整體變形能力的影響。

編譯自K.Van Minnebruggen, W.De Waele, R. Denys,etc. Strain based design considerations for spiral welded pipelines[J].Sustainable Construction and Design Journal, 2012,3 (1).

Strain Based Design Considerations for Spiral Welded Pipelines Edited and Translated by

SUN Hong

(NorthChinaPetroleumSteelPipeCompanyofCNPCBohaiEquipmentManufacturingCo.Ltd.,Qingxian，Hebei062658，China)

Pipelines that are constructed in hostile environments where the occurrence of imposed plastic deformations can necessitate a strain based design approach. Under such conditions not only the strength and toughness properties have to be considered; also the strain capacity of pipe and weld metal become crucial. Considering the use of spirally welded linepipe sections when using strain based design approach, the helical seam weld and anisotropic material properties pose real challenges. In our work, the tensile strain capacity and defect tolerance of high strength, high toughness spiral pipes will be investigated. This paper briefly discusses the different steps in the spiral pipe manufacturing process and their influence on the mechanical properties of the pipe. The results show that the forming angle is a key parameter. Each mechanical operation (forming, expansion) and each thermal operation (welding, coating) will affect local or global strength, toughness and ductility properties of the pipe metal.

spiral linepipe; strain based design; axial straining capacity; forming angle

孫宏,男，1974年生，高級工程師，1995年畢業于四川聯合大學鑄造專業，工程碩士，從事石油輸送鋼管材料與試驗技術工作。E-mail：sunhong1974@sina.com

TE973

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2096-0077(2016)04-0091-03

2016-03-02編輯：葛明君)