X100鋼管運行試驗的技術標準和制造

徐 婷 編譯

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077）

1 試驗材料和規范

1.1 試驗材料

對天然氣的需求日益增長，推動著高鋼級長輸管線的不斷發展，X100鋼管的應用成為過去10年廣泛研究的課題之一。筆者研究了X100鋼管的制造、建設、結構性能和長期運行性能，以及鋼管沿整條管線在局部區域承受應變的能力。

試驗材料為 1條長 800 m的 X100鋼級φ1 219 mm×19.8 mm的埋地管線，工作壓力為18 MPa，管線的設計系數為0.8，在2年內承受壓力循環，模擬約40年的壓力服役狀況。

1.2 管線規范

本研究對管線管和焊接的要求都進行了規定。表1為管線設計的關鍵參數，表2為管線管未涂覆時的主要性能指標。

表1 管線設計關鍵參數

表2 管線管主要力學性能

2 X100管線管母材合金設計

X80管線鋼主要顯微組織是具有細粒鐵素體的上貝氏體。對于X100高強度管線鋼的顯微組織包括低溫轉變產物，如帶有少量馬氏體-奧氏體（M/A）的下貝氏體，以獲得更高強度和合適的斷裂韌性，其顯微組織和SEM照片如圖1所示。

圖1 典型X100管線鋼管顯微組織和SEM分析結果

為獲得低合金的顯微組織，鋼的組分被高度優化。選擇低C-Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-Ti化學成分來實現奧氏體淬透性的最大化，而同時保持低Pcm（裂紋敏感系數）值，低Pcm有助于提高鋼的焊接性能以及降低合金的成本。

3 X100管線管焊縫金屬和熱影響區設計

圖2 Pcm值和焊縫金屬抗拉強度之間的關系

在研究焊縫性能的試驗中，發現主要通過其淬透性可以控制焊縫的強度。圖2為Pcm值和焊縫金屬抗拉強度之間的關系。由圖2可以看出，焊縫金屬強度隨Pcm值的增加而增加。Pcm值選擇為0.27%±0.03%，考慮母材的化學成分來設計焊縫金屬化學成分可以達到Pcm值的目標要求。

可以采用一些方法優化熱影響區（HAZ）的韌性。鋼管保持低的C和Si含量，使MA組分達到最小。采用微合金化元素（Nb，V和Ti）來控制M/A，限制晶粒長大，并限制有害析出物的影響。減少N，P和S的含量，且控制好淬透性來確保在焊接熱循環期間得到細板條為基的組織的轉變。通過控制S的含量達到母材高韌性要求，添加B來控制焊縫金屬的韌性。

4 生產工藝

鋼管生產采用UOE制造工藝，成型后縱向焊縫由埋弧焊接完成，內焊縫采用3根電焊條，外焊縫采用4根電焊條。焊接輸入熱量控制盡可能低，使熱影響區達到高韌性。焊接時，為避免焊縫產生延遲氫致開裂，焊劑和坡口應保持干燥。

焊接后為精確控制最終鋼管形狀，對鋼管進行機械擴徑，擴徑率在短距內最大為1.5%。靜水壓試驗后，對縱向焊縫進行超聲波檢驗。最后，UOE鋼管管端采用超聲波和磁粉檢驗方法進行無損檢測。

5 試驗鋼管化學成分及力學性能

5.1 化學成分

生產的50根X100鋼級φ1 219mm×19.8 mm鋼管，單根長度為12m。母材的化學成分見表3。C，Mn，P，S和N元素對母材和熱影響區（HAZ）的韌性非常重要，應將這些元素的含量控制在目標優化范圍內。

表3 母材的化學成分 %

5.2 力學性能

5.2.1 拉伸性能

力學性能試驗采用棒狀試樣和API全壁厚板狀試樣，分別應用于橫向和縱向。

兩種不同規格試驗鋼管的力學性能試驗結果見表4～表7。

表4 φ8.9mm棒狀試樣橫向拉伸試驗結果

表5 全壁厚板狀試樣橫向拉伸試驗結果

表6 φ12.7mm棒狀試樣縱向拉伸試驗結果

表7 全壁厚板狀試樣縱向拉伸試驗結果

從拉伸試驗結果可以看出，橫向平均屈服強度為776 MPa，接近協議范圍690～810 MPa的較高值；縱向平均屈服強度為657 MPa，接近協議范圍630～790 MPa的下限。這表明規范規定的鋼管縱向屈服強度的上限應降低，可能會允許放寬環焊縫金屬的強度而達到同樣過匹配強度水平。橫向和縱向的母材平均拉伸強度是相似的，且大致為協商范圍的中間值。

圖3為試驗類型對鋼管橫向拉伸性能的影響。從圖3可以看出，由于包申格效應，板狀試樣具有較低的屈服強度，包申格效應對高強度鋼級更為明顯，當橫向彎曲試樣壓平時會發生。對比縱向棒狀試樣和板狀試樣的結果，表明拉伸性能無較大的差別，這說明鋼管的拉伸性能在壁厚上是一致的。

試樣橫向平均屈服強度比縱向高120MPa，這是由于機械擴徑時的加工硬化造成的，這種影響隨著抗拉強度的增加而增加，這種情況在高強度鋼中更為常見。這導致試樣縱向平均屈強比為81% （板狀試樣），而橫向平均屈強比為93%。

圖3 試驗類型對鋼管橫向拉伸性能的影響

5.2.2 韌性性能

材料的韌性性能由夏比V形缺口試驗和全壁厚壓制缺口落錘撕裂試驗（DWTT）來測定。

夏比沖擊試驗結果見表8。6%母材沖擊功的單個值小于目標值（200J），其測到的最小值為181J，滿足項目對初期控制的要求。

表8 V形缺口夏比沖擊試驗結果

由表8可以看出，-30℃下焊縫平均韌性為147 J，最小值為117 J，這已經大于目標值（100 J）和最小值（75 J）的要求。-30℃下熱影響區的韌性為144 J，單個最小值為57 J。母材、焊縫和熱影響區典型的溫度轉變曲線如圖4所示。當轉變發生溫度低于-30℃時，母材、焊縫和熱影響區的50%上平臺能轉變溫度都分別低于-80℃、-68℃和-62℃。

圖4 夏比沖擊溫度轉變曲線

5.2.3 DWTT試驗

-20℃的DWTT試驗平均SA為98%，最大100%，最小值為88%，符合項目規范的要求（≥85%）。 典型DWTT轉變曲線如圖5所示，85%SA的轉變溫度為-44℃。

5.2.4 硬度試驗

X100鋼管典型焊縫接頭平均硬度見表9，其硬度分布如圖6所示。其中圖6為與X60鋼級的對比。管體、焊縫和 HAZ硬度均小于300HV10，滿足項目規范要求。

圖5 DWTT溫度轉變曲線

表9 X100焊縫接頭平均硬度值

圖6 典型焊縫接頭硬度分布

對于X100高強度管線鋼管，減少HAZ軟化、HAZ寬度的最小化及維持過匹配對保證焊縫接頭的強度都非常關鍵。X100管線鋼管焊縫接頭典型的顯微組織如圖7所示。從圖7可以看出，焊縫的焊偏控制在3 mm以內，焊縫的最窄點大于公稱壁厚6.6 mm的1/3，焊道高度控制在低于3 mm的范圍，均與鋼管規范的要求一致。

圖7 典型焊縫接頭微觀組織

6 結 論

（1）試驗X100管線鋼管能夠滿足技術標準的要求。

（2）橫向和縱向拉伸性能均控制在項目規范的范圍內，最大偏差為35 MPa，并且可以使其中的一些范圍更加嚴格，盡可能地提高應變性能，如管體縱向屈服強度公差和均勻延伸率等。

（3）-20℃時母材最小韌性超過了 180 J，-30℃焊縫韌性超過了117 J，實現了對裂紋止裂的要求。

（4）焊縫接頭硬度水平滿足項目規范要求，管體、焊縫和HAZ硬度均低于300HV10。