管线钢及管线钢管的研究进展与发展方向

1、管线钢及管线钢管的研究进展与发展方向 冯耀荣，霍春勇，马秋荣，庄传晶，刘迎来，李鹤林 (中国石油天然气集团公司管材研究所，石油管力学和环境行为重点实验室)摘要：论述了油气输送管线用钢及管线钢管的国内外发展动向，介绍了国内近年来在油气输送管线钢及 管线钢管应用基础研究及产品开发方面所取得的主要进展，指出了我国油气输送管线用钢及管线钢管的研 究方向。关键词：管线钢，管线钢管，管材选用，感应加热弯管，大口径三通，针状铁素体，断裂控制， 异常断口，研究进展，发展方向1油气输送管道及管线钢的发展随着世界经济的飞速发展，对石油天然气的需求日益增加。预计在未来1015年内，石油天然 气的需求量将增加一倍。作

2、为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，油气输送 管道在近40年取得了巨大的发展。目前，全世界石油、天然气管道的总长度已超过230106 km， 并以每年21043104km的速度增加。在近10年内，我国已建成陕京管线、涩宁兰管线、兰成 渝管线以及西气东输管线等十几条重大长输管线，预计今后1015年内，我国共需各类油气输送干 线用钢管约1000x 104吨。油气管道特别是天然气管道发展的一个重要趋势是采用大口径高压输送及选用高钢级管材。采 用高压输送和选用高强度管材，可大幅度节约管道成本。采用高压输送可减小管径，通过高钢级管 材的开发和应用可减小钢管的壁厚，进而减轻管子的重量，

3、并减少焊接时间，从而大大降低钢材重 量和建设成本。例如采用管材x100比x65和x70费用节约30左右，节约管线建设成本1012。20世纪5060年代最高压力为63mpa，7080年代最高压力为10mpa，90年代已达14mpa。 国外新建天然气管道的设计工作压力都在10mpa以上。目前，输气管道的设计和运行压力已达15mpa甚至20 mpa，有些管道甚至考虑采用更高的压力。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。60年代一般采用x52钢级，70年代普遍采用x60x65钢级，近年 来以x70为主，x80也已开始试用。国外近几年新建的管道基本上都是x70钢级。tran

4、scanada等 管道公司将x80列为首选钢级。目前，全世界敷设的x80管道约1000km。国际上含酸性介质天然气输送用钢管(抗hic钢管)已自成体系。德国、日本和加拿大，抗hic 的x70钢管已经形成生产能力，但实际使用较少。抗hic的x80钢管正在研制中。目前，x100管线钢管已在日本nkk、新日铁、住友、川崎和欧洲钢管公司开发出来。由ecsc、csm和欧洲钢管共同进行的联合研究项目，开展了管径达到1420mm输送压力为15mpa的x100 钢管的断裂行为的研究，采用实验室试验和全尺寸爆破试验，对其可行性进行了论证。与此同时， 由exxon、住友金属、新日铁共同进行x120或x125的研究

5、。2002年tcpl在加拿大建成了一条 管径1219mm，壁厚143mm的x100钢级的lkm试验段。同年，新版的csz24512002中首次将 grade690(x100)列入加拿大国家标准。2004年，exxon mobil公司在加拿大进行了x120钢管16公里试验段铺设。另外，复合材料增强管线钢管正在开发，即在高钢级管材外部包敷一层玻璃钢和合成树脂，采 用这种管材，可进一步提高输送压力，降低建设成本，同时可增加管输量，增加管子抵抗各种破坏 的能力和安全性。当管线管材料钢级超过x120x125时，单纯依靠提高钢级来减少成本已十分困 难，必须采用复合材料增强管线钢管。我国从50年代到70年代

6、管线钢主要采用a3、16mn；70年代后期和80年代则采用从日本进口 的ts52k(相当于x52)；“六五”和“七五”期间，在管线钢方面进行了科技攻关，但由于种种原因未批 量使用；“八五”期间，通过冶金和石油系统的联合攻关，成功研制和开发了x52xt0高韧性管线钢， 并逐步得到广泛应用；西气东输工程之前我国输气管道最大直径为6607 1 r13nl，最高钢级为x60， 最大工作压力为64 mpa。在国家西气东输等重点工程立项后，石油部门和冶金部门联合开展了一系列相关的研究工作， 如大口径输气管道工程用高钢级管材国产化，油气输送管线管材选用研究，高钢级管材组织性能及 断裂控制研究，油气输送管线安

7、全可靠性研究，大口径感应加热弯管和三通生产工艺技术研究等。 通过这些项目的研究，不仅促进了国内x70管线钢产品的研究开发，也保证了西气东输等重要工程 用管材的质量和管道的安全可靠性。长达4000km的西气东输管道采用了直径为1016mm、壁厚146262mm的x70钢级管线钢及管线钢管，将输气压力提高到10mpa，标志着我国天然气管道工业发 展到一个新水平，具有里程碑的意义。国内在x80高钢级管材的研究和应用方面，石油部门与冶金部门及相关单位联合，开展了10 余项国家基础攻关、应用基础研究项目和技术开发项目，其中包括国家“973”项目“高强度管线 钢的重大工艺基础研究”，中油集团技术开发项目“

8、x80管线钢管的开发与应用”、“x80管线钢的 焊接及高韧性焊材选择”等等，宝钢、武钢、鞍钢等大型企业都相继开发成功了x80热轧板卷和宽 厚钢板，宝鸡、华北、巨龙等工厂相继开发成功了x80螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管。中油集团 公司正在实施“x80管线钢应用工程”项目。这些工作将进一步提高我国油气管道工业、制管工业 和冶金工业的技术水平，缩小与国际先进平的差距，并在国际上占有一席之地。2管线钢及管线管应用基础研究进展2，1油气管道管型选用研究 近年来，在国内管道界进行了大量的有关油气输送管线特别是大口径高压输气管线用钢管选用的技术讨论。主要焦点就是关于螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管的比选。美国、

9、加拿大、德国、俄罗颠、日本等国家都有各自的观点，有些国家内部也有不同意见，产生这种不同观点与认识的原因 有技术方面的因素，也有局部经济因素。国内在新建设的陕京输气管线上绝大部分采用了66071mm和66087mmx60国产螺旋缝埋弧焊管，少部分采用了从美国和日本进口的660x9 5mm、103mm、127ramuoe直缝埋弧焊管。在加拿大和俄罗斯，螺旋缝埋弧焊管在天然气干线上得到了 大量应用，其中加拿大在高压大口径输气管线上大量使用了x70甚至x80螺旋缝埋弧焊管。通过进 口uoe焊管特别是x70大口径直缝埋弧焊管的试验分析及与国产ssaw钢管的对比研究。全面掌 握进口uoe焊管的质量水平，为

10、国产lsaw焊管的国产化提供借鉴，同时为国产大口径ssaw钢 管的质量改进指出方向，从而为大口径输气钢管的国产化及管材选用提供技术支持。1998年以来，中油管材研究所和石油规划设计总院共同对国产ssaw和进口lsaw焊管进行 了系统的对比试验研究，主要结论是：(1)国产ssaw焊管母材、焊缝、热影响区的强度、韧性(包括低温韧性、fatt、dwtt)和疲 劳性能(包括o1、dadn、k山和no达到了迸vi uoe焊管水平。(2)国产ssaw焊管的残余拉应力总体上比进口uoe焊管高，表面质量与尺寸精度也较uoe焊管差。 (3)经过严格质量控制的国产ssaw焊管可以用于油气输送主干线。根据当时国内钢

11、厂和管厂的实际情况，建议一、二类地区采用国产ssaw焊管，三、四类地区采用lsaw焊管。2000年以来，我们对进口uoe焊管又进行了系统的解剖分析并与国产ssaw和lsaw钢管进 行了对比试验研究，试验样品包括从美国、日本、德国进口的直缝埋弧焊管及国产直缝埋弧焊管、 螺旋缝埋弧焊管等。试验内容包括：管材韵化学成分，管材的组织分析，管体的强度和硬度，管材 的韧性，管材的疲劳性能，管材的氢致开裂性能，管材的残余应力，管材的爆破试验等。结果表明：(1)普通大口径f+p型x70管线钢强度、韧性较低，呈明显f+p带状组织，有严重断口分离 现象，抗hic性能差。(2)欧洲钢管加mo型、日本进口x70uoe

12、焊管具有良好的以针状铁素体为主的显微组织， 强度、韧性水平较高，综合性能较好。(3)国产x70 lsaw焊管的组织和性能与进口af型焊管属于同一水平，在焊缝质量方面尚需 进步改进。(4)国产x70 ssaw焊管的性能可以达到进口uoe焊管的水平，在残余应力和焊缝表面质量 方面仍需进一步努力改进。(5)在一般情况下，ssaw和lsaw焊管可等同选用。在微酸性和弱酸性环境中，通过采取 一定的工艺措施和补充材料方面的要求可进一步扩大ssaw焊管的使用范围。根据上述研究结果，国内油气输送管线包括大口径高压输气管线大量使用了螺旋缝埋弧焊管， 在螺旋缝埋弧焊管规格尺寸不能满足要求的情况下采用直缝埋弧焊管。

13、螺旋焊管和直缝焊管联合使 用，安全性和经济性得到了兼顾与统一。例如西气东输管道国产螺旋缝埋弧焊管使用量达到了52。 为了确保西气东输管线长期输送的安全可靠性和使用寿命，对材料的化学成分、显微组织、工艺质 量、残余应力等提出了相应的适当的要求，如规定c最大含量为009，s最大含量为o005等： 必须采用针状铁素体型管线钢；控制钢中的带状组织不大于3级；对焊缝高度、焊偏、错边、。咬边 等作了较严的规定；在进行系统残余应力测试分析和试验研究的基础上，建立了用管段切环法计算 和控制焊管残余应力的方法，针对西气东输管线，规定环切试样沿周向的张开量不大于80mm等等。可以预计，我国今后的管道建设将继续采用

14、螺旋焊管与直缝焊管联合使用的技术路线。22高钢级管线钢的组织与性能研究22 l低碳贝氏体及其分类七十年代中，冶金工业开始采用控制轧制技术取代常规的热轧及正火，在c-mn系列低碳钢中加入微 量nb、v，经控轧后的强度水平可从一般热轧态的300350mpa提高到450500mpa(相当于api x70)。 随后控轧技术不断进步，最突出的是在精轧终止后，对钢板施以加速冷却。这个技术的成功应用，使c-mn 系的nb、v、ti微合金钢在更低的含碳量(008)下达到更高的强度级别x80，同时具有优异的韧性和焊 接性。近10年来，国外又开发了x100(,一700mpa)，并开始投入使用，钢的基本成份与x80

15、相近，只是 mn量稍有提高(182o)，并辅以少量mo、ni、cu(。02)等合金元素。低碳微合金控轧钢因其 合金含量低，性能收益高，又无需热处理，有很好的经济性，并符合环境保护的要求，因此有广泛的应用 前景。高强度管线钢的合金设计及加速冷却使钢的组织偏离的传统的f+p，取而代之的是细小的铁索 体和贝氏体。低碳和超低碳钢的贝氏体类型及形态完全不同于含碳大于0 15的常用钢种，传统的 贝氏体概念已不再适用，于是对低碳钢的贝氏体组织引起了关注。1992年isij出版了贝氏体组织图 谱，94年曾在东京召开过“现代低碳高强度钢显微组织新特点”的专题讨论会，这方面的研究文章 也时有发表。但有关低碳贝氏体

16、的分类及各种术语仍未能统一。有关贝氏体组织的分类方法很多， 主要有大森的贝氏体分类，isij和gkrass的分类。早期对贝氏体的认识局限于贝氏体是铁素体(f)和fe，c的两相混合物，然而在低碳钢的贝氏 体中，并不一定存在f03c，大森等首先提出了包含奥氏体的贝氏体分类法。他们还发现低碳钢的贝 氏体总是板条状的，因此认为低碳钢的贝氏体都是上贝氏体，在上贝氏体的较高范围内，fe，c的析 出得到抑制，板条间残留了奥氏体，随转变温度的下降，fe，c才能在板条间和板条内析出，根据第 二相的性质和析出位置，把上贝氏体分成b，、b-、bm。这个分类方法在焊接用钢及低合金高强度钢 中经常采用。isij(日本钢

17、铁学会)贝氏体研究小组研究了含碳量很低的钢在不同冷却速度下的显微组织，发 现它们的组织形态虽与贝氏体有些相似，但又不完全满足贝氏体的定义，现有的贝氏体术语不能反 映他们的特征，提出了另一套组织术语来描述低碳贝氏体组织。其特点是：各种不同形态的显微组织均命名为f，尽管有些f本质已属贝氏体，但不用贝氏体术语，这点容易引起混淆，其理由可能 是奥氏体只转变为f，没有其它产物相，残留的奥氏体在更低温度下才发生转变；连续冷却时， 低碳奥氏体不可能转变为上、下贝氏体，在很快的冷却速度下直接过渡到马氏体：组织中除f外， 还有少量二次相，它们都是残留的富碳奥氏体在冷却时的转变产物。gk11llss等人在高强度低

18、合金钢的显微组织研究中，观点与isij接近，采用的术语也基本一 致。222针状f(或板条f、板条贝氏体f)的特征 针状f是低碳钢(c015)典型的贝氏体组织，由带有高位错密度的板条铁素体晶体组成，若干f板条平行排列构成板条束，一个奥氏体晶粒可形成很多板条束，板条界为小角度晶界，板条柬界面则为大角度晶界，板条间可能有条状分布的ma岛。针状f形态与低碳钢中的无碳贝氏体相 似，只是由于形成温度稍高，板条特征不如无碳贝氏体发达，有些板条界在形成后还会发生回复， 以至常能观察到板条界不连续的现象。针状f组织在大森贝氏体分类法中属b-贝氏体。其典型形貌 见图1。在焊接接头中也经常用到针状f的术语，其转变温

19、度及机理与上述基本相同，但特征及含义与 板材中不同，焊缝内的针状f不呈平行的板条束，而是各个片独立生长，又互相交织，晶体学取向 关系不严格。焊接接头中针状f的特征，其形态与高碳针状马氏体有些相似。这类组织成因与点状 杂夹物有关，夹杂物界面为针状f提供了有利的成核位置，由于是点状，在某个方向上只能长出一 个核心，构成独立生长的特征。不少学者认为在焊接接头出现的上述组织，是针状f，而母材中出现的板条组织应称为贝氏体f， 而不是针状f，这个说法现在相当普遍，也是有道理的，因为从晶内夹杂物成核的f更具有针状的 特征。然而，母材的针状f钢及针状f组织的术语命名已由来已久，使用该术语已成为爿惯，后人 只能

20、在阅读文献时注意它们的意义。fa)光学进行照片500x (b)透射电镜照片 图i针状铁素体的典型形虢2 23低碳超低碳微合金化管线钢显微组织分析 除针状铁素体外，低碳超低碳微合金化管线钢的显微组织中还有粒状f(gf)或粒状贝氏体f(gbf)，多边f(pf)和准多边f(qf)或块状f(mf)，魏氏组织f(wf)等。虽然低碳钢贝氏体的各类组织都有各自的特征，然而在实际分析管线钢组织时，仍有不少困难。一方面是控轧和快 速冷却得到的铁素体晶粒十分细小：另外，备类组织并无严格的分界，在连续冷却条件下，各类f 共存时，组织的判定远不如(f+p)那么容易。此外目前对针状f组织含义不统一，也给交流讨论 带来困

21、难，90年代早期，日本学者提出针状f是指光镜下观察到的各种不规则形状f的混合组织， 标以“zw”。近年来加拿大学者认为针状f和板条f是不同的组织，前者形成的冷却速度稍慢于板条 贝氏体铁素体。尽管两者内部都不存在fe，c，在tem中均带有平直的界面，但板条f的板条更长， 有更高的位错密度，而所谓的“针状f”的板条更宽，形态上有点象多边f，但相邻界面的位向差为小31角度，位错密度稍低。此外，他们认为获得全针状f组织有很好的强韧性，而贝氏体f对韧性则有 不利的影响。对上述观点值得商榷的是：第一，针状f和贝氏体f属于两种组织，还是同一类组织， 只是由于转变温度的差别，或形变的影响造成形态上的不同，有待

22、讨论，有文献在超低碳合金钢连 续冷却转变行为的研究中也发现，当转变在稍高于板条铁素体的形成温度时，f基体上的板条形态 很不明显，但又隐约可见，称其为退化板条f。另有文献认为在未再结晶区的大变形可以改变板条f 的形貌，使板条变短，甚至呈弯曲状，相邻板条的平行度变差，我们的工作中也发现类似的情况。 第二，峰f-状f”的韧性是否一定比贝氏体f好，这一结论尚缺乏可靠的实验依据。实际上有效晶粒 尺寸、位错密度、硬质相及微细析出物的数量、大小、形态、分布等等都会影响韧性，只有综合考 虑组织的各种细节后，才能判断其韧性的优劣，不能简单定论某种组织类型的韧性最好。鉴于实际控轧钢的组织分析的各种困难，现在不少研

23、究论文把组织简化为铁素体和贝氏体，而 不是一一区分各种f。我们支持这种分类法，这对于一般的工程研究和检验是合理而可行的。对于 低碳和超低碳钢、经受大变形量轧制条件下，即使在快速冷却下，形成先共析f难以避免。其它的 组织如粒状贝氏体和针状f等都可归为贝氏体，因为这些组织同属于中温转变产物，都没有fe，c， f基体上均有ma组成物，都有较高的位错密度，差异的只是ma的形态、尺寸以及位错密度的高 低。至于准多边f，虽然是介于多边f和贝氏体之间的产物，但其本质还是先共析f，从我们实践中 也发现，制样时准多边f的侵蚀特征与多边f更接近，这是由内部亚结构决定的。在光镜下均呈亮 白色，因此可归入f内。采用简

24、化的分类后，可以比较简便地确定f和贝氏体的相对量，而不必一一区分各种过渡组织， 也避免了由于术语不统一带来的麻烦，从而可以把更多的精力用于分析有效晶粒尺寸、ma岛的数 量、尺寸、形状、分布，以及带状组织的特征等等，从丽全面地建立低碳贝氏体组织与性能之间的 关系。224针状铁素体型管线钢的性能特点 采用针状铁素体型管线钢是国际上高性能管线钢的发展趋势。与传统的铁素体和珠光体型管线钢相比，针状铁素体型管线钢具有以下性能特点： (1)优良的强韧性 对一种管线钢通过不同规范的控制轧制和控制冷却，分别获得多边形铁素体(f)、针状铁素体(af)和上贝氏体05b)。在这些不同的组织形态中，针状铁素体具有优良

25、的强韧性配合，即在保证高强度的 同时，具有最低的韧脆转变温度fatt。管线钢的生产过程表明，针状铁素体管线钢通过微合金化和控 轧控冷，综合利用钢的固溶强化、晶粒细化，微合金化元素的析出强化与亚结构的强化效应，可使钢 的屈服强度达700800 mpa，-109c的cvn达400j以上。针状铁素体管线钢具有优良的强韧特性的原因之一，是由于针状铁素体形成过程中的过饱和固溶和细小孤结构。控制针状铁素体强韧性的“有 效晶粒”是针状铁素体板条束。状铁素体对强韧性的贡献还归结于它的多位向析出形态和细小的有效 晶粒尺寸。(2)较高的形变强化抗力和小的bauschinger效应 形变强化决定于材料的应力一应变曲

26、线，其是否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢的形变强化有重要影响。研究表明，针状铁素体钢与铁素体一珠光体钢相比，具有明显不同的应力一应 变特征。由于针状铁素体管线钢具有连续屈服行为，因而有高的形变强化能力，从而可补偿和抵消 因包申格效应所引起的强度损失。显而易见，针状铁素体管线钢的强度不会因制管经受拉、压反复 应变而降低。针状铁素体管线钢这一优良特性的原因，被归结于针状铁素体中的亚结构。由于针状 铁素体中存在高密度的可移动位错而易于实现多滑移，因而针状铁素体具有连续的屈服行为和高的 形变强化能力。我国西气东输管线采用的针状铁素体型管线钢板卷与螺旋焊管屈服强度差约20mpa， 相当商用铁素体加

27、珠光体型管线钢的一半。(31良好的焊接性和耐腐蚀性能 与铁素体珠光体管线钢相比，针状铁素体管线钢由于采用控轧后的加速冷却工艺，在强度相同的情况下可采用较低的碳含量和碳当量，冷裂纹敏感系数低，焊接性能好。同时 由于加速冷却工 艺的采用及低碳、超低碳的成分设计，可消除管线钢中的带状珠光体，减小偏析 改善钢的各项异 性和抗hic性能。上述性能特点是西气东输管线采用针状铁素体型管线钢的原因所在。在“x80管线钢应用工程” 中也采用了针状铁素体型管线钢。相信在今后的管线建设中，针状铁素体型管线钢的使用将越来越 普遍。2 2 5针状铁素体型管线钢带状组织及晶粒度评定方法研究现有的gbt 13298是针对传

28、统的铁素体+珠光体型管线钢制定的带状组织评定方法，不适用于针状 铁素体型管线钢带状组织的评定。通过大量的实验研究，制定了适合针状铁素体型管线钢的带状组织的 评定方法。依据硬组织带(ma或珠光体)的条数，在视域内的贯穿程度、连续性以及与夹杂物相关性 对带状组织的评级可分为4级。f体及硬组织带有沿轧向分布的趋势，评为1级：能见3条及3条以下 连续硬组织带贯穿视域，评为2级；能见3条以上连续的硬组织带，评为3级：能见3条以上连续的硬 组织带，且集中分布呈宽带，评为4级。如在组织内发现在硬的组织带内伴有塑性夹杂物，且在500倍 下贯穿整个视域：或一条硬组织带的宽度在200倍下超过4mm，且组织带完整连

29、续的情况，可在原有级 别上加半级。与此同时，针对现有标准不适用于针状铁素体管线钢晶粒度评定的情况，通过实验研究，提出 了针状铁索体型管线钢铁素体晶粒度测定法。详细规定了取样部位、取样方法、试样尺寸、磨面方 向、观察部位、晶粒显示方法、铁素体晶粒的判定、用于生产检验的比较法、用于仲裁的截点法。针状铁素体型管线钢带状组织及晶粒度评定方法在西气东输管道、陕京二线、及联络线工程包括“x80 管线钢应用工程”管材质量控制中得到应用。23dwtt异常断口评判方法研究 在高强度、高韧性和大壁厚管线钢的dwtt中，常会遇到dwtt异常脆性断口问题。所谓dwtt异常脆性断口，就是在缺口根部没有发生脆性断裂，而在

30、随后的断裂面上，断裂的形式由韧性转变为脆性，且这种脆性集中出现在锤击侧附近区域的一种断口形式。api rp 5l3和sy厂r 64762000两 个标准均要求，当dwtt出现异常脆性断口，试样应判为无效，复验时，可选择采用人字形缺口 (chevronnotch)试样。但是，复验中人字形缺口试样依然不能完全避免异常脆性断口的反复出现， 标准对此也没有进一步的描述和规定，这就给高强度、高韧性管线钢实际生产中的检验、评判造成 一定的困难。astme43671和gb836387两标准则没有提到“异常脆性断口”这一概念和相关规定。 针对dwtt异常脆性断口，在二十世纪七十年代初就已经开展了研究工作。对异

31、常脆性断口的产生、影响因素和评判方法等方面，提出了些研究结果和观点。但到目前为止，仍没有公认和可 靠的判定准则。西气东输管线建设，我国首次采用xt0高强度、高韧性管线钢，dwtt试验中，就遇到异常脆 性断口问题。正在建设的陕京二线，dwtt异常脆性断口也频繁出现。近来，在对国内外生产的x80 钢管和钢(卷)板评价试验中，也发现有大量的异常脆性断口出现。在此情况下，对dwtt异常脆 性断口进行深入研究，合理评判异常脆性断口、准确反映材料的韧脆性断裂行为，对高钢级管线钢 的发展应用，特别是保证管线的安全具有重要的现实意义。对锤击侧出现的脆性区，几乎所有的研究机构都认为，是由于在裂纹扩展到达之前，由

32、冲击和 弯曲引起的压缩塑性应变，使fatt温度提高所造成的。dnv最近研究认为，api rp 5l3规定要求试样缺口根部脆性起裂并不必要，韧性起裂并不会改 变材料韧脆断裂曲线随温度变化的规律。日本nkk对出现异常脆性断口的高钢级厚壁钢管进行了部分气体爆破试验。发现全尺寸爆破试 验中的断裂速率和其剪切面积，完全符合经过大量统计数据得到的全尺寸爆破断裂速率与dwtt剪 切面积的线性对应关系，说明对出现异常脆性断口的高韧性管材的断裂行为，可以和不出现异常脆性断口的管材一样进行评价。同时，试验结果显示，当压制缺口出现异常脆性断口时，忽略脆性区 的评判结果与全尺寸爆破吻合；压制缺口考虑脆性区、人字缺口考

33、虑和不考虑脆性区的试验结果， 都比全尺寸爆破的85satt高，因此，建议评判时可忽略异常脆性区。dnv对断rt坝,j表面下5mm处进行硬度测试，发现距锤击侧30mm位置的硬度比原始材料状态 高出30hv，说明评判区从锤击侧扣除19mm是不够的。最近，jfe来我所进行学术交流时，对dwtt异常脆性断口问题的看法有所变化。据说在其内 部进行质量控制，以及向客户提供技术数据时，开始将断口中部的异常脆性区计入脆性面积。这一 控制办法与我们现在较为严格保守的暂行处理办法相同。2002年在西气东输工程用钢管的生产检验中，异常断口经常出现，目前在建的陕京二线，出现 得更为频繁。针对这一情况，管材所与有关单位

34、一起开始进行dwtt异常脆性断口的研究工作。通 过文献调研、向研究机构咨询、组织国外技术交流、大量的试验分析，以及与有关单位进行的深入 研究合作，工作取得了一定进展。得到了一些基本认识：异常脆性断口是材料的成分、组织、性 能，以及试样情况、试验条件等因素在落锤试验力学条件下，表现出来的一种脆性；锤击侧局部 区域出现的脆性区域，是锤击的弯矩和压力所引起，其中因冲击压力造成的局部变形和硬化是主要 原因；断口中部出现的脆性区，均由裂纹的再次起裂所引发，不仅与试验条件、方法(包括能量 的选用)有关；而且与材料的组织性能不均匀、偏析等有关；改变缺口形式，可影响试样形变硬 化的程度、dwtt试验的sa，以

35、及异常脆性的发生概率，但并不能完全消除异常脆性断口； dwtt异常断口的严重程度与落锤冲击能量有直接关系，当异常断口区域较大时，会引起能量的明 显下降，在评判时不得不考虑。管材所与有关单位合作在分析研究国际上已有工作的基础上，通过系统研究，并经专家研究确 定了异常断口的分类及评判方法，并写入了高钢级管线钢管标准中。解决了高钢级管线钢和管线钢 管应用中的技术难题。24输气管道的断裂控制 管道的断裂控制包括启裂控制和延性裂纹的扩展控制。241焊缝区启裂韧性要求研究运用断裂力学方法和失效评价图(fad)分析技术，基于启裂准则，对西气东输管线焊缝区的 韧性要求进行了分析计算(图2)，提出了焊缝韧性的推

36、荐值。喜i剐删剐垂i剐枷m黜图2 1016x 146 rtlrn管道焊缝启裂韧性计算结果242环焊缝强度韧性匹配研究 管线失效事故调查表明，环焊缝是长输管线的一个薄弱环节。对于低中强度钢级的管线钢管，般采用高匹配的焊接技术。对于x70以上钢级，究竟是采用高匹配还是低匹配。以及匹配形式对管线设计施工和管线服役性能的影响，是现代管线设计领域一个亟待解决的问题。目前，加拿大等少数国家已经在几条x80管线上采用了低匹配的环焊焊接工艺。高压输气管道采用何种匹配方式是急 需解决的课题之一。例如，针对西气东输管道，采用弹塑性大变形有限元分析及失效评价图技术，研究了不同匹配 方式对焊接接头强度、韧性、损伤容限

37、、断裂抗力、极限承载能力及安全性的影响，结果表明：(1)与低匹配焊接接头相比，高匹配焊接接头具有高的断裂抗力，较大的缺陷容限，及较高的极限载荷。在msi 的情况下，管道的极限承载能力随焊缝强度的增加而基本上保持不变。(2)随焊接接头强度匹配系数的增加，保证管道安全所要求的断裂韧性值逐渐降低。 (3)对于西气东输管道现场环焊缝，强度匹配方式优先选择高强或等强匹配，匹配系数范围为10ms12。在选用等强匹配的前提下，允许焊缝的韧性比管体稍低。(4)采用接近于1的低强度匹配，对管道的强度、韧性要求、安全性不会产生大的影响，在实 施生产中应当允许。尤其是对于高强度材料，还会有减小焊缝氢脆的好处。根据管

38、道局焊培中心对西气东输管道焊接工艺试验研究结果，目前国内外知名的焊接材料生产厂家提供的焊接材料基本上都可以保证西气东输管道环焊缝强度的等匹配或高匹配要求，而且焊接 接头的韧性以及抗氢致开裂能力都较好，能够满足西气东输管道标准要求。243钢管母材的止裂韧性研究 从70年代以来，国际上对管道延性断裂的止裂问题进行了大量的研究，通过理论分析、实验室试验和全尺寸爆破试验提出了钢管止裂韧性的预测公式(如battelle公式等)，典型的公式形式为： cv=aohbrctd。可见，止裂所需的韧性与管道的工作应力、管径、壁厚等因素有关。这些公式在管 道止裂韧性预测中得到了广泛的应用。研究表明，battelle

39、早期提出的双曲线法和止裂韧性预测模型及公式对高韧性管材(cvn94j) 已不再适用。针对已有止裂经验公式预测高压天然气管线止裂韧性值的不安全性，wilkowski、leis、 kanninen等人进行了有价值的工作。wilkowski提出基于已有公式，根据cv-n、标准缺口dwtt和预裂纹dwtt能量的关系找出 有效cvn的方法；leis提出了在原有公式基础上进行修正的方法；karminen等人考虑了裂纹扩展 过程中气体逸出与管壁扩张之间的相互作用，提出输气管道纵向裂纹扩展问题的计算模型，进而将 三维流体动力学有限差分算法同壳体有限元算法组合起来，发展了模拟该问题的计算程序pfrac， 并用裂

40、纹尖端张开角ctoa(crack tip opening angle)作为对管道动态延性裂纹扩展和止裂的定量评价指标。中油管材研究所与有关单位合作，利用alliance管道的实物爆破试验结果对断裂速度曲线进 行拟合，得到了断裂速度曲线的拟合公式及简化了的线性公式，发展了国际上用以计算管道动态断 裂与止裂的pfrac程序和方法，避免了原计算软件的不足。采用发展了的pfrac软件针对西气东 输管道研究了裂纹扩展长度、内压、壁厚等参量对ctoa的影响。当管材的cvn值随温度转变出现明显的上升上平台行为时，在使用已有的止裂预测模型或修正 方法进行止裂预测时会偏于危险。特别是当cvpcvl00125(对

41、应于较为严重的断口分离)时，很 难准确预测其止裂性能。我们的研究表明，断口分离现象是导致管线钢的上升上平台行为的主要原 因。管线钢发生断口分离现象的主要原因是带状偏析组织，其中带状组织的组成为ma岛及极少量 的退化珠光体。这种带状组织硬度较高，脆性较大，其韧脆转变温度比铁素体基体高。通过对断口 分离试样的统计分析发现断口分离明显地受试验温度的影响，即在低温下全结晶脆性断口不易产生 断口分离，冲击值达到上平台后，全韧性纤维状断口分离倾向亦较小，只有在韧脆转变温度区间靠 近fatt50至上平台区段，出现断口分离的几率最大。基于国内当时几家钢厂及钢管厂试制x70的 试验结果，与美国emcc公司进行了

42、合作研究，提出了西气东输管线断裂控制方案，并征求了国际 上同行专家的意见。经采用tcm公式计算，西气东输工程1016mm钢管在204c止裂所需夏比冲击 功为83j，以此值作为单个试样最小值，则3个试样平均值为110j。鉴于国产管线钢普遍存在断口35分离，并且已生产的x70管线钢的最大cvpcvl00为17，因此经计算并圆整后的西气东输工程1016mm焊管的止裂韧性为，3个试样最小平均值为190j，单个试样最小值为140j。5。c下dwtt 试样剪切面积，两试样平均值大于85，最小值大于70。与此同时，我们还进行了大量的管线钢管止裂研究工作，通过止裂韧性k。的测试分析及试验 研究，建立了止裂应力

43、与cva，的关系，止裂韧性k，。与cv的关系，止裂压力与材料性能参量的关 系及裂纹扩展驱动力与速度及性能参量的关系。在对管线钢管止裂韧性测试分析的基础上，参考 mexay的twocurve模型，引入新的材料参量m，提出了天然气管线裂纹止裂的判据，并给出了止 裂的临界条件：mc=cv 12a。o0229，可对不同钢级管道的止裂韧性要求值进行预测。预测结果与 dnv近期公布的结果基本一致。用137个实物试验结果对m参量法预测结果进行验证，止裂预测的准确率为83(图3)。在 m参量的研究过程中，我们考虑了输送介质对管线止裂的影响，并采用了battelle的气体减压模型， 但未考虑管线许用运行压力和管

44、线钢管几何尺寸对止裂的影响。影响裂纹止裂的因素很多，因此很 难用一个确定的数值来判断管线裂纹的止裂。根据137个实物试验数据对m参数进行修正，考虑设 计系数和钢管几何参数的影响，得出如图4所示的分布图。m参量与管线设计系数和几何尺寸的关 系如下：m=a+fdt3其中：f设计系数；d管径(m)；t-壁厚(m)；a分布参数。 当a=0013时，m取下限值；a=022时，m取上限值。 进一步对137个实物试验的分析表明，止裂发生的几率如图5所示。对1016mm14，6iilin钢管在不同止裂概率下所需止裂韧性的计算结果如表l所示。图3用m参量预测的止裂韧性与实物爆破试验结果比较图4设计系数和管道几何

45、参数对m的影响图5参数a与裂纹止裂发生概率之间的关系基于国内外输气管线启裂韧性和止裂韧性的研究成果，规定西气东输管线焊缝及热影响区启裂 韧性(charpy冲击功)j-个试样平均值不小于90j，单个试样最低值不小于60j；规定母材止裂韧性三个试样平均值不小于190j，单个试样最低值不小于140j。可以看出，这规定具有较高的安全系数 可以保证管线的安全运行。表1 1016 rrtmx 14 6 mm管线止裂韧性要求预测值(j1止裂概率 x60 x65x70x8050 596981 105100 1121311531993高钢级管线钢及管线管国产化研究进展31 x70管线钢及管线钢管的研究开发与批量

46、生产 在开展大量应用基础研究的基础上，我们与有关单位一起，承担了国家经贸委下达的“西气东输工程大口径输气钢管国产化”科研攻关课题。经过两年多的努力，已经完成了该项目7个专题的科研任务，全部用于西气东输管道工程。 在对西气东输钢管的一系列关键技术指标进行深入研究的基础上，参与编制并审查完稿西气东输管道工程用螺旋缝埋弧焊钢管及热轧板卷、直缝埋弧焊钢管及制管用钢板技术规范等5项标准。参与完成了卷板及焊管国产化整体方案制定、论证及试制，负责完成了对国内3个钢厂试制的146mm卷板的试验评价和4个钢管厂试制的1016146mm螺旋缝埋弧焊管试验评价，同时对国内 外钢厂和管厂试制的1016175ram焊管

47、进行了试验评价；与西气东输项目部、钢厂和管厂紧密结 合，解决了热轧卷板和螺旋焊管国产化中的一系列关键技术问题(如bauschinger效应问瓢、残余应力控制方法及标准等)。经过共同努力，试制成功了以针状体素体为主的x70厚壁管线钢板卷，各项技术指标全面达到西气东输热轧卷板技术条件要求：螺旋缝埋弧焊管的焊缝质量和工艺质量达到 技术条件的要求。宝钢、武钢、管材研究所等单位经过一年多的研究和试制，生产的针状铁索体型x70卷板的各 项性能指标均可达到西气东输管道技术规范的要求。目前宝钢和武钢都具备了批量生产x70钢级针 状铁素体热轧板卷的能力。宝钢和武钢热轧板卷cvn实测水平60。c达200400j，

48、dwtt85转变 温度为2040，可以满足西气东输断裂控制的要求。bp溶液中的hic性能良好。宝鸡石油钢管厂、华北石油钢管厂、辽阳石油钢管厂采用宝钢、武钢板卷生产的1016146 mm大口径、厚壁x70螺旋缝埋弧焊管，经管材研究所进行全面试验评价，各项指标均可达到“西气东 输工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件”规定。hic试验结果表明，三家管厂试制的焊管在bp溶液中抗hic性能良好，在规定的时间内，均 未发现裂纹。用环切法测定的残余应力达到了技术条件的要求。bauschinger效应比以往的铁素体+ 珠光体钢有了明显降低。x70热轧卷版和螺旋缝埋弧焊管已批量生产，产量达60余万吨，并在西气东输管道工

49、程中成功 使用。舞阳钢厂、巨龙钢管有限公司、管材所等单位合作开发成功x70宽厚钢板及直缝埋弧焊管，根据大量的数据对比分析，x70钢级01016mmxl46175210mm规格国产西气东输直缝埋弧焊管的 所有性能指标与进口同类uoe钢管处于同等的实物水平，如国产x70直缝埋弧焊管热影响区夏比 吸收能平均值达到243j以上，焊缝的夏比吸收能平均值达到180j以上超过标准要求一倍。各项 性能指标达到西气东输及陕京二线要求，生产和使用量达到二十余万吨。上述主要产品的质量与性能达到国际先进水平，实现了历史性的跨越，为西气东输等重点工程 作出了贡献。32 xto大口径感应加热弯管及大口径三通国产化研究32

50、1感应加热弯管工艺技术研究87我所主持或参加了“西气东输工程感应加热弯管技术条件研究”、“大口径感应加热弯管装备国产 化”、“大口径感应加热弯管工艺研究及国产化研制”、“x70感应加热弯管组织、性能与工艺研究” 等项目，与有关单位一起，研究制定了感应加热弯管国产化方案，解决了弯管国产化中的多个关键 技术问题，包括母管选择，感应加热、冷却、回火等工艺参数优选，弯管生产技术路线、试验检验 标准等，进行了多个弯管厂数十批热弯弯管的工艺研究和质量评定。试验研究及评价结果表明，试 制弯管的主要质量技术指标可以达到西气东输工程用弯管技术条件的规定。在该项目成果的支持下， 有多个弯管生产厂生产出了符合西气东

51、输工程技术标准要求的感应加热弯管，满足了西气东输工程 的急需。为满足西气东输工程对大口径感应加热弯管的需要，应用实验室热模拟技术、力学性能测试技 术和显微分析技术，研究了西气东输工程用x70高钢级感应加热弯管在不同热弯工艺过程中力学性 能和组织结构的变化规律，评价了弯管弯曲段、过渡段、直管段和焊缝等不同区域的组织、性能特 征，揭示了工艺一组织性能间的关系，为弯管的生产提供了优化的工艺参数，制定出了感应加热弯管 煨制工艺。该技术在国内参与西气东输工程用感应加热弯管生产公司推广应用，生产出了符合西气 东输工程用感应加热弯管技术条件要求的弯管，填补了x70感应加热弯管国产化空白。为西气东输 工程生产

52、01016mm x70级感应加热弯管2000多根，产生了可观的经济效益。该技术成果实现了我 国大口径热煨弯管生产的国产化，平抑了国外同类产品的进口价格，为国家节约了大量外汇。3 2 2西气东输用x70大口径三通国产化研究 采用热模拟方式对低碳微合金x70管线钢和高强度压力容器用钢在不同峰值温度下多次加热后强度、韧性等力学性能和金相组织变化规律进行了研究；探索出了c、mn、mo、nb、v、ti系低 碳微合金高强度控轧钢因二次形变热成型，其强、韧性几乎丧失，再次恢复补偿的热加工技术。在综合分析试验基础上，结合热拔三通生产工艺特点和西气东输工程用管件设计技术条件要求， 完成西气东输工程用大口径三通专

53、用板材成分设计，开发出了成套的wphy70高强度三通制造成套 工艺技术，生产出了符合西气东输工程用大口径wphy70j三通，满足了工程急需。“西气东输工程用三通国产化研究”的成功，填补了wphy70级高强度三通管件选材及大口径 三通管件生产的空白，解决了因国外三通生产厂毁约而不能按计划提供三通管件的燃眉之急，为确 保西气东输东段工程顺利通气创造了条件。该技术成果在国内中油管道机械厂等寸余弯管和三通生产厂被推广应用，为西气东输工程生产01016mm x70级感应加热弯管2000多根，中1016mm xt0级热拔三通和弯头2000多件，产生了可 观的直接经济效益。另一方面，由于该技术成果实现了我国

54、大口径热煨弯管和三通生产的国产化， 它也极大的平抑了国外同类产品的进口价格，为国家节约了大量外汇。3 3“x80管线钢管应用工程”管线钢及管线钢管研究开发与实施 在中国石油天然气集团公司科技发展部的主持和组织下，近年来开展了多项关于x80管线钢管的应用基础研究及焊管开发工作，取得了很好的研究成果。虽近，先后组织召开了冀宁联络线敷设x80级管线钢管段工业性应用工程可行性研讨会，与会专家经过充分研讨，达成“国内钢铁冶炼、 轧制和制管技术已具备制造x80级管线钢管”的共识。中石油集团公司科技发展部与中石油股份公司天然气与管道分公司就“在冀宁联络线实施x80 级管线钢管段工业性应用工程的可行性”进行会

55、商，决定在冀宁天然气联络管道干线上实施x80级 管线钢管段工业性应用工程一按照10mpa承压能力设计，敷设一段含有01016x 153mm螺旋焊钢管(替代01016x 175mm螺旋焊钢管)和01016184mm直缝焊管(01016x210mm直缝焊管)的约10公里的x80级管线钢管道。 参加“x80管线钢管应用工程”的单位包括石油天然气集团公司的研究所、钢管厂和设计施工单位及冶金系统的主要钢厂。由中国石油天然气集团公司管道局和管材研究所负责提出x80级管线钢卷板、钢板、螺旋焊管、 直缝焊管技术条件，由挂靠在管材研究所的石油工业标准化技术委员会石油管材专标委组织审查，以中油集团公司标准正式发布

56、执行，此项工作已经完成。 由武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司、宝山钢铁公司和中石油集团华油钢管有限公司、巨龙钢管有限公司和宝鸡钢管有限公司试制x80级管线钢卷板、钢板、螺旋焊管、直缝焊管，管材研究所负责对x80级管线钢卷板、钢板、螺旋焊管、直缝焊管产品试制过程进行监制及质量检测评价，此项工 作已经完成，即将进行产品鉴定。从试制产品检测结果来看，具有低碳、低p、s、低杂质含量、微合金化针状铁素体管线钢的特 点，达到了强度和韧性的合理匹配。在强度指标满足要求的前体下，卷板和钢板一20夏比冲击韧 性平均值达到220j以上，焊管一20夏比冲击韧性平均值达到200j以上，一5dwtt试验的断 口剪切面积平均值

57、在85以上。各项性能指标满足“x80管线钢管应用工程”用热轧板卷、钢板、 螺旋焊管、直缝焊管的质量技术要求。为“x80管线钢管应用工程”的顺利实施奠定了良好的基础。4我国管线钢及管线管的研究方向41管线钢及管线管应用基础问题研究411管线材料强度、韧性的合理匹配 关于管线材料强度、韧性的合理匹配问题，一直是工程中的重要问题。为了保证管道的安全运行，在相关管道设计规范中对管道的强度o。、。，和韧性(cvn)等都提出了相应的最低要求，同时许 多规范及企业专门的采购规范在通用规范的基础上，还规定了其它指标如屈强比o。o，、均匀塑性 变形的延伸率6 n等一些规范中同时规定了材料的o s，o，o to，6-，cvn(k-c，cod，j)