高强度石油天然气管线钢的合金设计.pdf

- 1 - 高强度石油天然气管线钢的合金设计高强度石油天然气管线钢的合金设计 Douglas G. Stalheim1, Keith R. Barnes2, Dennis B. McCutcheon3 1DGS Metallurgical Solutions, Inc., 16110 NE 4th Street, Vancouver, WA 98684 USA, Ph. 360 713-2407, Fax 360 882-1775 2KB Technical Services, Inc., 4 Knots Landing Court, Stoney Creek, ON Canada, L8E 4H2, Ph. 905 662-3738 3 Technology, Stelco, Inc., 386 Wilcox Street, Hamilton, ON Canada, L8N 3T1, Ph. 905 527-8335 ext. 3235 摘要摘要将石油天然气从偏远崎岖地区运输至市场需使用在各种温度条件下均具有优异韧性的高压输送 管线。这一目标可通过增加管线壁厚或钢的强度，以及通过两者的合理匹配来实现。增加壁厚导致建 设成本增加，因此，在过去的 10 年里管线设计的目标一直在致力于采用高钢级的管线钢，如在各种 设计温度条件下具有优异韧性的 X70、X80，甚至更高级别的管线钢等。在高强高韧管线钢生产中已 使用了大量的合金设计方法，但最终确定的组织控制方案主要有二铁素体/珠光体型和铁素体/针状铁 素体型，而且，两种类型钢的制管工艺是完全不同的。除了钢的成本因素之外，轧机和制管设备的能 力也是决定采用哪一种组织类型来满足特定管线项目的关键因素。目前，先进的计算机模拟技术已可 用于辅助完成这一目标。 目前，有两种以 Nb 微合金化为基础的获得铁素体/针状铁素体组织的合金设计方法。其中一种采 用 Mo 合金化的方法在过去 15 年的文献中被经常报道，该技术主要依靠低温轧制技术，因此对轧机能 力要求较高，也影响生产效率。另一种方法是近年来广泛使用的高 Nb 合金化技术。第二种合金化设 计的不同寻常之处是它可以采用较高的轧制温度来生产满足现代输送管线需要的高强韧钢板。这种方 法被称之为“高温工艺技术”、或简称为“HTP”技术。该技术可提高轧制效率，也可缓解传统合金 化技术对轧机的苛刻要求。本文将重点关注 HTP 概念，探讨这两种不同的组织设计方法，以及生产中 相关的合金化设计和轧制工艺原则。文中也将介绍实际管线项目应用、轧制与制管设备、实验问题， 以及预测模型的应用等问题。 关键词关键词HTP；针状铁素体；X80；模型；组织；韧性；管线钢；钢卷；炉卷 前言前言 已探明的油气储量被发现在越来越崎岖、偏远的地区。这些地区往往是寒冷或地质不稳定的地 方，这给管线用材料带来巨大的挑战，图 1。 - 2 - 图 1 高强管线位置线路图示例. 红线标识地区为永久冻土带 除环境因素之外，油气公司为更经济地将油气输送至市场，输送压力也正在逐渐提高，见图 2。 图 2 北美地区天然气输送压力变化情况 表 1 管线设计趋势以及材料特征 管线设计特征管线设计特征 管线材料特点管线材料特点 提高输送压力提高输送压力 增加管线钢强度和/或厚度。 断裂韧性可能会有所降低，而且由于合 金化需要（微合金钢和/或 Cu、 Ni、 Cr、 Mo 等合金化）使材料成 本增加、更加严格的轧制工艺、接近断裂止裂模型极限等。 寒冷的环境寒冷的环境 高的低温断裂韧性。较高的韧性要求钢应具有较高的洁净度、夹杂 物形状控制、 低的 C、 P、 S含量，更为严格的轧制工艺、额外的 裂纹止裂评估方法（CTOD等），材料的成本将受所需工艺和成分 控制的影响等。 地质条件（永久 冻土带） 地质条件（永久 冻土带） 应变设计，需要较高的纵向强度、需要较高的均匀延伸性能，不必 与高强度钢的组织设计相一致。 焊接焊接 较低的碳当量（CE/Pcm）需要新的合金化设计，对强度范围要求也 更加严格，由此导致制造成本增加。 抗氢致裂纹抗氢致裂纹 低碳、较高的洁净度、夹杂物形状控制、较低的 S、 P含量、较高的 铸坯成分均匀性。因合金化和制造工艺等因素使钢的成本显著增 加。 海底管线海底管线 应变设计、较高的纵向强度性能、较低的钢板各向异性，这些要求 也需要改善合金设计，从而导致成本增加。 - 3 - 过去的陆上输送管线设计主要是以应力为基础进行设计的，如管线材料基本上以承受内部压力和 压力波动为基础。然而，因为铺设过程的侧面弯曲以及受海底海流变化等因素的影响，海底输送管线 往往采用应变设计原则。随新发现油气田的气候和位置（如永久冻土带）的变化，陆上管线也逐渐由 应力设计转变为应变设计。另外，天然气由低硫气向酸气的变化、令人关注的公共安全和环境问题、 逐渐增加的输送压力以及管线制造和安装成本等因素使管线设计采用更高的强度、良好的抗止裂性 能、抗氢致裂纹能力、良好的焊接和成形性能等。管线材料的这些特征总结见表 1。 表 2 列举了为表征管线设计特征而最新发展的一些标准需求情况。 表 2 管线设计特征及相关标准要求[1 ，2] 管线设计特征管线设计特征 标准标准 1 标准标准 2 – 海洋海洋 标准标准 3 - HIC 标准标准 4 提高输送压力提高输送压力 X80, 厚壁 X70 厚壁 应力设计，最高 强度到 X70 应力设计，X80, 100 SMYS 水 压试验 、严格的 硬度要求 寒冷地区寒冷地区 低 S, TCVN 190 J to -20 C add -55 C, DWTT 85, CTOD NA NA NA 地质条件（永 久冻土带） 地质条件（永 久冻土带） 应变设计, 纵向 拉伸性能，均匀 延伸性能, 较低 的屈强比，较高 的焊缝强度等。 NA NA NA 焊接焊接 YS 和 TS 范围限 制， 钢管精度控 制 YS 和 TS 范围 限制， 严格的 钢管精度控制 NA YS 和 TS 范围限 制， 钢管精度控 制 抗氢致裂纹抗氢致裂纹 NA NA 控制 C, P, S, Mn 含量，YS 和 TS 15 ksi 控制范围, 控制硬度指标， 高洁净度。 NA 海底管线海底管线 NA 应变设计，纵向 力学性能，屈强 比≤0.88, 压缩屈 服强度试验 环破坏试验 NA 2 合金设计方法合金设计方法 为满足管线设计不断发展的要求，在过去 35 年里受成本、炼钢与轧制技术发展的驱动，管线钢的 合金化设计也发生了很大变化。管线技术进步也带动了钢铁生产技术的发展，例如，酸性介质条件促 进低 C、S 和高洁净度技术；高韧性的需要促进低 C、S、P 和洁净钢技术；高强度需求促进微合金 化、合金化、低温轧制和加速冷却技术等。另外，从上世纪 90 年代初起提出的对管线钢较高的低温韧 - 4 - 性、良好的现场自动焊性能要求促使钢的碳当量逐渐降低，从而对钢的成分设计提出了严格的限制， 如降低 C 含量（0.08最大，最好 0.05）等。因降低 C 含量而导致的强度损失必须通过微合金化、 固溶强化和轧后加速冷却等方法得以补充和提高。 管线钢合金设计发展的最终结果是确定了两种基本的组织类型，这两种组织的钢是目前世界范围 内 API 标准管线钢商业化生产的基础，它们是铁素体/珠光体钢和铁素体/针状铁素体钢。针状铁素体 也被定义为由晶内形核产生的低碳贝氏体。近年来发展的高钢级管线钢 X100、X120 又出现了第三种 组织类型，这种组织是在针状铁素体基体上，含有少量马氏体与其它形式的贝氏体组织而构成。 API管线钢的合金设计是基于低 C-Mn-Si 合金化而发展起来的，这种合金化已成熟应用于 API 5LB 和 X42 钢生产。采用添加小于 0.065的单一微合金元素或复合微合金化；再根据钢板厚度、轧机能力 等添加少量的合金元素（Cu Ni Cr）可生产 API X52-X70。在 API管线钢生产中应用的主要微合金化 是 Nb。为获得更高的强度，V 微合金化作为辅助作用也被广泛使用。在不考虑轧制工艺条件下，C- Mn-Si 微合金钢的组织类型是铁素体/珠光体，这种合金化/组织设计的制造成本最低。 较高强度的 X70 及其以上的高钢级管线钢的合金设计，或为补偿轧机能力而进行的 X65 钢级的合 金设计都是以微合金化的 C-Mn-Si 钢为基础，同时添加少量的 Cu 、Ni、 Cr 等元素（即可单独添加， 也可复合添加，总量应小于 0.6），再添加少量 Mo最大量 0.3而进行合金设计的。Mo合金化与合 适的轧制、冷却工艺结合可获得铁素体/针状铁素体组织。在非 Mo 合金化情况下，通过添加总量最大 达 0.11Nb 也可获得该组织，因为这种钢可在较高的终轧温度条件下实现材料生产，因此被称之为 HTP技术，见 3.2.2。 通过增加 Mn、Cu、Ni、Cr、Mo 的含量，以及采用 B 微合金化技术已可生产 API X100 及 API X120 高钢级管线钢。这种合金设计会导致其他类型的贝氏体组织以及少量的马氏体出现，从而降低钢 的焊接性能，也使材料的制造成本增加。表 3总结了各种 API强度级别管线钢的合金/组织设计概况。 一般来说，铁素体/珠光体组织设计的目标是提高钢的强度。提高合金成分对很多管线性能有负面 影响，因此，管线、组织和合金化间必须建立良好的平衡关系。与钢的强度、合金化和组织因素相关 的主要管线设计特征见图 3。 - 5 - 表 3 API管线钢的合金设计 API 钢级钢级 合金化合金化 X120 针状铁素体/贝氏体/马氏体, C 0.10, Mn2.0, Si0.40, Nb0.06, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B, Pcm≤0.25 X100 针状铁素体/贝氏体, C0.06, Mn2.0, Si0.40,Nb0.06, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Pcm≤0.23 铁素体/针状铁素体, C≤0.06, Mn1.70, Si0.40, Nb≤0.10, Cu, Ni, Cr, Pcm≤0.18 X80 铁素体/针状铁素体, C≤0.06, Mn1.70, Si0.40, Nb≤0.10, Cu, Ni, Mo, Pcm≤0.21 D/t50 F/AF, C≤0.06, Mn≤1.65, Si50 F/P, C≤0.10, Mn≤1.65, Si0.40, 单合金化 Nb≤0.065, 或 NbV≤0.15, Pcm≤0.20 X65 铁素体/珠光体, C≤0.10, Mn≤1.65, Si0.40, 单合金化 Nb≤0.065, 或 NbV≤0.15, Pcm≤0.23 X65 酸性气体酸性气体 铁素体/珠光体, C≤0.05, Mn≤1.35, S≤0.003, Si0.30, CuNiCr ≤0.70, 单合金化 Nb≤0.065, 或 NbV≤0.15, Pcm≤0.15 X60 铁素体/珠光体, C≤0.10, Mn≤1.50, Si0.40, 单合金化 Nb≤0.06, 或 NbV≤0.12, Pcm≤0.23 X60 酸性气体酸性气体 铁素体/珠光体, C≤0.05, Mn≤1.20, S≤0.003, Si0.30, CuNiCr ≤0.70, 单合金化 Nb≤0.065, 或 NbV≤0.12, Pcm≤0.15 X52 铁素体/珠光体, C≤0.10, Mn≤1.20, Si0.40, 单合金化 Nb≤0.050, Pcm≤0.17 X52 酸性气体酸性气体 铁素体/珠光体, C≤0.05, Mn≤1.10, S≤0.003, Si0.30, CuNiCr ≤0.60, 单合金化 Nb≤0.050, 或 NbV≤0.10, Pcm≤0.13 X42 铁素体/珠光体, C≤0.10, Mn≤1.00, Si0.40, 单合金化 Nb≤0.050, Pcm≤0.16 5LB 铁素体/珠光体, C≤0.20, Mn≤1.00, Si0.40, Pcm≤0.16 - 6 - Increasing Alloy per Pcm, CEQ, etc. X120 X100 X80 X70 X65 X60 X52 X42 5LB F/P F/AF Increased Resistance to H2 Cracking AF/Bainite/Martensite Increasing Strength Improved Welding/ability and Cold Environment Properties Offshore Earth Stability 图图 3 管线设计特征说明管线设计特征说明 3 API 管材钢生产技术管材钢生产技术 3.1 炼钢炼钢 在冶炼过程中生产满足 API管线铸坯的主要目标是 严格控制化学成分，保证组织和力学性能均匀性； 控制高的洁净度，保证高的韧性、良好的焊接性能、抗 HIC 以及成形性能； 降低铸坯中心偏析，保证板厚方向的组织/性能均匀性，抗 HIC 和内部分层等问题； 良好的铸坯表面质量，降低管材表面缺陷； 良好的尺寸精度控制，提高下游工艺的效率。 API 管线钢生产炼钢工序的主要装备包括炼铁过程（高炉-生铁、直接还原铁或废钢）、炼钢（转 炉或电炉）、钢包精炼炉（LMF）或精炼站、真空脱气（视产品性能要求决定是否使用）、连铸机 等，示意图见图 4。 - 7 - 图 4 API管线钢生产冶炼工艺过程示意图 在冶炼过程中，一些工艺参数和合金加入过程必须严格控制，相关要求见表 4。 表 4 主要炼钢参数及其对铸坯/钢管质量的影响 工艺工艺 主要参数主要参数 影响影响 夹杂物形状控制 冲击韧性， HIC 吹氩时间 洁净度 – 冲击韧性，内部洁净度，抗 HIC 性能 LF 精炼总时间 综合洁净度 氩气保护 综合洁净度 过热度 中心线偏析、组织控制、钢板韧性、HIC 铸机条件 中心线成分偏析/组织，中心线疏松可能出现中心分层 最小中间包重量 头坯和尾坯的洁净度 – 冲击韧性、内部冶金质量，HIC 保护渣控制 综合洁净度–冲击韧性，内部冶金质量 连铸连铸 连铸拉速 表面质量，局部洁净度 切坯切坯 切割温度 冷 – 可能产生边裂和端裂 生产高强韧性管线钢的铸坯厚度规格为150mm 厚中等厚度坯主要为炉卷轧机提供坯料；常规热 连轧流程的坯厚一般为 220300mm；目前，也有采用厚度 50mm 的薄板坯，利用 Nb、V 微合金化技 术生产厚度小于 12mm钢带的生产技术。 3.2 管线钢轧制管线钢轧制 3.2.1 轧机类型轧机类型 - 8 - 图 5 示意说明了生产 API 管线钢板和钢带的轧机类型和机组结构布局情况。钢卷一般用热连轧机 或炉卷轧机生产，钢板即可利用往复式中板轧机生产，也可以用炉卷轧机生产，同时对厚度小于 9.5mm的钢板也可采用卷板定尺方法生产。 中板轧机是典型的单机架或双机架 4 辊可逆轧机。为提高轧机作业率，可通过添加初轧机架将铸 坯厚度轧制到中间坯厚度，然后再进入精轧机架轧制。由于沿钢板长度方向的温度降低，常规中板轧 机根据其终端产品的厚度，钢板的长度一般都在 50m以内。 热连轧机组一般由一架或两架 4 辊可逆初轧机架及 47 机架 4 辊连轧构成。根据钢带的厚度规格 变化，钢卷的长度甚至可达到 800m。 炉卷轧机的典型特征是在 4 辊可逆轧机的两端各添加一个热卷箱，因为缓解了温降问题，炉卷轧 机也可生产像热连轧机组一样长度的钢带。目前，宽 3m、厚 22mm，重量达 3540 吨的钢卷可通过这 种工艺生产。 所有这些轧机布局均可配备各种加速冷却装置。冷却能力可以从系统总能力低至 1000 m3/hr 到高 至 20 000 m3/hr，甚至可达到使厚度大于 50mm钢板的冷却速度达到 1520℃/s。 图 5 典型的连轧机组和炉卷轧机的结构布局 3.2.2 API 管线钢的轧制技术管线钢的轧制技术 利用上述各种轧制技术生产 API 管线钢的主要目标是控制钢板的平直度，这在实际生产中是难以 控制和保持的。 保持加热和轧制过程中的温度控制来满足产品的要求组织、力学性能； 保持确定的时间表和轧制规程以保证产品的要求组织，力学性能，规格，生产效率。 需重点控制的参数以及它们对管线的影响见表 5。 - 9 - 表 5 主要轧制参数及其对钢卷/钢板/管线质量的影响 工艺工艺 主要参数主要参数 影响影响 加热加热 加热时间－温度控制 合金设计的成本有效使用, 均匀的组织/物理性 能，良好的韧性 初轧 起草计划方案，运行 控制，再结晶控轧， 实现预定的中间坯厚 度和温度控制。 生产效率，韧性（冲击/DWTT），几何形状 严格执行轧制规程 强度、韧性、组织、几何形状 轧制轧制 精轧 精确控制轧制温度 强度、韧性、组织、几何形状 精确控制冷却速度 组织、强度 加速冷却加速冷却 精确控制终冷温度 组织、强度 轧制过程首先是将钢坯加热到预定温度并使钢中微合金元素充分固溶，然后，采用两种典型的轧 制工艺之一进行控轧。这两种典型轧制工艺是1）常规轧制；2）热机械处理（TMCP）。根据钢的 再结晶终止温度以下的变形程度，以及相对于钢的相变温度而设定的终轧道次的温度不同，这两种典 型轧制工艺还可以分解出更为细致的轧制技术方案。各种轧制技术可能伴随或不使用某些形式的加速 冷却方法，见图 6。 常规热轧常规热轧 热轧 HR – 轧制过程中无须考虑终轧温度，只保证几何形状控制，例如，轧制时无须控制 道次数量、道次压下率等，仅以轧机能力为基础进行终端产品的几何形状控制。 控制轧制CR – 控制终轧温度和精轧变形量（中间坯厚度应为钢板厚度两倍以上） 热机械处理热机械处理 TMCP –832-900 C间控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值应为 35，终轧温度应接近于 钢的 Ar3 温度。在 Ar3 温度 50℃以上区间实施所谓的两阶段轧制，可通过位错强化来进一步 提高钢的强度；采用比正常加热温度低的加热技术也可提高钢板的韧性（提高断口的剪切面 积）。 HTP 也采用控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值为 3－5 的轧制技术，但温度范围比 TMCP高，一般为 9251020 ℃。因为含 Nb 量高，终轧温度一般为 Ar3 以上 80℃[3]。 这些轧制技术在 API管线钢生产时即可用于钢卷，也可用于钢板生产[4]。 - 10 - 图6 API钢卷和钢板生产的热机械轧制工艺示意图 轧制后，可采用控冷或水冷加速冷却来获得理想的组织和性能。连续冷却转变曲线（CCT）是制 定轧后冷却工艺的基础。图 7 显示了实际生产的铁素体/珠光体型管线钢、两种铁素体/针状铁素体型管 线钢（高 Nb－HTP工艺型和 NbMo合金化型）的 CCT 曲线及组织情况。 图 7a 7b 7c中的珠光体相变曲线说明采用不同合金化设计的三种高强度管线钢的相变规律是不同 的，但三种钢的 Pcm 值基本相当。较高的 Nb 含量，以及添加 Mo 可以抑制珠光体相变，可在轧后冷 却速度较低（57℃/s）的条件下形成针状铁素体或贝氏体，缓解了对加速冷却能力的要求。事实上， 对 Mo 合金化和 HTP 钢来说，在空冷条件下，对厚度 1216mm 的钢板便可获得铁素体/针状铁素体组 织。 各种强度级别管线钢的合金设计、工艺路线和显微组织类型总结见表 6。 结构 再结晶奥氏体 等轴 Non - recrystallized austenite Austenite ferrite Ferrite/pearlite; ferrite/acicular ferrite TnrAr3 AcC AcC High temperature processing HTP Normal TMCP Controlled rolling CR 20 -70C 18C 0 – 2 x t Air 5 -15C 45C AcC Air Air 3 – 5 x t CR TMCP As rolled 45 - 100C AcC Air 传统过程传统过程TCMP 50 -100C - 11 - a X70 F/P 图, C-Mn-Si-V-Nb, Pcm-0.17 b X80 HTP F/AF CCT 图, C-Mn-Si-Nb, Pcm-0.16 c X80 F/AF CCT图, C-Mn-Si-Nb-Mo, Pcm-0.17[5] 图 7 CCT 曲线及组织概况 表 6 各级别管线钢的合金设计、工艺和组织 钢级钢级 C-Mn-Si 微合金微合金 溶质合金溶质合金HRCR TMCPHTP 微观组织微观组织 5LB X X F/P X42 X X X F/P X52 X X X F/P X52 酸性酸性 X1 X X2 X F/P X60 X X X F/P X60 酸性酸性 X1 X X2 X F/P X65 X X X F/P X65 酸性酸性 X1 X X2 X X F/P X70 X X X3 X X F/P或 F/AF X80 X X X X X F/AF X100 X X X X F/AF/B X120 X X X X AF/B/M 1 – 对酸性介质应限制 C, Mn, Si 2 – 用于在酸性介质有 C, Mn, Si 限制的材料中 3 – 在 F/P组织中不必添加合金元素 总体来说，X70 及以下强度级别管线钢可通过低 C-Mn-Si-Nb-V合金化设计，以 F/P组织实现钢 板/带生产；强度水平或壁厚进一步提高时，应采用 F/AF组织控制进行生产，同时，应添加更多的 合金元素，以及采用更为严格的轧制和冷却工艺。 3.3 钢管生产钢管生产 无论以钢板或钢卷制造焊管，一般均采用电阻焊（ERW）或双面埋弧焊DSAW。DSAW 钢管 成形是通过螺旋、UOE/JCOE（U/JC 成形、O 成形、E-扩管），或角锥成形来完成的，各种制管技 术见图 8。 ERW 制管机图 8a在连续机架间使用了系列周线轮廓辊，或“辊笼”使钢板成形，然后，采用 电阻加热钢板边部并焊接而成。 ERW管的强度级别可达到 X65，直径和壁厚一般小于 610 mm 24” 和 9.5 mm 0.375”。虽然某些 ERW钢管的强度级别可达到 X80，但通常情况下 ERW钢管广泛适用 于低压输送管线或支线管中。 大口径、厚壁输送管线即可采用螺旋、UOE/JCOE，也可采用角锥成形，并通过双面埋弧焊 （DSAW ）方法制造。最高达 1.5变形量的钢管口径冷扩管技术常被采用以提高钢管的尺寸精度， 管径达 NPS72 和壁厚达 50mm 的各种强度级别钢管可采用其中的一种或多种制管技术制造。 a ERW b UOE c 螺旋成形 图 8 制管技术示意图 4 管材－钢管的力学性能变化管材－钢管的力学性能变化 4.1 总体关系总体关系 目前，钢管制造商经常变化，甚至不在同一大陆之内，钢板生产也是如此。了解钢板和钢管间 的性能关系是十分重要的，其最终目标是钢管的性能应达到设计的要求。 一般来说，钢板强度与管体强度是线性相关的，但是，统计表明，与实验室和现场检测数据相 比，钢管强度略有降低。缺口韧性指标也有相似的变化。依据钢的组织和制管工艺、钢管厚度、直 径等因素变化，测量的钢管强度即可能偏高、也可能偏低，两者间的不同是变化的。 450 470 490 510 530 550 570 590 610 630 650 450500550600650 Plate transverse Yield Strength MPa Pipe Transbody Yield Strength MPa F/AF microstructure FP microstructure a X70 UOE – 一些北美最新项目数据统计 450 500 550 600 650 700 750 450500550600650700750 Plate strength MPa Pipe strength MPa F/AF X80 yield strengthF/AF X80 tensile strengthFP X70 yield strengthFP X70 tensile strength X70 ferrite-pearlite microstructure X80 ferrite/acicular ferrite microstructure b 最近的 X70 和 X80 – 显示与屈服强度变化相比，抗拉强度变化很小或略有提高 图 9 管线与钢板强度关系近来的 X70 X80生产数据 众所周知，对铁素体－珠光体钢来说，钢管屈服强度一般低于钢板屈服强度，有时甚至达到 70MPa。而铁素体/针状铁素体组织可使制管后强度明显增加。一般情况下，钢板与钢管的抗拉强度 变化很小，在制管过程中钢管的强度一般不变或略有增加。因此，钢管与钢板的屈服强度和抗拉强 度的变化规律是不同的，图 9a b 显示了这些变化情况。 图 9a 是 2000 年以来几个北美管线项目使用的不同钢板轧制和制管机组的 X70 钢数据情况，该 图清晰地给出了 F/P 钢和 F/AF 钢不同的强度变化规律。图 9b 是最新的两个北美管线项目的 X70 和 X80 数据， F/AF的 X80 钢的屈服强度和抗拉强度变化与 F/P组织的 X70管线钢的变化规律相同，对 F/AF 钢来说，屈服强度和抗拉强度在制管过程中有增加趋势，而对 F/P 组织的 X70 钢来说，屈服强 度出现降低、抗拉强度出现增加的趋势。 图中显示的另外一个特征是即使对同一组织类型钢来说，从钢管到钢板的强度变化规律也不是 固定的。例如，图 9a 显示在 F/AF 钢中，当钢的屈服强度增加时，钢管与钢板的屈服强度差减小。 在 F/P 组织钢中，较高的屈服强度可能导致制管过程中强度升高，而较低的屈服强度可能导致强度 降低。 图 10 显示了钢管强度与 Mo 含量的关系。对大口径 X80 管线钢来说，在 Mo含量为 0.25时， Mo 基针状铁素体管线钢在制管过程中所表现出的行为与 HTP（0.095NbCr）针状铁素体管线钢基 本相同。 -100 -50 0 50 100 150 00.050.10.150.20.250.3 Mo Delta YS MPa Spiral pipe UOE mill2 UOE mill1 UOE mill3 HTP FP - NbV F/AF - MoNb F/AF - HTP 图 10 板－管屈服强度变化与 Mo 含量的关系－X65 – X80 钢 在过去 30 年的文献资料中已对强度变化现象进行了详细的研究和解释。然而，对焊管生产企 业来说，他们一直期望能有基于管线标准，不用过多认识和了解后期制管工艺而制定的强度目标设 定方法。目前，这一目标仍难以实现，因此引发了大量的有关探索更简捷、实用的管线强度估算方 法的研究工作。 与强度变化相似，制管过程中韧性也发生变化，见图 11。虽然韧性变化的原因尚不清楚，但对 焊管制造企业来说，建立一种焊管韧性的实用估算方法也是十分重要的。通常情况下，可采用比规 定要求更低的温度进行钢板测试来研究焊管的韧性（如在比焊管测试规定要求低 15℃或更低的温度 下进行韧性测试），实践证明这是可行的。但是，对通过低 S、高洁净度控制而生产的高韧性水平 钢来说，人们发现了管材与钢管间的差异，表明在制管过程中缺口韧性是有明显变化的，见图 11[5]。 100 150 200 250 300 350 400 100150200250300350400 Plate Charpy Impact Energy -20C J Transbody Pipe Charpy Impact Energy -5C J 11.7-16.1mm X80 spiral 12mm UOE X80 - order average13.4mm UOE X80 - order average 11 图 11 钢板－钢管的 CVN韧性变化 在深入了解钢板与钢管性能间关系时，钢板的各项异性也应被重视，原因有二 在螺旋成形焊管中，与直缝管不同，标准钢管试验方向与钢板横向是不一致的； 在应变基础的管线设计中，纵向和横向强度都是重要的，对横纵向强度比有一定的规范 要求。 各向异性在较大程度上受晶体结构的影响。一般来说，控轧钢板的横向强度最高，图 12。根据 轧制工艺变化，45 度方向的强度即可能比 0 或 90方向高，也可能比 0 或 90方向低。通常情况 下，两相区轧制可加剧这种变化。 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 6 57 07 58 08 59 09 510 0 4 5 Y S ks i a 45 vs. 90 b 与轧制方向成各种角度的试验 图 12 钢板强度各向异性说明– X80 如图 13 所示，韧性也有方向性。有趣的是，在 45方向出现低谷，在该方向上，钢板的强度也 较低。 0 50 100 150 200 250 300 350 0102030405060708090100 testing orientation relative to rolling direction -45C CVN J or shear Energy shear 图 13 钢板不同方向的韧性变化（ 14.2mm X70 MoNb）[6] 钢板生产企业应深入了解性能方向性变化与合金设计及轧制工艺的关系，以便向采用各种制管 技术的企业提供合理的钢铁产品。 450 500 550 600 650 0102030405060708090100 sample orientation wrt rolling direction plate yield strength M Pa X70 F/P 14.2mm X70 MoNb 19mm X80 F/AF - HTP 4.2 钢的屈服行为钢的屈服行为 钢管的强度主要取决于钢板的屈服强度，钢板的屈服强度在制管和随后的冷扩（如果应用 的话），以及拉伸实验过程中又随应变途径不同屈服行为发生改变。这些应变途径主要包括拉 应变、压应变和表面的扭转应变，这取决于所采用的制管和拉伸方法。图 14 所示的是 UOE 制 管过程中试样的应变途径。 内表面 外表面 图 14. UOE 制管和拉伸过程中，管材内表面和外表面的应变途径 该图表明，管材的内表面主要承受的是环向压缩，随后在冷扩、拉伸试样压平及拉伸实验 中又经历了环向拉伸。相比之下，管材的外表面在最初的制管过程中先受到某些压缩之后主要 经历了环向拉伸，在冷扩时经受拉应力，在拉伸试样压平过程中承受压应力，在拉伸实验中又 经受拉应力。管材厚度方向上的每部分都要承受这些不同的环向应力，因此，最后钢管的强度 就是在这些往复的拉、压应力的复合作用下建立起来的。 钢的屈服行为可以通过它的应力-应变曲线、制管过程中的包申格效应来表征。包申格效应 是指在经受预应变之后，再受压应力将使材料屈服强度降低，反之亦然的现象。应力-应变曲 线主要可以表示基本的屈服强度、屈服点或吕德斯平台、加工硬化率和抗拉强度。这些值都 受到材料内部原子和晶体结构的影响，比如，组织特征、合金元素、微合金化等。铁素体/珠 光体钢的屈服行为与针状铁素体钢的屈服行为明显不同，如图 15 所示。 - 20 - 图 15. 管线钢典型的应力－应变曲线 图 15 表明，与 F/AF 钢的连续屈服不同，F/P 钢有明显的屈服点和屈服平台。钢的这种基 本屈服行为可以作为预测从钢材到钢管过程中屈服强度变化的基础。图 16 显示了 X70[7] 和 X80 在制管过程中强度变化随管材屈服强度或吕德斯平台的变化情况。 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 00.511.522.53 Yield Point Elongation Delta YS MPa X80 MoNbX70 NbVX70 F/AF F/AF FP 图 16. X70 和 X80 制管过程中强度变化随管材屈服强度的变化关系, t/D0.9-1.2 如图 16 所示，F/P 和 F/AF 这两种钢的屈服点延伸是不同的，F/AF 约 0～2％，F/P 约 1.5～3.5％。屈服平台很大程度上取决于钢的组织构成，含具有高硬化特征的组织越多，应力 －应变曲线中连续屈服程度越大。 4.3 制管制管 制管过程中，对钢管强度有影响的实际应变途径有 钢管的成形比– t/D 冷扩管 钢管强度的测试方法，比如，选择压平板状拉伸或环向拉伸或圆棒拉伸 - 21 - 首先，高的成形比可获得高的强度， 如图 17[7]所示。通常，在大口径钢管成形过程中， 每增加 0.2％的成形比，从钢板到钢管的强度将增加～13MPa。 -80.00 -60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 0.811.21.41.61.82 Foming ratio t/D Delta YS MPa UOE Spiral 图 17. 制管过程中钢管成形比与强度的变化关系 制管后，通常采用冷扩（≤1.5％应变）来提高 API 钢管的直径均匀性和管径精度。这个 过程通常也会引起钢管强度增加，如图 18 所示。在图 18 中对 F/P 和 F/AF 两种钢也做了对 比。 400 450 500 550 600 650 700 750 PlatePipe UnexpandedPipe Expanded 1.25 Strain Strength MPa X80 HTP F/AF YieldX80 HTP F/AFTensile X70 F/P YieldX70 F/P Tensile API X80 Minimum Yield Ci合金和微合金; di1 或–1/2, 取决于特定的合金或微合金 - 23 - 统计学的方法不能解释隐藏在力学性能背后的真正原因。该领域最初的模型主要以扩展的 Hall-Petch 关系为基础，屈服强度和韧性是各种强韧化机制的叠加。 YS 或 FATT σ kd-1/2 ..2 其中， d 晶粒直径, σ Σaiσi σi 除晶粒尺寸外影响强度的各种因素，比如，固溶强化、析