管道结构安全性及剩余寿命评估

天津大学 硕士学位论文 管道结构安全性及剩余寿命评估 姓名：臧路明 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：杨新岐;甄学义 20070801 中文摘要 管道在服役过程中，除了外力破坏与腐蚀等外界因素外，材料本身性能的退 化和内部缺陷在服役载荷下的发展是决定材料剩余寿命的主要因素，也是对在役 管线进行评价与寿命预测的基础。本文通过对典型在役城市管线钢的组织和力学 性能进行大量试验检测与分析，研究长期服役后管线钢的组织和性能退化行为、 疲劳裂纹扩展行为。 对长期服役后管线钢的金相组织观察表明，材料组织并未发生明显退化。管 线钢焊接部位由于受热循环影响，热影响区组织粗大，焊缝处组织细小，夹杂较 多，长期服役后对管道整体安全影响更为明显。服役管线钢拉伸、冲击和硬度试 验分别表明，由于管线钢变形加工历程，环向屈服强度比纵向屈服强度高，虽然 两者仍符合设计要求，但这种各向异性对于服役安全保障及剩余强度评价仍有一 定影响。服役时问较长的管线钢，环焊缝受焊接质量影响，其2 0 。C 冲击功分散 性很大( 6 1 3 0 J ) ；部分结果甚至表明，螺旋焊缝的韧脆转变温度约为8 8 ，其 脆化较严重，已不符合管线运行要求。进一步研究发现，螺旋焊缝的韧脆转变温 度较其热影响区高，这与其组织对冲击韧性的影响相反，说明焊接质量是影响管 线钢冲击韧性的一个重要因素。材料硬度测量说明，受到热应变脆化，组织的硬 度升高，热影响区的硬度最大，与强度有明显对应关系，但韧性最差。时间对不 同管线钢的组织退化规律和力学性能脆化规律基本上一样。随着运行时间的增 长，材料的组织性能发生了变化，但是组织的退化发生在服役2 0 年以后，而性 能则在服役1 5 年之后发生了很多的脆化，而之后变化不大。 利用扫描电子显微镜研究了X 5 2 管线钢的疲劳裂纹扩展过程的断口表面形 貌，X 5 2 管线钢的疲劳裂纹扩展过程为预裂、疲劳裂纹稳定扩展和快速扩展。在 J 一 应力比R = 0 1 时，裂纹扩展速率二兰= 2 0 2 3 1 0 - 9 ( K ) 2 8 ，R = 0 6 时，裂纹扩 d ，v J 展速率竺= 3 9 2 1 1 0 - 9r a x ) 3 。1 鸽。 d N 在疲劳裂纹扩展速率试验的基础上，建立了一种新的含缺陷管道剩余寿命预 测方法，即单参数疲劳寿命预测方法，全面的考虑了管线运行过程中不同应力比 交替作用引起的破坏，能够很好的模拟天然气管道实际运行情况，精确预测管线 钢的剩余寿命。以X 5 2 管线钢为例，模拟实际运行情况( R = 0 1 和R = O 6 ) 进行了 剩余寿命预测，预测结果为5 7 年，综合考虑土壤、环境的情况，假设安全系数 为2 ，则安全运行年限为2 8 5 年。单参数疲劳寿命预测方法的预测结果可以为管 道检测周期的制定和维修决策提供科学依据。 关键词：管线钢，组织性能，疲劳裂纹扩展速率，剩余寿命预测 A B S T R A C T T ot h ea c t i v ep i p e l i n e ，n o to n l yo u t s i d ef o r c ed e s t r o ya n dc o r r o s i o nb u ta l s o m a t e r i a lp r o p e r t yd e g e n e r a c ya n di n s i d eb u ga r et h em a i nf a c t o r st h a td e t e r m i n et h e m a t e r i a l sr e m a i n i n gl i f e ，a n dt h e ya r ea l s ot h ee l e m e n t so fe v a l u a t i o na n dt h e r e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o n T h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fs e r v i n g - p i p e l i n es t e e l s w e r ei n v e s t i g a t e d ；am e t h o do fr e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o nb a s e do nf a t i g u ec r a c k g r o w t hr a t ew a sb u i l t T h em i c r o s t r u c t u r e so f s e r v i n g p i p e l i n e s t e e l sd on o ts h o w o b v i o u s l y d e g e n e r a t i o n B e c a u s eo ft h ee f f e c t so ft h e r m a lc y c l i n ga n dp h a s e - C h a n g er u l e s ， t h i c k e rg r a i n sw e r eo b s e r v e di nt h em i c r o s t r u c t u r e so fh e a t - a f f e c t e dz o n e s ( H A Z ) T h e g r a i ns i z e i nt h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n g - s e a mw a ss m a l l ，b u tm o r ei m p u r i t i e sw e r e f o u n d T h er e s u l t so ft e n s i l et e s t ，i m p a c tt e s ta n dh a r d n e s st e s to fs e r v i n g - p i p e l i n e s t e e l ss h o wt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w e r e a n i s o t r o p i c ，f o re x a m p l e ， c i r c u m f e r e n t i a la s i sh i g h e rt h a nl o n g i t u d i n a lc L B e c a u s eo ft h ee f f e c t so fw e l d i n g q u a l i t y , t h ei m p a c tt o u g h n e s sv a l u e so fc i r c u m f e r e n t i a lw e l d i n gd i s p e r s ef r o m13 0 Jt o 6 Ja t2 0 “ C S i n c et h e F A 7 7 “ o 5o fs p i r a ls e a mi s - 8 8 “ C ，w h i c hi sa l r e a d yi n c o n g r u e n t t ot h ed e m a n d so fo p e r a t i o n , t h ee m b r i t t l e m e n to fc e r t a i np i p e l i n es t e e l sa f t e rs e r v i n g f o rl o n gt i m ei ss e r i o u s l y n eF A 巩5o fs p i r a lw e l d i n gi sh i g h e rt h a nt h a to fH A Z ， w h i c hi sn o ta g r e ew i t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n di m p a c t t o u g h n e s s ， S Oi ti n d i c a t st h a tt h ew e l d i n gq u a l i t yi sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o rt oi m p a c t t o u g h n e s so fp i p e l i n es t e e l s B e c a u s eo ft h ee f f e c t so fh o ts t r a i n i n ge m b r i t t l e m e n t ，t h e h a r d n e s so fH A Zi sh i g h e rt h a nw e l d i n gs e a ma n dt h et o u g h n e s si sl o w e r T h e m i c r o s t r u c t u r ed e g e n e r a c yr e g u l a ra n dt h em a c h e n i cp r o p e r t ye m b r i t t l e m e n tr e g u l a ro f d i f f e r e n tp i p e l i n es t e e la r ea l m o s tt h es a m e A st h ea c t i v et i m ei si n c r e a s e ，t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f p i p e l i n es t e e l s a r ec h a n g e d ：t h em i c r o s t r u c t u r e d e g e n e r a c yo c c u r r e da t2 0 a , a n dp r o p e r t ye m b r i t t l e m e n to c c u r r e da t15 a , a R e rt h a t ，t h e c h a n g e sa r en o tc l e a r T h er e s u l t so fS E Ma n a l y s i sf o rt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t eo fX 5 2p i p e l i n e s t e e ls h o wt h a tt h em e c h a n i c so ff a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ew a s p r e s p l i t t i n g ，s t a b i l i z i n g g r o w t ha n dq u i c kg r o w t h W h e nt h es t r e s sr a t i oR = 0 1 ，t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t e 黑：2 0 2 3 1 0 。9 ( 斌) 2 删W h e n t h es t r e s sr a t i oR ：0 6 ，t h e f a t i g u ec r a c k a V g r 0 、灿r a t e 塑：3 9 2 1 1 0 9 ( A K ) 3 瑚。 删 K E YW O R D S ：p i p e l i n es t e e l ，m o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y ，d a t a b a s e ，F a t i g u e c r a c kg r o w t hr a t e ，r e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明蹶至交的学位论文是本人在导颊指导下进行的研究工俸和取得鹩 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过韵研究成果，也不包含为获得鑫盗墨茎或其德教育视鞫的学链 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中传了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作撇慨蟊1 柳飙协7 年孑月伸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞焘堂。有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部藏部分内容编入有关数据库进行检 索，并采臻影窜、缩印或搦摇等复制手段保存、汇编以供查阕和借阕。阉意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在勰密后适周本授权说镑) 学位论嫦魏诫谚嘲 签字基期：如夕年 月墨 翩签名：毒锣至际略 黼瓤呼 7 凳夕基 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 天然气是一种清洁高效的优质能源和化工原材料，它的开采和利用具有显著 的经济效益、社会效益和环境效益。随着我国天然气资源的进一步开发，天然气 行业面临着新的机遇和挑战1 1 】。2 1 世纪，我国天然气工业将进入一个以“西气东 输”为标志、天然气气源多元化、城市燃气趋向以天然气为主的大发展时期。我 国具有丰富的天然气资源，高达3 8 1 0 1 3 m 3 ，截至2 0 0 1 年底，已探明的天然气 储量为2 7 1 0 1 2 m 3 。不断增加的探明储量加上进E l 天然气，使大量分支管网的建 设成为现实需求。事实上，我国管道输送业第二次建设高潮已经来临f 2 】。 另一方面，近2 0 年以来，我国燃气事业有了长足的发展，对管网建设和安 全服役的需求不断增加。据1 9 9 4 年统计，城市燃气企业已达6 7 0 多家，年供气 量达4 4 5 1 亿m 3 ，发展用户数2 9 7 8 万户，城市用气人1 2 1 约l 亿，气化率为6 0 。 但与发达国家相比差距仍十分大。例如俄罗斯莫斯科市，是全世界范围内供气量 最大的城市之一，仅1 9 9 2 年一年，莫斯科市的天然气供给量就达2 9 0 亿m 3 。到 1 9 9 6 年，美国2 1 2 亿总人口中有1 8 3 亿人使用天然气【3 】。随着我国西气东输管 道工程的实施，城市使用天然气将会越来越普遍，天然气管道及配气管网的建设 也面临新的高潮。 随着管道的大量敷设和服役时间延长，管道事故时有发生。由于管道所输送 的物质一般为有害物质，一旦发生泄漏或断裂，会对周围环境和人员产生严重危 害。输气管道，尤其是高压输气管道，一旦破裂，压缩气体迅速膨胀，释放大量 能量，引起爆炸、火灾，会造成巨大的损失。例如，1 9 6 0 年美国T r a n s w e s t e m 公 司的一条X 5 6 钢级的、直径为7 6 2 毫米的输气管道破裂，破裂长度达1 3 公里。 1 9 8 9 年6 月苏联拉乌尔山隧道附近由于对天然气管道维护不当，造成天然气泄 漏，随后引起大爆炸，烧毁了两列铁路列车，死伤1 0 2 4 多人，成为1 9 8 9 年震惊 世界的灾难性事故。我国四川输气网迄今爆裂1 2 0 余次，最严重的一次事故造成 2 4 人伤亡【4 】。城市地下管线是城市发展的命脉，是城市主要的基础设施之一，由 于大量的管道运行在人口稠密地区，因此这些管道运行的安全可靠性问题便显得 尤为重要。 大量国内外管道失效事故分析表明，油气管道的失效模式主要包括腐蚀、断 第一章绪论 裂、变形三大类，其中断裂造成的失效后果最为严重。油气管道失效原因主要来 自三个方面，一是材料和焊接缺陷，二是内部输送介质和外部土壤对管道的腐蚀， 三是第三方破坏和地质灾害。 据报道，国外在1 9 7 0 1 9 9 0 年，腐蚀造成的事故占输气总事故的百分比为： 美国1 6 9 ，欧洲1 5 9 ，前苏联内壁腐蚀6 9 。据美国国家输送安全局统计， 美国4 5 管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和集气管线的泄漏 事故中，有7 4 是腐蚀造成的。1 9 8 1 “ “ 1 9 8 7 年前苏联输气管道事故统计表明， 总长约2 4 万公里的管线上曾发生事故1 2 1 0 次，其中外腐蚀5 1 7 次，占4 2 7 ； 内腐蚀2 9 次，占2 4 ；因施工质量问题而造成的事故2 8 0 次，占2 3 2 【4 1 。我 国的地下油气发生腐蚀穿孔的现象也是时有发生。我国四川天然气管道所发生的 事故中，内腐蚀占0 6 7 ，外腐蚀占1 3 5 5 。据报道，曾有一条天然气管道， 四年中由于管壁减薄而造成三次爆炸的严重事故，调查发现其管壁最大的腐蚀速 度达O 0 3 m m d ，在一般的积水管段，其腐蚀速度达l m m a 。 管道事故不仅引起油、气、水的损失，以及由于维护所带来的材料和人力上 的浪费，停工停产所造成的损失，特别时天然气管道因腐蚀引起的泄漏、爆炸， 威胁人身安全、污染环境，后果及其严重。1 9 7 7 年以来，在加拿大天然气和液 体输送管道系统中，应力腐蚀开裂引起了2 2 起管道破裂事故，其中包括1 2 起断 管和1 0 起泄漏。2 3 以上的应力腐蚀开裂事故发生在天然气输送管道上，断裂事 故的平均损失( 直接损失) 1 5 0 万美元，泄漏事故的直接损失1 5 万美元1 5 】。间接损 失难以定量估计，它包括对居民的冲击影响、管道输气量的降低、输送市场份额 的潜在损失和管道系统可靠性信誉的损失。油气管道的应力腐蚀开裂事故在世界 范围内屡见不鲜，美国、前苏联、澳大利亚、伊朗、伊拉克、意大利、巴基斯坦、 沙特阿拉伯都有这方面的报道。 由于管道缺陷和损伤不能完全避免和杜绝的实际情况，国外在上世纪6 0 年 代末期就开始在役管线的检测和评价技术，通过管道检测和评价技术的研究和应 用，不仅大大减小了管线事故发生率，而且避免了不必要和无计划的管道维修和 更换，从而获得了巨大经济效益和社会效益。而我国在这方面的工作虽已经开展， 但对于管线钢长期服役后的组织和性能退化仍缺乏系统研究，无法为管道的安全 评价提供理论基础。 第一章绪论 1 2 天然气输送钢管的钢级与强度 1 2 1 天然气输送钢管的钢级与强度规范 世界上绝大多数国家，包括我国油，气管线用钢管均遵循美国石油学会 ( A P I ) 的A P I 5 L 标准。A P I 于1 9 2 6 年发布A P I 5 L 标准，其中只包括A 2 5 、A 、B 三种钢级，最小屈服强度分别为1 7 2 、2 0 7 、2 51 M P a 。A P I 于1 9 4 7 年发布A P I 5 L X 标准，该标准中增：J H X 4 2 ，X 4 6 ，X 5 2 三种钢级，其最小屈服强度分别为2 8 9 ， 3 1 7 ，3 5 8 M P a 。A P I 于1 9 6 4 年将螺旋钢管标准化称为A P I 5 L S 标准，但钢级仍包 括以上谈及的六种。1 9 9 6 年开始，高强度钢大量应用于钢管上，这期间先后发 布了X 5 6 、X 6 0 、X 6 5 、X 7 0 四种钢级，其最小屈服强度分别为3 8 6 、4 1 3 、4 4 8 、 4 8 2 M P a 。1 9 7 2 年A P I 还发布A P I 一5 L U 标准，其中包括U 8 0 ，U 1 0 0 两种，其屈服 强度极限分别达到5 5 1 ，6 9 1 M P a 。最后，A P I 发布了最新的A P I 5 L 标准，将以上 各标准的钢级均归并到次标准中，取消了U 1 0 0 ，但把U 8 0 该为X 8 0 。最新的A P I 5 L 标准是1 9 9 5 年4 月1 日发布的，系第4 1 版1 6 ，7 1 。 选择输气管道用钢的基本原则是：适用性，可靠性，经济性：适用性是指所 选钢管的直径，壁厚，强度，韧性和可焊性等指标必须满足输气工艺要求，在满 足适用性的前提下，综合权衡可靠性和经济性。根据国外经验，管道钢级的选择 大体上分为三种情况捧J ： 1 ) 对于管径小于5 0 8 m m ( D N 5 0 0 ) ，工作压力不超过6 4 M P a 的管道，采用 X 5 6 级以及以下级别的碳素镇静钢。此时计算壁厚一般小于1 0 m m ； 2 ) 对于管径为5 0 8 “ - 8 1 3 m m ( D N 5 0 0 - - - - 8 0 0 ) ，工作压力不超过8 M P a 的管 道，多采用X 6 0 及以下级别的低合金钢； 3 ) 对于管径大于8 1 3 m m ( D N 8 0 0 ) ，工作压力不超过1 0 M P a 的管道，基本 上都采用X 6 5 及以上级别的低碳微合金控扎钢。 1 2 2 国外管线钢及钢级应用现状 目前，国外天然气高压输送采用高钢级钢管呈强劲的发展趋势。图1 1 所示 为1 8 7 0 “ - - “ 1 9 9 8 年国外天然气输送压力变化情况。国外新建天然气管道的设计工 作压力都在I O M P a 以上。表1 1 所以为国外建成的部分高压输送管道1 9 J 。 随着输气管道输送压力的不断提高，输送钢管也相应地迅速向高钢级发展。 6 0 年代一般采用X 5 2 钢级，7 0 年代普遍采用X 6 5 “ - - X 6 5 钢级，近年来以X 7 0 为主， X 8 0 也已开始使用。欧洲钢管公司1 9 9 7 “ - 1 9 9 9 年7 月的供货记录表明，用于天 - 然气输送的焊管，8 5 是X 7 0 钢级。N K K i 9 9 7 年的供货记录表明，用于天然气输 第一章绪论 送的直缝卖弧焊管( U o E ) ，8 0 为X 7 0 钢级。加拿大I P S C O 钢铁公司在1 9 9 8 年年 报中明确指出，该公司已成功地进行了X 9 0 和X 1 0 0 螺旋焊管钢管试生产，目标是 生产各种规格的X 1 0 0 钢管。日本N K K ，住友金属，新日铁，川崎制铁及欧洲钢管 公司也相继研制成功了X 9 0 和X 1 0 0U O E 钢管，正在研制X 1 2 0 钢管。图1 2 所示 为欧洲钢管公司管线钢的发展过程。表1 2 为全球已建成的几条X 8 0 输气管道【引。 图1 1 天然气输送压力变化 表1 1 国外部分高压输送管道 图1 2 欧洲管线钢的发展过程 第一章绪论 1 2 。3 国内管线钢及钢级应用现状 截至到上世纪末，我国已建成的输气管道总长度约为1 0 0 4 0 k i n ，输气压力均 在6 4 M P a 以下，表1 3 给出了近些年采用国产螺旋埋弧焊钢管建设的部分输气 管道。我国“西气东输”的输气管道压力已达到1 0 M P a ，主要选用X 7 0 钢管 1 0 A I 】。 表1 3 近几年使用国产螺旋埋弧焊钢管建设的部分输气管道概况 1 3 燃气管线钢的组织和性能 城市燃气输配系统主要采用中一低压两级、中压一级等形式 1 羽。在管材的 应用上，国内除了几个大城市以外，大多中小城市在8 0 年代开始建设管道燃气 系统，当时使用的管材主要以承插口的灰口铸铁管为主，接口为橡胶圈和油麻丝 石棉水泥接口，8 0 年代末一些城市开始采用N 1 或S M J 型柔性机械接口铸铁管， 9 0 年代聚乙稀( P E ) 管和N 1 型机械接口球墨铸铁管开始应用于燃气工程。引人 管及室内管大多采用镀锌钢管。目前天然气输配管线使用最多的是钢管【】习( 无缝 管、螺旋缝管、直缝管) ，以及部分采用P E ( p o l y t h y l e n e ) 管f 1 4 】。 日、法、美等国家主要使用的是钢管、球墨铸铁管和塑料管【l2 1 。钢管用于高 压燃气输送，球墨铸铁管和塑料管用于中低压燃气输送，塑料管有聚乙烯管和尼 龙1 l 。北京、天津天然气使用管材基本为钢管；重庆高压燃气采用无缝钢管， 中低压采用钢管和P E 管，准备用高频直缝钢管；重庆全部采用钢管。球墨铸铁 管、钢管、聚乙烯( P E ) 管作为燃气输配工程的首选管材，这3 种管材性能如表1 4 所示。 在国际上，随着油气输送的发展，采用高钢级钢管输送天然气已呈强劲的发 展趋势。2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，最高的输送压力为6 3 M P a , 7 0 , - , 8 0 年代则达到1 0 M P a , 到了9 0 年代已经上升为1 4 M P a t b 】。目前，国外新建天然气管道的设计工作压力 都在1 0 M P a 以上。伴随着输气管道输送压力的不断提高，输送用钢管也相应地 第一章绪论 迅速向高钢级发展。2 0 世纪6 0 年代一般采用的是X 5 2 钢级，到了7 0 年代普遍 采用的是X 6 0 - - X 6 5 钢级，近年来则以为主，X 8 0 也开始使用。 表1 4 球墨铸铁管、钢管、聚乙烯( P E ) 管的性能表 目前，国内外对管道运行后的组织与性能已经进行了大量的研究，如，研究 了具有不同微观组织高强度管线钢的夏比冲击性能 1 6 】；研究了管道运行一段时间 之后管线钢的组织老化和性能脆化【1 7 】；研究了超低碳针状铁素体管线钢的显微特 征及其对强韧性的影响【掩】；研究了管道金属的力学性能、金相组织等与管道使用 时间的关系【1 9 J 等。 1 3 1 管线钢的组织类型 早期的管线钢一直采用C 、M n 、S i 型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能， 对化学成分没有严格的规定。自6 0 年代开始，随着输油、气管道输送压力和管 径的增大，开始采用低合金高强钢( H S L A ) ，主要以热轧及正火状态供货。这类 钢的化学成分：C 0 2 ，合金元素3 5 。随着管线钢的进一步发展，到6 0 年代末7 0 年代初，美国石油组织在A P I5 L X 和A P I5 L S 标准中提出了微合金控 轧钢X 5 6 、X 6 0 、X 6 5 三种钢。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0 1 _ 0 1 4 ， 在钢中加入O 2 的N b 、V 、T i 等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得 到显著改善。到1 9 7 3 年和1 9 8 5 年，A P I 标准又相继增加了X 7 0 和X 8 0 钢，而后 又开发了X 1 0 0 管线钢，碳含量降到0 0 1 - 0 0 4 ，碳当量相应地降到0 3 5 以下， 真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。 我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用0 2 3 5 和1 6 M n 钢。“六五”期问，我国开始按照A P I 标准研制X 6 0 、X 6 5 管线钢，并成 功地与进口钢管一起用于管线敷设。9 0 年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高 第一章绪论 韧性的X 7 0 管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。 管线钢的组织结构是决定其使用性能和安全服役的内部依据。目前，按照组 织形态分类，管线钢具有以下三种典型的类型【2 0 ，2 1 】： ( 1 ) 铁素体一珠光体钢和少珠光体钢 体素体珠光体钢的基本成分是C M n ，这是6 0 年代以前管线钢所具有的基 本组织形态。X 5 2 和低于这种强度级别的管线钢均属于体素体珠光体钢。体素 体珠光体钢含碳量0 1 0 0 。2 5 ，含锰量1 3 0 1 7 0 。 P i c k e r i n g 和G l a d m a n 在低合金高强度结构钢的强韧性方面做了许多工作， 并通过回归分析的方法提出了估算铁素体珠光体力学性能的关系式： 盯s ( M p a ) = 1 5 4 3 4 + 2 1 M n + 5 4 S i + 2 3 N r + 1 1 3 d - 1 圯】( 1 1 ) O “ b f ( M p a ) = 1 5 4 1 1 9 1 + 1 8 M n + 5 4 S i + 0 2 5 ( 珠光体) + 0 5 d - 1 佗】( 1 2 ) F A T T ( 。C ) = 1 9 + 4 4 S i + 7 0 0 1 f f f f - t - 2 2 ( 珠光体) 一1 1 5 d 。1 坨 ( 1 3 ) 式中( 珠光体) 为组织中珠光体的体积分量，N 沩自由氮的含量，d 为等轴状铁 素体晶粒尺寸( 胁) ，其它字母表示钢中相应的元素的重量百分比含量。 由上式可知，铁素体珠光体管线钢中的珠光体是改变强度的主要因素，但 每增加1 0 的珠光体，会使韧脆转变温度F A T T 升高2 2 ，可见珠光体是有害 于韧性的组织。而且增加珠光体含量，必然要提高钢中的含碳量，这样势必影响 管线钢的焊接性。因此，不能用增加管线钢中珠光体的含量的方法来提高其强度。 应该在降低含碳量的同时，通过一定的手段，充分发挥钢中微合金元素晶粒细化 和沉淀强化的能力。这就是少珠光体钢产生的背景。 少珠光体管线钢的典型化学成分有M n N b ，M n N b V 等。一般含碳量小于 0 1 ，N b 、V 、T i 的总含量小于0 1 。代表钢种是6 0 年代末的X 5 6 、X 6 0 、X 6 5 。 对于C M n 钢，晶粒尺寸最小为6 7l lm ；对于少珠光体钢，晶粒尺寸可细化至 4 5p1 1 1 。由于晶粒细化使屈服强度每增加1 5 M P a ，可同时导致韧脆转变温度下 降1 0 ，所以少珠光体钢可以获得较好的强韧配合。 ( 2 ) 针状铁素体和超低碳贝氏体钢 一般认为，在保证高韧性和良好的焊接性的条件下，少珠光体钢强度的极限 水平为5 0 0 5 5 0 M P a ，为了进一步提高钢的强韧性，研究开发了针状铁素体钢和 超低碳贝氏体钢。 针状铁素体管线钢被称为第二代管线钢，比第一代的铁素体珠光体管线钢 具有多方面的优势。针状铁素体钢于7 0 年代初投入实际工业生产，典型成分为 C - M n N b M o ，一般含碳量小于0 0 6 。针状铁素体钢通过微合金化和控制轧制， 综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可以使钢 第一章绪论 的屈服强度达到6 5 0 M P a ，6 0 的冲击韧性达到8 0 J t 2 2 】。针状铁素体对韧性的贡 献首先归功于它的多位向的析出形态，由于针状铁素体尺寸参差不齐，彼此交错 分布，其间具有大角度晶界，因此对裂纹具有阻止作用，见图1 3 。其不仅具有 较小的等效晶粒尺寸，而且在铁素体内具有细小的亚结构，使针状铁素体就有良 好的强韧性。但事物不是绝对的，有文献认为 2 4 j ，针状铁素体的比例不是越 高越好，含量过高将导致其冲击韧性下降，具有8 5 针状铁素体组织的基体强 韧性最好。 计扶铁素体 图1 3 裂纹在针状体素体中的扩展模型 为适应开发北极和近海能源的需要，在针状铁素体研究的基础上，开发研究 出超低碳贝氏体钢。超低碳贝氏体钢在成分设计上选择了C 、M n 、N b 、M o 、B 、 T i 的最佳配合。从而在较宽广的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织。控制针 状铁素体或超低碳贝氏体强韧性的“有效晶粒”是贝氏体铁素体板条束。在保证 优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合元素的含量和进一步完善控 轧与控冷工艺，可获得“有效晶粒”尺寸达1 3um ，因而赋予其优良的强韧特性。 同时，贝氏体铁素体具有条状亚结构，其中有较高的位错密度【2 5 】( 1 0 81 0 9 e m ) ， 贝氏体铁素体中的岛状组织或碳化物弥散细小，不易激发裂纹，并经常成为裂纹 扩展的障碍。超低碳贝氏体钢的屈服强度可望达到7 0 0 - - - 8 0 0 M P a ，因而超低碳 贝氏体钢被誉为2 1 世纪的控轧钢。 针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢的概念常常混用。严格的讲，针状铁素体钢 主要是指含碳量小于0 0 6 的M n N b M o 系高强度管线钢，在其组织中除了针状 铁素体外，还含有一定量的多变形铁素体等其它组织。超低碳贝氏体钢主要指含 碳量小于0 0 3 的M n N b B T i 系管线钢。由于M o 、B 的加入，以致存在一个形 成完全贝氏体组织的较宽的冷却速度范围。超低碳贝氏体钢可用于对韧性和焊接 性要求更严格的地方，如极地管线和近海管线等。 第一章绪论 ( 3 ) 低碳索氏体钢 从长远的观点来看，未来的管线钢将向着更高的强韧化方向发展。如果控制 轧制技术满足不了这种要求，可以采用淬火+ 回火的热处理工艺，通过形成低碳 索氏体组织来获得。低碳索氏体钢可以满足厚壁、高强度、足够韧性的综合要求。 目前，有两种生产淬火回火超高强度大口径钢管的方法： 一种是管线钢在板轧厂热轧后直接淬火，然后高温回火，可获得良好的强韧 配合。此种方法曾在英国、加拿大进行过广泛的研究。 另一种是对热轧板制造的钢管进行热处理。这是由高强度无缝钢管生产工艺中引 申出来的，一般使用感应加热和喷水淬火，适用于需要厚壁、高强韧性的情况。 批量生产可行的方法是采用感应加热和步进喷雾淬火，并于5 5 0 6 8 0 炉热和感 应回火。 1 3 2 管线钢的力学性能 管线钢的主要力学性能为强度、韧性和环境介质下的力学性能【2 0 】。钢的抗拉 强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的。输气管线选材时，应选 用屈服强度较高的钢种，以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越好。屈服强度 太高会降低钢的韧性。选钢种时还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系一 屈强比，用以保证制管成型质量和焊接性能。 钢在经反复拉伸压缩后，力学性能会发生变化，强度降低，严重的降低1 5 ， 即包申格效应。在定购制管用钢板时必须考虑这一因素。可采取在该级别钢的最 小屈服强度的基础上提高4 0 5 0 M P a 。 钢材的断裂韧性与化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有 关。应尽可能降低钢中C 、S 、P 的含量，适当添加V 、N b 、T i 、N i 等合金元素，采 用控制轧制、控制冷却等工艺，使钢的纯度提高，材质均匀，晶粒细化，可提高 钢韧性。目前采取方法多为降C 增b i n 。 管线钢在含硫化氢的油、气环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生氢致裂 纹开裂。因此输送酸性油、气管线钢应该具有低的含硫量，进行有效的非金属夹 杂物形态控制和减少显微成份偏析。管线钢的硬度值对H I C 也有重要的影响，为 防止钢中氢致裂纹，一般认为应将硬度控制在H V 2 6 5 以下。 ( 1 ) 强度特性 强度是管线钢的主要设计参数之一。管线钢的强度级别由沿钢管管壁圆周方 向的环向应力确定。当输送压力、管径和管壁厚度确定以后，管材的许用应力可 按环向应力的计算公式来确定【2 引，即： 第一章绪论 M 。丽 ( 1 4 ) 式中 尸设计压力( M P a ) ； ，7 焊缝系数； 【仃】管道材料的许用应力( M P a ) ： D 管道外径( m m ) ： f 管道设计壁厚( m m ) ； 为保证管线使用的安全性，对管线钢的屈强比也提出了一定的要求。在A P I 5 L S 的版本中，对于强度级别低于X 6 5 的管线钢，要求屈强比最大值为0 8 5 。 ( 2 ) 韧性特性 韧性是管线钢的一种重要的力学性能，它被定义为管线钢在塑性变形和断 裂全过程中所吸收的能量。从物理意义上讲，韧性是对变形和断裂的综合描述。 在管线钢领域中，通常以普通冲击弯曲试验、落锤撕裂试验和断裂韧性试验对韧 性进行测量和评价。 图1 4 为材料屈服强度和断裂强度随温度的变化曲线。当温度大于T K ，材料 在断裂前发生塑性变形，断裂呈韧性状态；当温度小于T 。，断裂前材料不发生塑 性变形，断裂呈脆性状态。这时的T 。称为理论韧脆转变温度。但在实际情况下， 这种转变是在一个温度范围内进行的，所以依据不同的准则，可以确定不同含义 的韧脆转变温度。韧性评定的准则有能量评定法、断口形貌法和延性准则等。 O 图1 4 材料屈服强度和断裂强度随温度的变化曲线 经济性和安全性使管线钢韧性要求的基本出发点。从经济性考虑，不应过分 提高安全系数；从安全性考虑，希望管线钢具有足够的韧性储备。目前通常采用 的韧性指标C V 和F A T T 等，由于它们不能与包括设计应力在内的计算结合起来， 设计人员只是依靠自身的经验和见解来确定韧性的大小，这就更增加确定韧性要 求指标的难度。 随着断裂力学的出现和人们认识的进步，分析和把握管道裂纹的起裂、扩展 和止裂的进程，人们有可能对管线韧性作出具体的计算设计，从而使韧性要求已 第一章绪论 有章可循。影响韧性指标的相关因素有： I 管线钢的强度和应力水平 韧性是材料强度和塑性的综合性能指标，因而为了保证断裂前具有相同的塑 性变形量，对强度较高的管材，反而要求它有更高的韧性值。但是从一般概念来 说，材料随强度的升高，则韧性降低，因此管线钢需要通过微合金以及控扎等技 术来满足强韧性的要求。 I I 管壁厚度 厚壁管比薄壁管应具有更大的韧性要求。这一方面是因为当厚壁管受到外力 作用时，沿厚度方向的收缩和变形受到约束，在缺口处容易引起较高的弹性三轴 应力分布，形成所谓的平面应力状态。这种多轴应力状态，抑制了材料的塑性变 形，引起材料的脆化。另一方面，从冶金角度分析，厚板的缺陷较多，组织的不 均匀性倾向明显。冲击韧性和厚度的关系有： C v = 二( f - I - 0 2 5 )( 1 5 ) ) I I I 管径 由【仃】= P 。研一式可见，在相同的设计压力P 和壁厚t 下，随着钢管管径 D 的增大，钢管的环向应力增大，对韧性也提出了更高的要求。表1 5 为加拿大 管线公司输气管线的不同外径对韧性的要求。 I V 输送介质 对于液体介质，减压波速度大于裂纹在金属中的扩展速度，因而造成裂纹尖 端的压力降低，裂纹扩展驱动力减小，易于实现止裂。对于气体介质，减压波速 度小于脆断裂纹在金属中的扩展速度，不会造成裂纹尖端压力的降低，而因扩展 中的裂纹得不到止裂，因此，输气管线应比输油管线有更高的韧性要求。表1 6 为意大利S n a m p r o g e t t 公司对输油和输气管线所分别提出的韧性标准。 表1 5 加拿大管线公司输气管线韧性要求( X 7 0 ；设计温度一5 ) V 钢管部位 在钢管的焊接接头中，由于焊接冶金过程的影响，致使焊缝和热影响区表现 第一章绪论 出与母体不同的性能特性。研究发现，管线钢焊接粗晶区的C y 可比母体降低2 0 - - - 3 0 。在U O E 埋弧直焊缝管中，母体，焊缝和焊缝热影响区的受力方向与钢管一 致，因此韧性要求基本一致。在螺旋埋弧焊管中，考虑到焊缝和焊缝热影响区的 受力方向与钢管的受力方向不一致，因而可以降低要求。 表1 6 意大利S n a m p r o g e t t 公司的韧性要求 1 4 燃气管道的裂纹扩展性能及其剩余寿命预测 1 4 1 管线钢的疲劳裂纹扩展 由于管道制造、运输和安装过程中的各种原因，管道中存在裂纹是很常见的， 因此给管道的安全运行留下了隐患。文献f 27 】介绍了塔里木油田轮库输油管道，因 其缺陷造成的管道断裂事故，给国家和企业带来巨大的经济损失。而对含裂纹管 道，放弃使用是不经济的，因为它仍具有一定的承压能力，特别是材质韧性好的 管道，裂纹在交变载荷作用下是缓慢扩展的，即仍有一定的疲劳使用寿命瞄引。因 此，除了用研究韧性管材的J 积分试验来分析含裂纹管道的使用安全性以外，还 可以进行管材的疲劳裂纹扩展速率试验研究，以分析含裂纹管道在交变载荷作用 下的裂纹扩展规律，进而确定其使用寿命，这也是充分发挥含裂纹管道潜力的可 靠和科学的措施之一。 疲劳断裂是油气长输管线服役过程中一种常见的失效形式1 2 鲥。这是由于管线 在服役过程中不可避免地要受到交变应力的作用，这种交变应力一方面来自管内 输送介质压力的波动和油气流的分层结构，另一方面来自管线外的变动载荷。在 交变应力作用下，在应力集中较大处会产生局部的、交变的塑性变形，从而导致 应变疲劳破坏，即低周疲劳破坏，若同时受到腐蚀则会发生低周腐蚀疲劳破坏。 而输气管线受需方市场规律的影响，内压波动的频率非常低，如按城市居民的生 活需求，内压在一天内波动两次，频率接近1 0 4 。采用低循环频率更接近于管道 的实际工作情况 3 0 j 。研究表明，管线在运行时，应力比多在0 0 8 之间，其中 第一章绪论 应力比接近于0 时相当于多次停枪和反复试压的情况，应力比接近0 8 时相当于 正常输送过程中压力波动的情况。 由于疲劳断裂往往是突然发生的，没有明显的征兆，因而具有很大的危害性。 尤其对于天然气高压输送管线，一旦发生破坏将带来不可估量的损失。因此，管 线钢的疲劳特性研究是安全设计的基础，是管道使用寿命评估的依据，有着十分 重要的工程意义 3 1 - 3 3 】。 疲劳断裂过程是一个裂纹萌生，稳定扩展直至最后失稳断裂的发展过程。所 谓疲劳寿命N f 因由裂纹形成寿命N i 和裂纹扩展寿命N D 两部分组成。实践表明在一 个光滑或纯钝口的试样上所做的疲劳强度试验基本上是一种测定材料裂纹起始 抗力的试验，按S N 曲线进行设计，不一定能保证实际构件的安全。在实际管 线钢和管线结构中，由于冶炼，加工，运输和安装等各种原因，往往已经存在裂 纹或缺陷。这时研究管线钢疲劳裂纹扩展特性，预测构件的剩余寿命显得更为重 要。 P K P a r i s 3 4 】根据大量疲劳试验结果指出，决定疲劳裂纹扩展的主要力学参量 是应力强度因子幅度K 。在双对数坐标中，疲劳裂纹扩展速率d a d N 与K 的关 系如图1 5 所以。根据裂纹扩展机理可将曲线分为三个阶段【3 弱。 图1 5 疲劳裂纹扩展速率曲线 第一阶段称为疲劳裂纹不扩展阶段。将直线外延到相当于d a d N = 1 0 1 0 1 0 1 1 m 周所对应的K 值，称为疲劳裂纹扩展应力强度因子幅度的门槛值A K t h 。 当k K d , 于A K t h 时，由于疲劳裂纹核心尺寸没有达到临界尺寸，因此实际上裂 纹不扩展。 当K 超过A K t h 后，即进入第二阶段，称为疲劳裂纹亚临界扩展阶段。在 这一阶段，裂纹扩展速率d a d N 与应力强度因子幅K 之间呈支书关系变化，即： d a ：C ( A K ) 一 ( 1 6 ) d N 式中C 和n 为材料常数，由试验确定。 上式表明，疲劳裂纹扩展速率主要决定于裂纹尖端应力场强度因子幅度K 。 第一章绪论