基于应变设计的x70抗大变形焊管的研究开发

基于应变设计的x70抗大变形焊管的研究开发

0抗大变形钢管的设计随着管道在地震区域、冻土区域和滑动带区域的建设，焊接管道的焊接要求具有较大的抗变形能力，以确保管道的安全和完整性。传统的管道设计采用应力设计方法,即以管道运行中所承受的环向内应力为设计依据,不考虑管道的纵向应力及应变。传统的设计方法显然无法确保这些区域焊管使用的安全性。目前,国际上针对此类管线采用“基于应变的设计方法”,要求管道自身能够承受大的纵向应力及应变,以适应地质条件引起的变化,确保管道的安全性和完整性。对于这类管道建设所需的直缝埋弧焊管的技术要求,除了满足普通焊管的技术要求外,还需满足:(1)最低纵向屈服强度要求和低的纵向屈强比要求;(2)高的纵向均匀延伸率及应力比要求。已设计开工的中缅管道工程由于要穿越长距离的地震及滑坡区,因此在这些区域的设计中采用了“基于应变设计的方法”,使用X70抗大变形焊管。而通过对普通X70钢管的测试表明,其不能满足钢管服役环境对钢管纵向屈服强度、屈强比、均匀延伸率及应力比的要求。与传统管线钢相比,这类具有抗大变形能力的钢管对钢板和钢管制造提出了更高的要求,且我国还不能自主生产。中国石油集团针对中缅项目提出了研制X70抗大变形焊管的要求,巨龙钢管有限公司作为主力单位参与了该抗大变形焊管的研制。1材料的显微组织抗大变形焊管制造的关键是高应变、高硬化能力及低屈强比材料的开发。双相或多相微观结构已经用于具有较高伸长或较低屈服比的钢材中,例如铁素体-马氏体或铁素体-贝氏体微观结构。双相组织设计充分利用了硬相确保材料强度、软相提供较高均匀变形的能力,以及软、硬相在不同阶段变形强化所带来材料整体的高硬化能力的作用。双相材料的应力-应变分为3个阶段,如图1所示。对于X70抗大变形钢板,设计采用铁素体+贝氏体的双相组织。显微组织的获得主要是通过合金成分设计及TMCP工艺。成分设计首先要确保足够的强度,所以应添加适当的合金元素。同时合金元素的添加应避免阻止在后续过程中铁素体组织的析出。TMCP工艺设计应重点考虑获得合适比例的铁素体及贝氏体,尤其是下贝氏体组织,这主要通过控制ACC入水温度以及冷却速度来实现。通过以上成分及工艺的控制,确保了X70钢板具有铁素体+贝氏体双相组织以及低屈强比和高延伸率的特征。焊管制造采用湖南华菱湘潭钢铁有限公司所生产的X70级壁厚17.5mm抗大变形钢板,钢板的化学成分见表1,典型的铁素体+贝氏体显微组织如图2所示,典型拉伸性能见表2。从表2可以看出,开发的X70级壁厚17.5mm钢板具有高均匀延伸率、高应力比及低屈强比等抗大变形材料所需的全部特征。横向屈服强度略低于X70钢管屈服强度要求,这是考虑了双相组织高的加工硬化能力以及为制管后强度上升留有一定的空间。2拉伸性能检测采用此工艺生产的700余t抗大变形钢板,在巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊管生产线进行了X70级准1016mm×17.5mm抗大变形焊管的制造。制管工艺设计中充分考虑了材料加工硬化导致强度的上升、均匀延伸率及应力比的降低情况,制定了合适的成型及扩径工艺。其余制管工艺与同规格普通X70焊管无异。制管后根据标准要求,逐根取纵向试样进行时效前拉伸性能检测及(200±5)℃时效5min后拉伸性能检测,每5根取横向试样进行拉伸性能检测。理化取样时充分考虑了火焰切割过程热的影响,取样尺寸足够大以确保测试区域的性能不受热的影响。2.1试验结果及分析表3为128根钢管的纵向时效前拉伸性能实测值与标准值对比。可以看出,时效前所有纵向试样的均匀延伸率、应力比全部达到了要求,只有个别钢管的屈服强度和抗拉强度超出了标准范围,其中Rt0.5合格率为95%,Rm合格率为96%。焊管最终要在热涂敷后使用,所以涂敷后的性能尤为重要。采用油浴炉加热试样并保温模拟涂敷过程,研究其对焊管性能的影响。通过试验得出了如图3所示的试样升温曲线。在此工艺下对试样进行了热时效,之后进行了拉伸性能检测。表4为128根钢管热时效后纵向拉伸性能,图4和图5分别为时效后拉伸性能、均匀延伸率的正态分布情况。可以看出,经过热时效后所有纵向试样的均匀延伸率、应力比全部达到了要求,只有个别钢管的屈服强度和抗拉强度超出了标准范围,其中Rt0.5合格率为92%,Rm合格率为90%。与表3对比,经历时效后屈服强度、抗拉强度、屈强比有所升高,均匀延伸率、Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0、Rt5.0/Rt1.0有所降低。图6为钢管纵向时效前后典型应力-应变曲线。可以看出,应力应变曲线表现为连续屈服特征。对32根钢管横向拉伸性能及验收要求进行了分析,结果见表5。可以看出,横向拉伸性能全部符合标准要求。钢管横向试样采用压平矩形试样,其测试值包含了包辛格效应。因此,横向屈服强度表现的比纵向屈服强度还要低一些,实际上钢管的横向真实屈服强度更高一些。2.2拉伸性能变化规律直缝埋弧焊管制造过程中,由于扩径的作用导致钢管强度升高。强度升高的趋势受到材料自身强化能力及扩径率的影响。通常主要是指横向屈服强度的升高,对于纵向的变化数据较少。但前期试制的数据表明,对于抗大变形焊管,扩径对纵向屈服强度的影响可能更大。通过对制管前、后钢板和128根钢管纵向拉伸性能比较,获得了该材料制管前后拉伸性能的变化规律,见表6。从表6可见,制管后纵向拉伸性能变化巨大。屈服强度平均升高达80MPa,抗拉强度升高达30MPa,屈强比平均升高0.09,均匀延伸率及应力比均有不同程度的下降。这种变化与大变形钢的高强化能力有关。基于此规律,抗大变形钢板应获得低于钢管标准的屈服强度水平及屈强比,而均匀延伸率及应力比应高于钢管要求并尽可能高。2.3钢管热涂贴过程热效益分析表7为钢管纵向时效前后拉伸性能的变化规律。可以看出,经过对128根钢管的热时效处理,钢管屈服强度、抗拉强度、屈强比均升高,其中屈服强度平均升高达37MPa,而均匀延伸率、应力比等指标均下降。热时效强化是由位错的相互作用和可扩散C原子造成的,钢板生产工艺和钢管扩径工艺会引发位错,位错因C原子而得到固定,而C原子因为加热而活化,导致屈服强度和屈强比增加。其他钢管的热涂敷过程同样会导致钢管屈服强度和屈强比增加。因此,如果以时效后的拉伸性能作为验收依据,则应根据时效变化规律来设计时效前纵向拉伸的性能指标,进一步将其转化为钢板的性能指标。3抗大变形钢板经制管性能(1)批量研制成功了铁素体+贝氏体双相组织X70级准1016mm×17.5mm抗大变形直缝埋弧焊管,钢管力学性能符合中缅管道工程对抗大变形焊管的要求。(2)抗大变形