大應變管線鋼和鋼管的關鍵技術進展及展望

馮耀榮 吉玲康 陳宏遠 姜金星 王 旭 任 毅張對紅 牛 輝 柏明卓 李少坡

1. 石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室·中國石油集團石油管工程技術研究院 2. 南京鋼鐵股份有限公司3. 中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司 4. 鞍鋼股份有限公司 5. 中石油管道有限責任公司6. 寶雞石油鋼管有限責任公司 7. 寶山鋼鐵股份有限公司 8. 首鋼集團有限公司

0 引言

為了滿足我國國民經濟發展對清潔能源日益增長的需求，推進“一帶一路”倡議建設，迫切需要建設高壓大輸量油氣長輸管線，實現“西氣（油）東輸”“北氣南（油）運”“陸氣（油）出海”“海氣（油）登陸”。我國幅員遼闊，地質地貌復雜，大口徑高壓油氣長輸管道必然要經過大量地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區、沉陷帶等復雜工況區。對于這種復雜工況管道，必須采用基于應變的極限狀態設計方法代替傳統的許用應力設計方法。這就對大應變管線鋼管提出了巨大的需求。

大應變管線鋼管是在保證鋼管高強度和高韌性的同時具有低的屈強比（Rt0.5/Rm）、高的均勻塑性變形延伸率（以下簡稱均勻延伸率，UEL）、高的形變硬化指數（n）和高的臨界屈曲應變能力（εave）的新型鋼管，適用于通過滑坡帶、地震斷裂帶、沉陷帶、礦山采空區等地質災害地區的管道，以防止由于內壓和軸向壓縮產生的大應變而引起管道屈曲、失穩和延性斷裂引發災難性事故[1-2]。然而，隨著油氣輸送管道向高壓大口徑和高強度方向發展，管線鋼和鋼管的主流鋼級已從過去的X52、X60發展到X70和X80，其屈強比已從過去的0.80增加至0.90～0.93或以上，過高的屈強比限制了管線鋼和鋼管的極限塑性變形能力，從而對管道的安全服役造成嚴重影響[3]。因此，發展具有較低屈強比和良好塑性變形能力的大應變管線鋼和鋼管已成為管道安全服役、特別是應變控制工況下安全服役的必然要求。大應變管線鋼和鋼管的關鍵技術難點是既要滿足強度要求，又要滿足韌性要求，同時還要具有在復雜工況下的良好塑性和大應變能力。而這些性能要求往往相互矛盾，如何兼顧是國際上面臨的重大難題。這就需要建立大應變管線鋼和鋼管的技術指標體系和標準，系統研究揭示管線鋼和鋼管化學成分、組織結構、性能和服役性能、生產制造工藝之間的內在聯系和影響規律，研發大應變管線鋼和鋼管生產制造及配套技術。

以我國油氣戰略通道中緬油氣管線（以下簡稱中緬管線）和西氣東輸三線為例，設計壓力介于10～12 MPa，全線采用X70/X80管線鋼管，管徑介于813～1 219 mm，是國內地質地貌條件最為復雜的管線，為保證中緬管線、西氣東輸管線等重大輸氣管道工程順利建成和安全運行，亟待開展X70HD/X80HD大應變管線鋼管研發及應用關鍵技術攻關。大應變管線鋼管的概念首先由日本JFE公司提出[4-5]，并研制和生產了X65鋼級產品在俄羅斯薩哈林管線上應用。隨后日本新日鐵和JFE公司又研發了X70和X80大應變鋼管，在中緬管線和西氣東輸二線工程中應用。

國內X70/X80大應變管線鋼和鋼管基本上與日本同步研發，依托國家科技支撐計劃課題“X80管材規范關鍵技術研究”、中國石油天然氣集團有限公司“特殊地區管道建設關鍵技術研究”等多個重大科技項目，經過十余年的研究攻關，形成X70HD/X80HD大應變管線鋼管及應用關鍵技術[6-9]，國產X70HD/X80HD大應變管線鋼和鋼管在中緬管線和西氣東輸管道工程中實現了規模化應用，從根本上解決了中緬管線、西氣東輸管線等重大工程地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區、沉陷帶等復雜工況管道建設和安全運行關鍵技術難題。為此，及時總結我國大應變管線鋼和鋼管研發和應用的理論與技術成果及經驗，對于進一步發展大應變管線鋼和鋼管及應用關鍵技術、提升管道設計和管道建設水平、保障管道長期安全運行等都具有重要的意義。

1 大應變管線鋼管變形行為表征、評價、預測、控制技術

采用激光測量技術獲得鋼管精確形狀，運用數字化逆向建模技術，引入鋼管材料實際本構方程，對鋼管內壓+彎曲條件下的屈曲行為進行精確仿真（圖1），形成鋼管屈曲應變容量數值模擬技術[10-14]。

提出了用材料應力比（Rt5.0/Rt1.0、Rt2.0/Rt1.0、Rt1.5/Rt0.5）代替形變硬化指數（n）作為評價管線鋼管應變行為的重要指標，揭示了材料應力比與鋼管2D長度平均應變的相關性（圖2），發明了用應力比確定鋼管屈曲應變能力的方法[15-19]。

提出大應變管線鋼管技術指標體系（表1），用多個不同的應力比、屈強比、UEL等參數聯合表征和評價鋼管的變形行為（圖3），可全面控制大應變管線鋼管的質量和性能水平。制訂了大應變管線鋼管技術條件和標準，被美國石油學會（API）采納作為標準附錄發布[15-20]。

2 X70HD/X80HD大應變鋼板制造技術

為保證X70HD/X80HD大應變管線鋼強度、塑性、韌性、可焊性、應變時效性能等要求，在成分設計方面，選用了低碳或超低碳含量，加入了Mn、Mo、Cr、Cu、Ni、Nb、Ti等元素，控制N含量，嚴格控制S、P、O2、H2等有害物的含量，采用Al、Si全脫氧，通過Ca處理控制夾雜物形狀[21-24]。典型化學成分見表2。

圖1 外形精確測量和數字化逆向建模、數值仿真計算圖

圖2 應力比與鋼管2D長度平均應變的關系圖

表1 X70HD/X80HD大應變鋼管關鍵技術指標要求表

應用了“多邊形鐵素體+貝氏體”雙相組織設計，其中貝氏體（硬相）保障了管線鋼必要的強度，鐵素體（軟相）保障了管線鋼足夠的塑性。系統研究揭示了塊狀鐵素體體積分數對管線鋼強度、屈強比、應力比、UEL等指標的影響規律。當塊狀鐵素體為50%～75%時，可以實現X70HD/X80HD管線鋼的強度、塑性和韌性的合理匹配。控制晶粒尺寸3～6 μm，通過軟硬相復合組織合理匹配，保證了鋼板的屈強比不大于0.75、UEL不小于11%、高應力比和高強韌性（表3、圖4～6）[21-22,25-29]。

發明了用熱軋方法來制備X70HD/X80HD大應變管線鋼的工藝技術（圖7），突破了針狀鐵素體型X70/X80管線鋼的制造工藝和JFE貝氏體+M/A大應變管線鋼制造工藝，可以對“多邊形鐵素體+貝氏體”雙相組織和性能進行精準調控[21-22,25-29]。

圖3 應力比聯合控制鋼管變形行為圖

表3 不同鐵素體含量管線鋼板力學性能表

圖4 鐵素體含量對管線鋼性能的影響圖

圖5 管線鋼X80HD與X80應力ü應變曲線對比圖

圖6 管線鋼X80HD與X80顯微組織比較圖

圖7 管線鋼X70HD/X80HD與X70/X80工藝對比圖

3 X70HD/X80HD大應變管線鋼管制造技術

揭示了鐵素體+貝氏體鋼板在擴徑及制管成型過程中各項關鍵力學性能的變化規律及其相關性，規范了鋼板強度、應力比、韌性及塑性等指標要求（圖8、9）[21-22,30-33]。

研發了大應變鋼管JCOE和UOE專有成型、擴徑等關鍵工藝技術，優化了擴徑率及成型步數（表4）。[21-22,30-33]。

揭示了多絲共熔池埋弧焊接過程焊接接頭溫度場及熱循環過程，掌握了焊接熱輸入對“鐵素體+貝氏體”雙相管線鋼焊接接頭組織性能的影響規律（圖10），發明了高強韌匹配焊接材料，自主研發了多絲埋弧焊接技術，解決了鐵素體+貝氏體雙相鋼焊接熱影響區易脆化的突出問題，熱影響區性能及焊縫100%達標[33-35]。

圖8 屈服強度、均勻延伸率和與擴徑率的關系圖

圖9 屈服強度Rt0.5與UEL和應力比的關系圖

表4 管線鋼X70HD/X80HD與普通X70/X80典型制管工藝參數對比表

明確了熱涂覆溫度對鋼管應變時效的影響規律，優選出涂覆材料，形成了大應變鋼管熱涂覆工藝技術，使熱涂覆溫度由230 ℃降至200 ℃，有效控制了熱涂覆過程鋼管UEL的下降和屈服強度的升高[10-11,22-23,32-35]。

圖10 焊接熱輸入、峰值溫度對X70大應變鋼管焊接接頭抗拉強度和熱影響區沖擊功的影響圖

4 大口徑管線鋼管變形行為實物模擬試驗裝置及試驗技術

自主研發了具有靈活性和準確性、可進行多規格鋼管變形行為試驗的實物鋼管內壓+彎曲試驗系統（圖11-a）[36]。可更換的法蘭盤連接試驗鋼管，可以使實物內壓+彎曲變形試驗系統能進行外徑介于508～1 219 mm的鋼管實物試驗（圖11-b）；可拆卸式承載框架模塊，可以使實物內壓+彎曲變形試驗系統進行長度6～12 m的鋼管實物試驗（圖11-c）；2自由度軸承式水平支撐結構，可以有效降低實物內壓+彎曲變形試驗系統阻力，提高試驗精度（圖11-d）；試驗管中部2D長度橫截面轉角測量裝置，可以獲得臥式實物試驗中的試驗管特定部位的橫截面轉角；鋼管管端轉角測量裝置，可以有效測量試驗鋼管管端的彎曲變形試驗結果。研究形成了管線鋼管變形能力試驗評價技術及標準[37]。實現了對管徑介于508～1 219 mm、壁厚不大于26.4 mm、長度介于6～10 m的管材進行服役性能的實物試驗評價。

圖11 全尺寸內壓+彎曲變形試驗裝置圖

5 大應變管線鋼和鋼管在我國重大管道工程中的應用

X70/X80大應變管線鋼和鋼管及應用關鍵技術的突破，顯著提高了我國高鋼級管線鋼管的生產技術和產品質量水平，為地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區、沉陷帶等復雜工況基于應變設計地區管道失效控制與安全保障提供了系統配套的技術。2011年，在中緬油氣管道建設過程中，為克服通過9度區、5條活動斷裂帶以及地質災害易發地段等可能發生地面位移區段內管道的大應變難題，采用基于應變的設計方法，首次在上述地段應用了國產X70HD的D1 016 mmh17.5 mm（壁厚，下同）大應變鋼管115.0 km，D1 016 mmh21 mm大應變鋼管5.0 km，D813 mmh14.7 mm大應變鋼管10.5 km，D813 mmh17.2 mm大應變鋼管7.5 km，合計59 126 t。由南京鋼鐵股份有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、中國首鋼集團秦皇島首秦金屬材料有限公司、沙鋼股份有限公司、湘潭鋼鐵集團有限公司等供應鋼板，中國石油集團渤海石油裝備有限公司、寶雞石油鋼管有限責任公司生產鋼管，保障了中緬油氣管道建設質量，并節省由于繞避上述地段引起的工程投資的增加。

2012年，在西氣東輸三線東段工程設計中，首次在基于應變設計地區應用了國產X80HD的D1 219 mmh26.4 mm大應變鋼管3.9 km，由鞍鋼股份有限公司等供應鋼板、中國石油渤海石油裝備有限公司生產鋼管，實現了大應變鋼管的國產化應用。2017年，在陜京四線天然氣管道的建設中，應用國產X80HD的D1 219 mmh26.4 mm大應變管線鋼管約5 000 t，長度3.5 km，由鞍鋼股份有限公司等供應鋼板、中國石油集團渤海石油裝備有限公司和寶雞石油鋼管有限責任公司生產鋼管，保障了陜京四線輸氣管道工程質量。

6 總結與展望

我國大應變管線鋼和鋼管及應用關鍵技術取得了重大突破，建立了大應變管線鋼管變形行為表征/評價/預測/控制技術、技術指標體系及標準，自主研發了X70HD/X80HD大應變鋼板和鋼管制造成套技術，建立了大口徑管線鋼管變形行為實物模擬試驗裝置及試驗評價技術，為基于應變設計地區大應變管線鋼管的進一步發展奠定了堅實基礎。

近年來，復雜工況油氣管道失效事故時有發生，原因涉及多個方面。應進一步應用并發展復雜地形地貌條件下基于應變的管道設計新方法，除采取必要的工程措施外，進一步優化大應變管線鋼管成分設計和制造工藝、完善對組織性能的綜合調控，持續完善大應變管線鋼管技術與標準體系，加大與基于應變設計環焊縫強匹配要求相適應的焊接方法、焊接材料、焊接工藝、環焊縫性能質量及缺陷控制等配套技術攻關力度，開展管道環焊縫性能質量和服役性能評價，完善管道環焊縫性能質量指標體系，以實現對復雜工況油氣管道失效的有效控制。

致謝：中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司陳小偉、中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司劉雪光等參加了本文編寫工作，特此致謝!