基于斷裂力學的X80管線鋼最低允許使用溫度的確定

桂樂樂，商學欣，劉 凱，壽比南

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

近年來，以X80鋼為代表的高鋼級管道事故頻發，且很多都呈現一個共性——脆性斷裂，引起了廣泛關注。導致材料韌性降低的因素主要有：低溫、高拘束度和高應變率，其中低溫脆斷可通過最低允許使用溫度(MAT)的確定來規避。當前，關于X80的MAT只在GB/T 20801—2020《壓力管道規范 工業管道》中有規定[1]。雖然GB/T 20801.2—2020在材料最低使用溫度的確定上部分參考了ASME B31.3中的沖擊豁免曲線Fig.323.2.2A(只參考了曲線A和B，其中，曲線B開頭從-29 ℃改成-20 ℃)，但在X42及以上級別管線鋼的最低使用溫度上依舊規定為-30 ℃(ASME B31.3把正火態以及淬火加回火態X系列管線鋼列入曲線B，其他熱處理態則列入曲線A)。這種基于使用經驗的“一刀切”做法，與歐美規范中綜合考慮了溫度、應力、厚度、缺陷和熱處理狀態等因素的沖擊豁免曲線相比，顯然后者更加科學與嚴謹[1-4]。本文基于某天然氣管道事故調查中的X80鋼母材沖擊試驗數據，借鑒ASME Ⅷ-Ⅱ的低溫防脆斷設計理念，結合我國管線鋼的相關規范和標準，推導X80鋼的沖擊豁免曲線，為其MAT的確定提供參考依據[5-10]。

1 X80鋼韌脆轉變溫度確定

體心立方結構的鐵素體鋼存在韌脆轉變現象。大量沖擊試驗結果表明，材料的沖擊吸收能量、纖維斷面率、側向膨脹量與溫度之間的關系曲線均呈現S形(部分研究認為側向膨脹量與溫度關系曲線呈Г形)[11]。

表1 X80母材轉變溫度統計

描述材料的韌脆轉變曲線的函數主要有Boltzmann函數、雙曲正切函數、Weibull函數、Polynomial函數等，其中，Boltzmann函數因其相關系數高、殘差小、參數物理含義明確(4個參數分別表示韌脆轉變曲線的上、下平臺，韌脆轉變溫度和轉變區的1/4寬)、適應性強等特點而被廣泛應用。本文通過對不同成型工藝包括直縫管、螺旋管、熱煨彎管在內的X80鋼母材進行系列沖擊試驗，分別基于纖維斷面率、沖擊吸收能量和側膨脹量三種參量，采用四參數Boltzmann函數對系列沖擊試驗數據進行擬合，獲得X80母材3種韌脆轉變溫度：能量轉變溫度、斷口形貌轉變溫度和側膨脹值轉變溫度。圖1示出螺旋管母材(橫向)韌脆轉變曲線，擬合結果見表1。

2 基于API 579-1/ASME FFS-1的防脆斷理念

早期的ASME Ⅷ-Ⅰ采用基于使用經驗的轉變溫度法，并以-30 ℃作為低溫界限。我國相關規范除在低溫容器的界定溫度值以及沖擊吸收能量合格值上略有不同外，總體上和ASME Ⅷ-Ⅰ的理念一致。1989年，ASME Ⅷ-Ⅰ引入了以線彈性斷裂力學為基礎的分析方法，通過沖擊豁免曲線、沖擊吸收能量要求曲線以及低應力狀態TD降低值三類曲線來確定最低設計金屬溫度(MDMT)。ASME B31.3中的Fig.323.2.2A以及GB/T 20801—2020和GB 50316—2000《工業金屬管道設計規范》中的最低允許使用溫度曲線均來源于ASME Ⅷ-Ⅰ中的沖擊豁免曲線UCS-66(見圖2)。ASME Ⅷ-Ⅱ則采用API 579-1/ASME FFS-1中應力強度因子和裂紋驅動力的參考解，以及利用FAD失效評定圖對殘余應力進行彈塑性修正等最新的斷裂力學原理對ASME Ⅷ-Ⅰ中的沖擊豁免曲線進行更正和升級[5]。

2.1 缺陷和參考應力假設

本研究采用和API 579-1/ASME FFS-1一致的帶橢圓形表面裂紋的管道模型(見圖3)：

(1)

c/a=3

(2)

2.2 材料斷裂韌性要求

基于FAD的斷裂力學方法的韌性比計算如下:

(3)

斷裂準則采用了API 579-1/ASME FFS-1,Part 9中的FAD圖，具體形式如下：

(4)

聯立式(3)(4)，得到下式：

(5)

(6)

(7)

(8)

式(8)中厚度范圍為0.001 in(0.025 4 mm)≤t≤4 in(101.6 mm)。

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，公式(12)中厚度范圍為：0.001 in(0.025 4 mm)≤t≤4 in(101.6 mm)。

2.3 沖擊吸收能量與斷裂韌性的MPC模型

ASME規范豁免曲線的推導采用了美國材料性能委員會(MPC)推薦的斷裂韌性與溫度關系模型。該模型基于兩點假設：(1)材料強度不隨溫度變化而改變；(2)斷裂韌性只與溫度、屈服強度有關，給定溫度下斷裂韌性與屈服強度成正比。該模型有如下形式:

(13)

值得注意的是，該模型使用的韌性參量是動態斷裂韌性。T0為參考溫度，C為韌脆轉變區半寬，統一設為66 ℉(36.7 ℃)。

2.4 沖擊豁免曲線推導

將式(13)變形，就得到ASME Ⅷ-Ⅱ中的豁免曲線方程：

(14)

3 X80鋼沖擊豁免曲線的推導及分析

由上述分析可知，推導沖擊豁免曲線的關鍵在于參考溫度T0的確定。本文對比了6組X80鋼母材系列沖擊數據單獨擬合以及合并擬合的曲線相關性，發現單獨擬合的相關系數明顯高于合并擬合的相關系數。因此，本研究取6組單獨擬合能量轉變溫度值的95%置信區間上限作為T0。這里，T0=-47 ℃，遠低于ASME Ⅷ-Ⅱ中D曲線的-11.1 ℃。ASME Ⅷ-Ⅱ在沖擊豁免曲線推導中將A,B,C,D四組材料曲線的屈服強度統一設為80 ksi(550 MPa)，正好等于X80鋼的屈服強度下限，因此本文中屈服強度也取550 MPa。ASME Ⅷ-Ⅱ的沖擊豁免曲線中MDMT下界限設為-50 ℃或10.2 mm對應的MDMT值，兩者取較高值。本研究中，為滿足GB/T 34275—2017《壓力管道規范 長輸管道》中X80/L555鋼夏比沖擊韌性要求(線路用鋼管要求40 J，站場用鋼管要求90 J，站場用管件要求60 J)，本文選取6組X80鋼母材總體系列沖擊數據95%預測區間下限曲線上90，60，40 J對應的溫度T90J,95%(T90J,95%=-50 ℃，T60J,95%=-59 ℃，T40J,95%=-65 ℃)和10.2 mm對應的MDMT值兩者較高值作為X80線路用鋼管、站場用鋼管以及站場用管件MAT的下界限(見圖4)。依據上述假設推導的X80鋼最低允許使用溫度曲線如圖5所示。

GB/T 34275中表1給出了不同管型鋼管的推薦規格范圍，其中，SAWL態的X80/L555最大理論壁厚最大，達到40 mm。從圖5可以看到，33 mm 壁厚以下的X80鋼無論在何種熱處理狀態下，其MAT均低于-30 ℃，即意味著GB/T 20801—2020嚴重低估了X80鋼的低溫性能。只有當焊態X80鋼在壁厚介于34～40 mm時，其MAT才會高于-30 ℃。表2列出了X80鋼幾種典型板厚在不同熱處理狀態下的MAT值。

表2 X80鋼不同厚度的MAT值

GB/T 20801—2020考慮到低應力工況對防脆斷性能的改善，規定當碳鋼(包括碳錳鋼)滿足“低溫低應力工況”或“低溫降應力工況”時，免于沖擊試驗的最低使用溫度還可進一步降低。其中，符合“低溫降應力工況”時，最低使用溫度降低量為11 ℃，符合“低溫低應力工況”的GC2級管道最低使用溫度應不低于-104 ℃的要求[1]。而ASME Ⅷ-Ⅱ則給出了MDMT的溫度降低曲線，溫度降低量和Rts(實際應力與許用應力的比值)有關，等于許用應力下材料的最低設計金屬溫度TR(1)與實際應力水平下材料的最低設計金屬溫度TR(Rts)之間的差值，其中：0.24≤Rts≤1。

實際應力可表示為：

(15)

實際應力水平下最低設計金屬溫度為：

(16)

MDMT的溫度降低曲線則表示為：

ΔT(Rts)=TR(1)-TR(Rts)

(17)

需要注意的是，ASME Ⅷ-Ⅱ在溫度降低曲線推導中假設壁厚t=2 in(50.8 mm)，因此式(16)中溫度降低量變成應力比Rts的函數，而不是壁厚t。兩種熱處理狀態下的X80鋼最低使用溫度降低曲線見圖6。

4 結論

本文基于實測的X80鋼系列沖擊數據，采用四參數Boltzmann函數對系列沖擊數據進行擬合。借鑒ASME Ⅷ-Ⅱ的低溫防脆斷設計理念，結合我國X80鋼的實際工程經驗，推導出X80鋼的沖擊豁免曲線，得到如下結論。

(1)依據實測的X80鋼性能數據推導的最低允許使用溫度曲線遠低于ASME B31.3中的曲線B，也低于ASME Ⅷ-Ⅱ中的曲線D。

(2)只有當焊態X80鋼在壁厚超過34 mm時，其MAT值才會超過-30 ℃；在其他條件下，MAT值均會低于-30 ℃。相比之下，GB/T 20801在X80鋼最低使用溫度的規定上偏保守和簡單。

需要說明的是，本研究是以某天然氣管道事故調查中的X80鋼測試數據為基礎的，是對國產管線鋼最低允許使用溫度研究的一次初探。未來仍需收集大量的基礎數據，為管線鋼最低允許使用溫度相關標準的制修訂奠定基礎。