2006 超高强度管线钢管X120的开发

超高强度管线钢管X 120的开发(日)朝日均等 摘要　天然气的重要性已受到人们的高度关注,但必须降低其远距离输送成本,采用高压操作、小口径薄壁干线用管是有效的办法,为此需要高强度管线钢。

新日铁与世界最大的油气公司Ex x onM o bil 公司合作开发了强度等级超过以往的X 65和X 80的超高强度大口径管线钢管X 120。

X 120的生产技术要求比X 65和X 80更高。

双方在材质设计、炼钢、浇铸、钢板生产和钢管生产(U O E 成型和焊缝技术)等方面进行了系统的研究开发,完成了包括小批量生产在内的钢管开发和使用性能评价,并对管线敷设时的现场环焊实用技术等进行了综合开发。

研究分析证明,X 120的商业化生产是可行的。

1　前言天然气的重要性已受到人们的高度关注,预计在不远的将来,天然气将超过石油成为最大的一次能源。

但是,由于天然气的主要产地往往远离大的消费地,因此必须降低其远距离输送成本。

虽然液化天然气(LN G )的输送也越来越重要,但仍有相当一部分天然气的输送还必须由管线来完成。

降低远距离(超过1000km )管线输送成本的有效方法是采用高压操作和使用小口径薄壁管线,为此需要高强度管线钢管。

至今已采用的高强度管线钢以API (美国石油协会)标准5L X 80为最高强度等级。

为了通过大幅度提高强度来降低管线钢管的成本,在世界其它大型企业正在进行X100的开发和应用研究时,Exx onMo bil 公司和新日铁已经成功地完成了X120的开发,大大加快了管线钢管高强度化的进程,见图1所示。

图1　管线钢管的发展历程2　X 120钢管的开发目标和开发课题X120的开发目标示于表1。

根据X120所要求承受的内压,钢管的必要条件是其环向的最小屈服强度(SM YS)应大于827M Pa(根据API 标准,X80使用0.5%轻负载屈服强度,随着强度的增加,如果不使用0.6%、0.7%的值,就无法准确测定屈服强度。

为避开这种复杂性,X 120使用了位移为0.2%的屈服强度)。

由于钢管的纵向强度和内压强度之间没有直接的关系,所以没有对钢管的纵向强度做出规定。

为防止发生裂纹,规定了以焊缝部的V 型缺口夏比冲击值作为钢管所要求的低温韧性。

另外,为防止发生裂纹时能停止裂纹的传播,还对CVN 的DBT T (断口的延性脆性转变温度)、巴特尔落锤冲击试验(B-DW T T)的韧性断口百分数和CVN 值做出了规定。

对于这些值的规定,通常是把根据DNV O S-F1012000的X80以下的要求值进行外插值作为设定目标值。

为了在寒冷地区也能使用管道钢管,还规定了-20℃时所要求的特性。

另外,除了全厚度试验,其它试验的温度均为-30℃。

表1　X 120的开发目标性能母材焊缝和HAZ 抗拉强度TS (环向)/Y S ≥827T S ≥931M PaTS ≥931　-30℃夏比冲击值/J ≥231≥84-20℃C TOD/mm≥0.14≥0.08断口脆性转变温度/℃≤-50　-20℃B -DW T T SA /%≥75 注:C TOD —裂纹尖端开口位移值。

·57·2006年第2期总第338期 鞍钢技术AN GAN G TECHNO LOGY大的提高,因此必须从材质设计、炼钢、浇铸、钢板生产和钢管制作(UO E钢管成型技术和管缝焊接技术)等各个领域进行相互、有机的研究开发。

3　X120钢管的开发和特性3.1　钢板的开发使用X120钢管的管线项目所需的钢管数量一般都在数十万吨到百万吨,而且必须在短期内进行集中生产。

因此,钢板的状态应是不经热处理的热轧状态,而且工艺流程的生产能力必须很强。

特别是由于管线的敷设速度取决于钢管现场安装时的焊缝焊接速度,因此要求管线钢管具有极为良好的焊接特性。

在这种情况下,要求管线钢必须是低温裂纹敏感性低、焊前不预热就可获得高韧性的低碳钢。

,必须采用相变强化的方法。

从这种观点出发,对能获得高强度、高韧性的钢板的显微组织进行了研究。

使用实验室设备,采用不同的化学成分组成和不同的制造方法试制钢板并进行了研究。

结果表明,低碳贝氏体组织能满足高强度、高韧性(设定目标:-30℃≥120J)的要求。

下贝氏体组织能获得极高的夏比冲击值,上贝氏体组织中存在着粗大的M A(奥氏体-马氏体组织),而且由于上贝氏体束的下部构造比下贝氏体粗大,因此夏比冲击值低。

为了获得贝氏体组织,可采用如图2所示中途停止水冷的直接淬火法IDQ(间歇式直接淬火)工艺。

为了能获得微细、稳定的下贝氏体组织,还确定了轧制条件、冷却条件和IDQ 停止温度。

图2　IDQ工艺示意图用B钢,但在管线用钢允许的合金元素添加范围内的B钢具有非常好的特性,因此最终还是选择了B钢。

添加能将N完全固定下来的Ti,为充分提高B的淬透性作用,还添加了Mo。

图3所示为钢板的强度和韧性的关系,B钢的夏比冲击值比无B 钢高。

C量特别低的B钢具有很高的韧性。

图3　合金系对抗拉强度和夏比冲击值的影响图4所示为模拟粗晶区HAZ(焊接热影响区)热循环试样的夏比冲击值与淬透性指数U的关系。

生产X120钢板时要求淬透性指数U>3,在这一范围内,B钢的夏比冲击值比无B钢高。

B钢的粗晶区HAZ组织以下贝氏体为主。

图4　淬透性指数U对HA Z韧性(夏比冲击值)的影响下贝氏体钢的强度接近同一化学成分的马氏体钢的强度。

众所周知,马氏体的强度取决于C 量。

因此,X 120钢板的强度也与C 量有很大的相关关系。

图5所示为X120钢的抗拉强度和C 量的关系。

为便于参考,图中还同时示出了X80钢和X100钢的数据。

X100以下等级钢板的强度与C 量的相关关系小,而X 120钢的强度与C 量的相关关系基本成正比,其强度接近最高强度(马氏体的强度),因此可以预测HAZ 不会发生低温裂纹。

事实上,根据采用图6(略)所示的GM AW (气体保护金属极电弧焊)焊接的Y 形焊接裂纹试验结果可知,即使不进行焊接预热,也没有发生焊接裂纹。

对于X120这种下贝氏体组织钢来说,焊接裂纹敏感性受C 含量的影响很大。

图5　高强度管线钢的C 含量与抗拉强度的关系根据这一结果,开发了低C 、高Mn-Mo -Ti-B 钢。

首次生产出930M Pa 以上的高抗拉强度、高韧性热轧厚钢板。

另外,为满足目标强度,应在炼钢工序中批量生产出C 含量范围比普通钢更窄的钢,目前已开发出这一技术。

3.2　焊接技术的开发在X120钢的焊接中,为尽可能利用现有的生产设备,采用了正面和反面各一道次的SAW (埋弧焊接)法。

另外,由于要求焊接材料的强度要与母材相同或更高,因此不能使用现有的焊接材料。

在这种情况下,开发了新的高强度、高韧性SAW 用焊接材料。

焊接材料的强度与韧性一般呈对立关系,强度越高,韧性就越低。

图7所示为采用试制的焊丝和焊剂所获得的SAW 焊接材料的强度与韧性的关系(韧性用平均值表示,1个点相当于1个组合的结果)。

即使是1000M Pa 级钢用的SAW 焊接金属,随着强度的提高,韧性也呈下降趋势。

图7　SAW 焊缝金属强度与韧性的关系尽管在同一强度等级下韧性值有波动,但通过选择适当的焊剂和焊丝,合理设计焊接金属的化学成分,是能够获得强度为1000M Pa 左右、韧性84J 以上的焊接金属的。

这种焊接金属的组织为上贝氏体。

根据这种试验结果,开发了焊接性良好的高强度、高韧性焊接金属用的焊丝和焊剂。

另外,焊接线能量越低,焊接部的HAZ 韧性就越好。

因此,X 120钢的焊接选择了比以往管线钢焊接线能量低的焊接条件。

同时,还开发了包括优化坡口形状和焊接条件在内的焊接技术。

采用这些新开发的焊接材料和焊接技术,就能够使焊缝具有与母材相同强度的高韧性。

3.3　钢管成型技术采用X120进行UO E 成型的技术难点与高强度钢相同,就是如何解决大的弹性变形回复。

在最初阶段,通过FEA (有限元解析)和工厂实验,开发了解决成型时发生弹性变形回复的成型技术。

例如,在进行与X65相同的成型过程中,采用U 形冲压时,弯曲钢板的开口量增大,无法将钢板插入下道工序的“O ”形冲压模。

另外,满足正圆度的条件也非常苛刻。

为通过FEA 模拟来再现UOE 制管的全过程,开发了优化的成型条件和成型工具。

结果,制造出了达到目标要求形状的钢管。

3.4　钢管的试制和特性在进行上述开发的同时,从开发的最初阶段起就反复进行了试验,逐步解决问题,推进开发工作。

用14～20m m 厚的钢板试制了直径为711～914mm 的钢管。

表2所示为钢管母材(钢板)和焊接材料的化学成分实例,表3所示为钢管的机械特性实例。

表2　具有代表性的母材和焊接材料的化学成分/%母材C M n M o Ti BP cm 钢板　0.0410.036 1.931.960.320.340.0200.0170.00120.00120.210.21焊接材料C Si M n Ni M o Cr P cm 外焊道内焊道0.050.050.230.181.631.692.22.60.920.9811.10.310.32采用周向膨胀试验对钢管环向强度进行了测定,确认了钢管环向强度100%超过了环向的最小屈服强度。

图8为钢管纵向抗拉应力-应变曲线。

钢管的应变均匀延伸在3%左右,表明其具有很好的塑性变形能力,能满足大部分管道钢管的设计要求。

母材的V 型断口转变温度(DBTT)都低于-50℃,-30℃的夏比冲击值也很高,达到了目标要求。

虽然B -DW TT 试验的韧性断口率没能满足开发目标值要求,但在实际的气体爆炸试验中确认了断口为韧性,裂纹传播速度最大为300m /s,比气体的减压速度小很多,可以认为在使用上没什表3　钢管的机械特性抗拉试验*焊缝夏比冲击值/J B-DW T T 环向纵向　(3个试样的平均值)剪切面积/%YS /M Pa T S /M Pa El /%Y S /TS Y S /M Pa TS /M Pa El /%YS /T S T S /M Pa 钢管母材焊接材料FL **1mm FL **2m m 钢管母材钢管1　897　974　25　0.92　905　938　27　0.96　941　0℃-30℃2872872001782281262491720℃-20℃64.6562.59钢管2　920　1017　24　0.90　911　981　23　0.93　988　0℃-30℃287290172167156432261060℃-20℃88.8190.79 *:带状试样;**:距SAW 熔合线的距离。

图8　典型的应力-应变曲线(长度方向)么问题。

由于焊接材料的特性已满足了目标值,因此在距粗晶区HAZ 的FL (熔合部)+2m m 处的HAZ 韧性值也高。

但是,在距局部脆化区FL +1m m 处还存在着低值。