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长距离输气管线用X120级钢管的研究_续一_

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长距离输气管线用X120级钢管的研究(续一)D.P.Fairchild,W.J.Sisak,C.W.Petersen,S.D.Papka,M.L.Macia,K.T.Corbett,R.J.T.App leby,J.Y.Koo,N.V.Bangaru,M.S.W eir(美国埃克森-美孚石油公司,美国)张　帆　编译(中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000)摘　要:X120级高强度管线钢的发展为天然气生产商提供了将长距离输气管线总造价降低5%～15%的机会,进而可降低向市场输送天然气的价格。

成本降低来源于多个方面,包括材料、施工、(气体)压缩以及与综合设计方案结合所带来的节约。

介绍了X120钢级发展方案的概况,包括大规模的试验和环缝焊接,同时讨论了X120级管线钢实际应用的方案,在这些方案中管道承压较高,管径较小,最终工程总造价可节约5%～15%。

关键词:输气管道;X120钢级;性能研究;应用方案中图分类号:TE973.1　文献标识码:A　文章编号:1001-3938(2006)04-0031-05(上接2006年第3期第32页)4　对环焊缝焊接工艺的研究高强度管线钢管的成功焊接取决于足够的抗氢致开裂能力和优良的焊接能力,使用焊机焊接时能保证一定的强度-韧性平衡。

X120级管线钢管的环缝焊接技术同时也可应用于X80和X100级管线钢管。

在研究初期,对研究方案的指导原则和目标性能做出如下设定:(1)采用工业习惯做法与焊接程序以获得相容特性并保持较低的氢含量。

(2)设计适合的焊接材料和焊接方法避免焊接缺陷。

(3)焊缝金属特性:屈服强度>827MPa,抗拉强度>931MPa,总伸长率>18%。

(4)夏比冲击功(CVN):84J(-30℃以下)。

(5)韧脆转变温度(DBTT):小于-50℃。

(6)裂纹尖端位移(CT OD):0.13mm(-20℃)。

(7)管线适用流体:干燥天然气,无H2S。

由DNV标准[8](见标准secti on C301,Table6 -3)推导出X120级管线钢在-30℃时,夏比冲击功为84J。

由BS7910、有限元分析以及其他不同设计条件推导出了断裂力学性能指标。

在设计过程中考虑到了钢管的安装和使用过程中的不同因素。

4.1　冶金设计与焊接工艺选择通常,钢管环缝焊接依赖于针状铁素体(AF)显微组织,但对X120级管线钢来说,AF过于脆弱。

故确定了马氏体、贝氏体和(或)他们的衍生物作为焊缝金属的基本微观组织,其中体积分数(5%～15%)较小的针状铁素体可保证高韧性。

不使用具有低氢立式电极的熔化极自动保护电弧焊对X120级管线钢进行焊接以保证焊接韧性及防止氢致开裂。

不使用包芯和金属芯气体保护金属极电弧焊(G MAW)是考虑到焊缝金属含有氧元素以及韧性的要求。

这里我们使用固体焊丝脉冲气体保护金属极电弧焊(PG MAW)对X120级管线钢进行焊接。

在现行工业实践中采用PG MAW焊接法具有焊缝连续、缺陷率及氧含量易于控制、含氢率低等优点。

焊接热输入低是・13・焊管・第29卷第4期・2006年7月PG MAW的另一显著优点,尤其是马氏体、贝氏体的焊缝金属设计方案。

这是由于迅速冷却可使采用较低合金含量即能达到预期的显微组织要求。

4.2　焊丝设计目前市场上尚未有满足X120级管线钢焊接性能要求的焊丝,因此美国埃克森-美孚石油公司设计了一种专用焊丝以满足X120级管线钢的焊接要求[9]。

在设计中对20种金属焊丝进行了评估,试样直径为0.9mm。

通过金属焊丝化学性质的改变来研究合金效果,合金元素包括:C、Mn、Si、Cr、N i、Cu、V、Zr、Ti和B。

Pc m=C+Si/30+ (Mn+Cu+Cr)/20+N i/60+Mo/15+V/10+5B,焊缝金属的Pc m为0.24%～0.33%,其决定焊缝金属的强度。

添加Zr和Ti元素来研究它们对合金晶粒化学性质、组织、形状、数量的影响,以及这两种元素作为针状铁素体(AF)形核的能力。

使用CRC-Evans自动焊接法,P200单炬焊机对X120级管线钢进行焊接,坡口为标准CRC 坡口。

为了优化焊接性能及可焊性,应对保护气体配比进行选择研究。

A r∶He∶CO2比例分别为85∶0∶15,80∶10∶10和85∶10∶5。

高CO2含量可使焊接过程较易进行,缺陷较少,CO2含量过低会增加焊缝金属的氧含量,降低韧性。

焊接热输入(fill2pass inputs)及T8/5冷却时间分别为0.6～0.7 kJ/mm和4～5s。

试验使用的X120级钢管管径为760～914mm(30～36in),壁厚为16mm(0.63 in)。

最小预热温度及焊接温度范围为100～125℃,氢致断裂临界温度为125℃。

经过对焊丝的实验室评估之后,按照工业规模制造焊丝,其化学成分见表5。

焊接时使用的保护气体大多为Ar∶He∶C O2,体积比80∶10∶10,在这一比例下的混合气体可保证可焊性及焊缝金属韧性的最佳综合效果。

几种焊缝金属的化学成分及力学性能见表6。

表5　焊丝化学成分% 焊丝w(C)w(Si)w(Mn)w(N i)w(Cr)w(Cu)w(Ti)w(Zr)Pc m210.0670.61 1.86 2.950.170.520.0140.0290.303220.0600.60 1.79 2.910.090.270.0140.0250.275230.0450.60 1.86 2.980.160.300.0140.0240.270240.0760.60 1.86 3.020.210.200.0160.0360.303 注:对于所有焊缝金属w(S)≈0.004%;w(P)≈0.008%;w(A l)≈0.008%;w(Mo)=0.57%～0.61%;w(Nb)<0.001%;w(V)<0.001%;w(B)<0.0004%;w(N)≈0.0031%;w(O)≈0.003%。

表6　焊缝化学成分及力学性能焊缝焊丝w(C)/%w(Si)/%w(Mn)/%w(N i)/%w(Cr)/%w(Mo)/%w(Cu)/%w(Ti)/%w(Zr)/%w(V)/%w(B)/%w(O)/%w(N)/%Pc m/%屈服强度/MPa极限抗拉强度/MPa伸长率/%GG210.0610.491.752.640.190.530.530.0090.0200.0090.00040.03360.00470.28493196618 HH220.0530.481.662.500.130.540.340.0080.0100.0090.00050.03080.00340.25686290320 II230.0500.501.782.680.180.540.300.0090.0190.0090.00050.03120.00390.26389793823 JJ240.0760.531.782.840.200.580.220.0110.0280.0060.00040.03010.00290.291966102120 注:对于所有焊缝金属w(S)=0.001%～0.004%;w(P)=0.007%～0.009%;w(A l)=0.002%～0.005%;w(Mo)=0.52%～0.58%;w(Nb)=0.003%～0.005%;屈服强度测量偏差为0.2%。

4.3　焊缝金属显微组织对焊缝金属的显微组织进行分析发现其具有良好的强度与韧性,这种显微组织被命名为AF I M (混布针状铁素体的马氏体)。

针状铁素体在冷却过程中形成,并将奥氏体晶粒细化为更小的颗粒,这一细化过程有效地降低了晶粒尺寸。

经过细化的奥氏体组织可进一步转变为硬度较高的、环绕着针状铁素体的马氏体、贝氏体混合组织。

表7描述了GG和HH焊缝显微组织。

其他相关冶金数据及焊缝金属显微组织结构收录在文献[10]中。

表7　焊缝金属显微组织焊缝焊丝显微组织AF/%组成单元晶　粒平均尺寸/nm密度/m-2 GG2110LM+DUB384 5.2×1010 HH2215DUB+G B+LM401 5.2×1010注:LM-板条马氏体;DUB-退化上贝氏体;G B-粒状贝氏体;AF-针状铁素体。

・23・焊 管 2006年7月　4.4　环焊缝焊接力学性能用于评估焊接力学性能的测试方法为焊缝金属拉伸测试、夏比冲击功测试和裂纹尖端位移(CT OD )测试,对每一个测试焊缝进行测量并绘制出能量转变曲线和CT OD 转变曲线。

对使用工业用焊丝焊接的焊缝进行拉伸测试,其结果见表6,夏比冲击功和CT OD 测试数据见表8,图12为优化AF I M 焊缝金属的韧性转变曲线。

使用低Pc m 的焊丝,焊缝强度较低,韧性较高,使用Pc m较高的焊丝正相反。

在文献[9]中记录了有关焊丝评估、焊接技术研发以及力学性能的相关细节。

表8　夏比冲击功和CT OD 测试数据焊缝焊丝夏比试验冲击功/J 韧脆转变温度/℃CT OD测试次数测试温度/℃平均值/mm 三者最小值/mm 韧脆转变温度/℃GG 2182-7028-100～00.140.14-80HH 22110-7126-100～00.190.18-74II 23103-7214-80～-200.180.16-83JJ2474-5811-200.080.08图12　优化AF I M 焊缝金属的CVN 和CT OD 转变曲线4.5　宽板试验确定断裂韧性采用宽板弯曲测试(C W P )[11]对大规模环焊焊接断裂韧性进行评估。

在比利时Gent 大学的Soete 实验室进行了三组试验。

在焊缝处取试样,如图13所示,并在焊缝处机械预制一个凹槽,凹槽的宽度延伸至焊缝金属或HAZ 区。

试验的目标裂缝深度约为3mm ,实际断裂深度在试验后于断裂面具体测得。

分别进行改变焊缝金属匹配等级(高、适中、低)以及不同焊接坡口的一系列测图13　宽板弯曲测试试件图例试,测试温度为-20～-40℃。

C W P 试验也包括大量拉伸测试和CT OD 测试。

X120级管线钢C W P 测试具体方法以及相关评估标准见文献[12]。

C W P 测试的一组结果(失效应力对应断裂深度)见图14。

在试验过程中未发现低失效应力下造成大尺寸的断裂。

在不同的试验条件下,例如刻痕深度、位置、测试温度、倒角错位度以及焊缝金属强度等,失效应力几乎没有变化。

图14　C W P 测试结果4.6　环缝焊接氢致断裂研究对焊缝金属断裂进行评估采用以下方法进行初步研究:加拿大焊接协会(W I C )测试法[13]、Y槽测试[13]以及高强度板(str ongbacks )上的多重焊接。

使用高强度板是为了模拟在最恶劣情况下,环形焊缝上可能出现的残余应力。

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高压输气管线用高强度级管线钢管(续)

高压输气管线用高强度级管线钢管(续)


（Ｉ Ｉ ）管段标记
延性 断裂扩 展距离 ／ ｍ （Ｉ Ｉ）模拟结果
１０ ０
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６ ０
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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蔷 ４ ０
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０ １０ ０ ２０ ０ ３０ ０
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摘 要 ： 于新 版 ＩＯ ３ ８ （ Ｄ Ｓ 管 线钢 管 国际标 准 ， 基 Ｓ １ ３ Ｆ Ｉ ） 论述 了对 高 强度 管 线钢 管 的技 术 要 求
及 其背景 。 着重 阐述 了管 线钢 管在 高压运 行环 境 下 的行 为 、 强度 管线 钢 管的 典型 力学性 能 高
和 Ｘ ０强度 级 管线钢 管的止 裂性 能。 ８
响所 测得 的止 裂 韧性 数值 。这 种 在 具 有 均 衡 韧性 的管 段 串 上对 延 性 断 裂 “ 裂 ” 止 的试 验 更 符 合 实 际状况 。在 ＩＯ Ｅ Ｒ Ｓ ／ Ｐ Ｇ标 准提 供 的作 法 中 ， 通 过实 物试验 所测定 的止 裂韧性 同通 过其经 验方 程 式所 推算 的数值 只有加 上不 同 的修 正 系数才能
维普资讯
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２ ０・
焊 管 ． ３ 卷第 １ ・０８ １ 第 １ 期 ２０ 年 月
●试 验 与 研 究
高压 输气 管线 用 高 强 度级 管 线钢 管 （ ） 续
竹 内泉 ，牧野宽之 ，水濑诚
（ ． 友金 属东京本 部 ；２ 住 友金属 研究所 ；３住 友金 属鹿 岛工厂 ） １住 ． ．
以外径 １ ２ ｍ（６ｉ）壁厚 ２ ｍ 的 Ｘ ０ ２ｍ ５ 、 ４ ｎ ６ｍ ８
级 管线 钢 管 为 例 ， 验 温 度 一１ 试 ５℃ 。 力 １ ． 压 ６１ Ｍ ａ ８ ％ 屈 服 强 度 ） 介 质 为 压 缩 空 气 。 比 较 Ｐ （０ ， ＩＯ Ｅ Ｒ Ｓ ／ Ｐ Ｇ和 Ｈ Ｐ测量 止裂 韧性 的作法 见 图 ３ Ｌ 。
超高强度管线钢管X120的开发

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Exxon M ob il 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(UO 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A P I (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X 100的开发和应用研究时,Exxon M ob il 公司和新日铁已经成功地完成了X 120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X 120的开发目标示于表1。

根据X 120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(S M YS )应大于827M Pa (根据A P I 标准,X 80使用015%轻负载屈服强度,随着强度的增加,如果不使用016%、017%的值,就无法准确测定屈服强度。

探究焊接热循环对X120管线钢组织和性能的影响

探究焊接热循环对X120管线钢组织和性能的影响

2019年3月  | 175电伴热是为了维持管道、设备内输送介质的温度，保证介质的流动性，防止流体在管道内结晶而堵塞管道，对电伴热管道进行保温，能维持管道温度的恒定、减少电伴热的热损耗，节约能源和提高伴热效率。

3.2 防腐蚀一般情况下，高湿度及高盐度的区域都是易于发生腐蚀的区域。

类似的，靠近冷却塔和蒸汽喷发口的设备也更加易于发生保温层下腐蚀；此外，工作温度经常在露点温度上下切换的设备也较容易发生保温层下腐蚀现象。

API 581标准里列出了以下几个区域都是发生CUI 的高度敏感区域：(1)暴露于冷却塔的区域；(2)暴露于蒸汽喷发口的区域；(3)暴露于喷水系统的区域；(4)水分或者酸蒸汽易于进入的区域。

在对管道线路的保温层下进行检测时，应当优先对以下区域进行检查：(1)保温层上突起物，例如通风口、排水管道等；(2)保温层上不规则区域，例如阀门和管件等；(3)法兰盘及其它管道组件上保温层的终止区域；(4)垂直管上保温层的终止区域；(5)管道内较低的点；(6)高合金管道体系中的碳钢或者低合金钢法兰盘，螺栓及其他组件；(7)管道支撑以及管吊架区域等。

3.3 保温技术化工管道保温技术直接关系到工程的经济性和生产的投资，能否得到回收，因此为了防止环境热污染，应该节约能源，对设备进行合理的温度设计和结构的设计是非常必要的。

对于新保温材料进行及时更换，合理利用新型材料，对阀门法兰等尺寸进行现场特殊保温处理，精心进行保温施工和日常维护。

这些过程的顺利实施，才能达到效果好的保温效果。

导热系数小的材料应该包在内层，这样才能使热损失较小，导热系数越小的材料价格则越高，包在内层的用量比包的外层的少，投资费用则较小。

此时热损失可以变的更小一点，只有大于临界半径，保温效果才越好，保温层越厚，才能顺利的达成满意的保温效果。

4 结语化工管道的保温层，需要对保温结构、施工过程、管道功能、运行调试、成品保护等方面进行总结分析，经过实践经验，当前保温绝热工程中出现的保温层减薄、防潮层隐蔽不合格、保温外壳开裂、保冷管道凝露、热量流失等质量缺陷及其原因，都可以从技术要求、人、机、施工工序、管理、设计、材料验收等方面提出相应的控制措施，对于化工保温设计改进、施工质量控制具有重要意义。

高性能输送管线钢(续)

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Ｘ ０级管线用钢 ， ７ 建成了横贯我国国土 ， 举世瞩 目
的西 气东输 管 线 ， 这是一 个很 大 的进 步 。 目前 ， 国输 气 管道 工 业 面临 着 当代 输气 工 我 业共 同 的 问题 ， 长 距 离 输 送 天然 气 生产 企业 已经 生产 出直径 ２ ２１３ １ 的长距 离 玻 璃 钢 输 ． 、． １ ３ ｍ 水管 ， 将供 水行 业难 以接 受 的设计 变成 了事 实 ， 这 是值得 钢 管生产 企业 注意 的。
２ 输气管线用钢
２ 世纪 以来 我 国 在 输 气 管线 用 钢 方 面取 得 ｌ 了长 足 的 进 步 ， 展 了 以 针 状 铁 素 体 为 基 体 的 发
理方式 。 。 。通过此图可以看 出， 使用 目前通用的 输气 管线技术 运输 天然气 的最经 济、 理距 离 合
（ １０×１ ／ 按 ０ ０ ｍ’ａ计 算 ） ２ ０ ｍ， 宜 超 过 为 ００ｋ 不 ３０ ｋ ００ ｍ。运输距 离再 长 应 当考 虑 采 用 “ 化 气 ” 液 （ Ｎ ） 式输 送 ， 同 我 国西 气 东输 经 验 相 符 。 ＬＧ形 这 例 如新疆 天然 气 井 口成 本 不 过 是 每 立 方 米 几 角 钱， 过４０ｋ 经 ００ ｍ的 长途输 送 ， 到长 江三 角洲地 区
问题。《 给水排水工程埋地钢 管管道结构设计规
程 》 ２０ 是 ０ ２年 才颁 布 的 ， 集 国 内各大 市政 设 计 是
院经验的新标准 ， 因此笔者探讨 的问题 ， 可能参与 探讨者不多。但此探讨能使我们今后的输水管线 建设更安全 ， 建设费用更经济 ， 是非常有意义的。
发表相 关论 文 多篇 。
的成本高达每立方米 １３ ，远高于产 自 ．元 东海气