基于應變設計X80鋼管性能關鍵影響因素分析及模擬評價*

陳國龍

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

1 概 述

管道基于應變設計是相對傳統設計中的基于應力設計而言的。基于應力的設計方法是以應力作為控制參量，允許管道在內壓和溫差等共同作用下，等效應力小于管材的許用應力。但在一些特殊地帶，如活動斷裂帶、采空區、滑坡、凍土、泥石流等復雜地質條件地區，如果發生地質災害，管道所承受的載荷超過其許用應力甚至發生屈曲的概率較大，此類工況如果采用基于應力的設計方法，會導致選用管材的壁厚增加，從而增加了工程建設的成本，或者因壁厚過大導致采購困難。基于應變的設計方法是以位移作為控制參量，允許管道的受力超過其許用應力，并且當管體發生塑性變形，但其形變量小于其許用應變時仍能夠保證管道安全運行[1]。

基于應變的設計的方法由歐美國家率先提出，并在一些工程中得到應用，如美國的阿拉斯加管道、阿爾博特-Nova 輸氣管線等；國內在2009 年西氣東輸二線工程的西段也得到應用，管道經過多處活動斷裂帶，采用了基于應變設計的X80鋼管；2012年建設的中緬原油天然氣管道工程經過強地震帶和地質活動斷裂帶，采用了基于應變設計的X70鋼管[2-4]。

目前，國外許多油氣公司及研究機構開展的管線基于應變設計的研究主要集中于管線應變容量的評價。應變容量即管線應變極限，根據不同的設計應變需求，將應變容量乘以一定的安全系數，則可以得到在該狀態下的許用應變，基本表達式見公式（1）[5]。因此，要保證基于應變設計管線的安全，提升應變容量是最重要的途徑。

式中：ε——設計應變；

［ε］——許用應變；

F——設計系數；

εcrit——應變容量，即應變極限。

本研究主要對影響管線應變容量的關鍵性能指標進行了闡述，并結合實際工程需求開展試驗研究，提出基于應變設計X80 鋼管的性能指標建議。

2 影響管線應變容量的關鍵因素

應變容量的研究，分為以局部屈曲為典型判據的壓縮應變容量和以拉伸斷裂為判據的拉伸應變容量。由于環焊縫具有材料、幾何的不均勻性，同時可能存在焊接缺陷，管材的拉伸應變容量往往取決于環焊縫的拉伸應變容量，而管材的壓縮應變容量則取決于管體母材。

為了獲得管材的應變容量，必須對管材的拉伸應變容量和壓縮應變容量進行準確的評價，而影響管體母材壓縮應變容量主要包括屈強比、應力比、均勻延伸率、屈服強度和抗拉強度、各向異性以及雙相組織六個因素。

2.1 屈強比

屈強比是指屈服強度與抗拉強度的比值，代表了管材的強度容量和形變容量。隨著屈強比的增加，從管材開始屈服到失效的空間減小，管材的脆性增加，變形能力減弱。在基于應變設計中，形變強化被認為是一個關鍵參量，它表征管材抵抗塑性變形的能力，形變強化指數高，則表明管材結構安全性好。而管材的形變強化能力經常用屈強比來描述，形變強化指數會隨著屈強比的增加而減小[6]。李洋等[7]的研究表明，隨著管材屈強比的升高，管材均勻伸長率、形變強化指數均呈現明顯的下降趨勢，表明屈強比能夠反映管材的形變能力。

2.2 應力比

應力比指特定的應變值所對應的應力的比值，例如Rt2.0/Rt1.0指管材在2%應變下的應力與在1%應變下的應力的比值，局部屈曲應變和應力比呈現一定的關系[8]。對于需要保證一定壓縮應變容量的管材來說，可以通過找到應力比與管材屈曲應變的關系模型，通過確保管體的應力比，達到所需的管材應變容量。在此理論基礎上，近年來的項目中，管線鋼管標準都引入了應力比作為鋼管的關鍵指標，這些項目包括西氣東輸二線、三線、中亞D線、中緬管線（國內段）。圖1所示為中緬管線某種規格的鋼管應力比與屈曲應變的關系[9-10]。

圖1 2D平均壓縮應變和Rt2.0/Rt1.0的關系

2.3 均勻延伸率

均勻延伸率是與拉伸應變容量和后屈曲變形能力相關的一個指標。對于具有較高均勻延伸率的管材，在受到外力作用發生變形時，能夠保證管材能夠均勻受力而不發生應力集中，從而不會出現徑縮或局部屈曲失穩的情況。在西氣東輸二線和中緬管線的X80和X70鋼管標準中，規定了時效前7%、時效后6%的最小均勻延伸率[10-11]。

2.4 屈服強度和抗拉強度

對基于應變設計用的UOE 和JCOE 工藝生產的直縫埋弧焊管來說，要考慮管線軸向的受力變形，因此，相對于基于應力設計的管線，基于應變設計管線需要增加管材縱向屈服強度和抗拉強度的測試。屈服強度和抗拉強度的大小，直接影響屈強比，進而影響管材的應變容量。

基于應變設計中至關重要的一個問題是焊縫強度匹配水平。Hartbower 等[12]在1951 年發現焊縫應該達到強匹配，以在塑性應變中保護焊縫可能存在的缺陷。但同時焊縫強度升高易導致氫致開裂和低韌性。比利時根特大學的Denys 建議，對于基于應變設計來說，必須要焊縫強度高匹配[13]。基于應變設計中，焊縫強度匹配最常用的定義是根據管體金屬和焊縫金屬的強度來定義。

2.5 各向異性

現代高強度熱機械控制工藝（thermalmechanically controlled process，TMCP）管線鋼通過鋼板的生產及鋼管的成型工藝可以產生具有很高機械性能各向異性的管材。圖2所示為一種X80管線的軸向、45°方向、環向拉伸應力-應變曲線，可以看出橫向屈服強度比縱向屈服強度高的多，同時兩個方向上的抗拉強度（UTS）相對接近。

圖2 X80管線鋼不同方向應力-應變曲線

近年來的研究表明，無論是對于壓縮應變容量分析，還是對于拉伸應變容量分析，各向異性的影響都是無法忽略的[14]。

2.6 雙相組織

鋼管的應變容量可通過提高形變強化性能獲得，形變強化性能受到顯微組織很大程度的影響。由硬相和軟相組成的雙相顯微組織可獲得較高的形變強化性能。

Chen 等[10]使用聚焦離子束（FIB）切割，加工微小圓柱，結合原位掃描電鏡納米力學測試，對雙相組織中的單相性能進行了測試。通過調整塊狀鐵素體和貝氏體的相含量的組成，獲得了不同貝氏體含量與管材應變能力的關系，結果表明，在一定范圍內，管材屈強比隨著貝氏體含量的增加而下降，從而其屈曲變形能力會增強。

3 數值模擬及性能評價

中國石化新疆煤制氣外輸管道工程（新氣管道工程）規劃建設管道線路全長8 372 km，主干線管徑1 219 mm/1 016 mm，采用X80/X70鋼，經甘肅、河西走廊等約37條斷裂帶，該地區管道擬采用基于應變設計，且計劃采用國產基于應變設計X80鋼管，共計長度約21.3 km，管材用量1.5萬t。因已建工程采用的X80鋼基于應變設計鋼管均為國外進口，中石化石油工程設計有限公司依托此工程，與中國石油集團石油管工程技術研究院技術合作，開展并完成了基于應變設計X80鋼管的極限應變能力研究的重大技術先導項目，為實現基于應變設計X80鋼管的國產化進行技術儲備。

結合國內外研究經驗，對采用的基于應變設計X80管線鋼管進行壓縮應變能力與上述關鍵性能指標相關性開展了研究。首先通過精確外形測量及逆向建模，建立可靠的管道屈曲行為仿真模型，再進行鋼管樣品的性能收集，選取具有不同形變強化能力的鋼管性能數據進行屈曲應變分析，基于歷史數據，獲得具有不同屈曲行為及對應力學性能指標的基礎數據庫，摸索建立了本工程管道屈曲應變量與力學性能指標的關系式，最終采用全尺寸試驗進行了驗證。

3.1 試驗用管及基本性能

采用根據初步技術指標試制的基于應變設計X80M鋼級鋼管，規格為Φ1 219 mm×26.4 mm。

分別在管體、焊接接頭相應位置截取試樣，通過化學成分分析、拉伸試驗、導向彎曲試驗、夏比沖擊試驗、落錘撕裂試驗（DWTT）、硬度試驗、顯微組織觀察，對X80基于應變設計鋼管性能進行評價。結果表明，鋼管化學成分、管體橫向拉伸性能、管體縱向拉伸性能、焊接接頭拉伸性能、焊接接頭導向彎曲試驗結果、管體、焊縫和熱影響區夏比沖擊韌性、管體及焊接接頭硬度、管體顯微組織、非金屬夾雜物及晶粒均滿足符合試制技術指標要求，且管材的組織為鐵素體+貝氏體的雙相組織。

3.2 數值模擬

3.2.1 初始幾何外形測量及逆向建模

初始幾何缺陷對于管線鋼管的屈曲行為影響重大，不考慮初始幾何缺陷有限元數值仿真，評估的臨界壓縮應變往往偏大。初始幾何缺陷包括壁厚的波動、管體外表面的形狀波動、管徑沿軸向的變化分布等。通過三維激光跟蹤儀測量獲得數千個測量點組成的點云，及超聲測量獲得的對應點壁厚數據，建立管體三維模型。在此基礎上，進行三維有限元分析，即可獲得相應的變形行為描述。在這些數據基礎上，根據“點-線-面”的技術路線，建立如圖3所示的鋼管線框模型，并完成鋼管外形的逆向建模，如圖4所示。

圖3 通過激光精確測量數據建立鋼管線框模型

圖4 鋼管精確CAD模型

3.2.2 X80管材塑性各向異性研究

通過完成管線鋼管不同方位的拉伸/壓縮試驗，得到了X80管材不同方位的應力-應變曲線。圖5 為相對制管焊縫45°位置三方向拉伸曲線。從圖5可以看出，三個方向的拉伸曲線均由彈性階段和塑性階段部分組成，彈性階段時三條曲線基本重合；塑性階段時，材料呈現明顯的各向異性特點，而當塑性變形達到一定程度后各向異性減弱。

圖5 45°位置的三方向拉伸曲線

通過對單向拉伸試驗數據進行處理，獲得了主要的材料各向異性參數，為后面的模型建立提供了數據支持。

3.2.3 屈曲行為仿真研究

使用ABAQUS 建立有限元模型，對鋼管進行屈曲行為仿真，獲得了通過精確數值仿真進行鋼管屈曲應變及相關參數敏感性分析的技術手段。

在此基礎上，進行了11 個不同縱向應力比（Rt2.0/Rt1.0）的鋼管在12 MPa 內壓作用下的屈曲應變的數值仿真分析，獲得了12 MPa 下不同應力比與鋼管臨界屈曲應變（εav,c）的對應關系，具體數值見表1。由表1 可知，隨著應力比（Rt2.0/Rt1.0）的增大，鋼管臨界屈曲應變量逐漸增大，對兩者的相關性進行擬合，其線性關系為

表1 不同應力比與鋼管臨界屈曲應變計算結果

同時模擬了7 MPa下應力比與鋼管臨界屈曲應變的相關性結果，其線性關系為

3.3 全尺寸彎曲試驗

為了驗證數值模擬的準確性，開展了全尺寸彎曲試驗。全尺寸彎曲試驗系統如圖6所示，由圖6可見，由于主動力臂末端受到油缸推動，兩個力臂末端均有轉動的自由度，因此，油缸加載的推力就對鋼管產生了彎矩。在內壓和彎矩的共同作用下，鋼管截面對應外側部分受到拉伸載荷作用，對應內側部分受到壓縮載荷作用。

圖6 全尺寸彎曲試驗系統工作示意圖

由于無內壓時，局部屈曲的形式是不規則塌陷，而在一定內壓條件下，局部屈曲的形式是環狀外鼓，因此分別進行了有內壓和無內壓兩種條件下的全尺寸彎曲試驗，以描述不同屈曲模式下的應變能力。兩種不同條件下鋼管的位移-載荷曲線如圖7所示。

圖7 不同條件下位移-載荷曲線

由實物試驗獲得，在無內壓及存在內壓下進行全尺寸彎曲試驗，鋼管的臨界屈曲應變分別為1.1%和1.53%。其中，在有內壓鋼管失效時，管道內壓力7 MPa，用式（3）計算結果為1.56%，模擬與實物試驗誤差為2%。

數值模擬與實物試驗相結合，對管材臨界屈曲應變與關鍵指標關系的數值預測模型進行了修正，確定了X80鋼管壓縮應變容量相關的關鍵技術指標。對于新氣管道工程基于應變設計的X80 鋼級Φ1 219 mm×26.4 mm 規格鋼管，其設計屈曲應變容量為1.55%，為了達到該性能，根據公式（2），應力比Rt2.0/Rt1.0的指標為≥ 1.033，同時使用Rt1.5/Rt0.5≥ 1.07進行控制，確保拉伸應力應變曲線形狀[15]。研究表明，屈強比大于0.85，形變硬化指數n開始明顯下降，如圖8所示。因此，為保證較好的形變強化指數，最大屈強比為0.85。

圖8 屈強比與形變強化指數的關系

考慮匹配關系、拉伸應變容量等因素，結合國內鋼管的制造水平及《基于應變設計地區油氣管道用直縫埋弧焊鋼管》規范中規定的技術指標，給出基于應力設計鋼管和基于應變設計X80 鋼管主要性能指標要求的對比，見表2[15]。

表2 基于應力和應變設計的X80鋼管主要性能對比

對于新氣管道工程基于應變設計的X80鋼級Φ1 219 mm×26.4 mm規格鋼管，規定了管體橫向強度，保障了管道承受內壓的能力；增加管體縱向強度、最小應力比、最小均勻延伸率的要求，確保基于應變設計管線軸向的受力變形能力和需求的設計變形量；限制最大屈強比，保障鋼管在變形后仍能夠保持足夠的強度。通過各項技術指標的約束，使其滿足工程需求。

4 結 論

（1）隨著管線建設在復雜地質條件下推進的需求日益增大，基于應變設計管線材料有廣闊的應用前景。針對基于應變設計的鋼管，相比于基于應力設計的鋼管，提出合理的應力比、縱向屈服強度和抗拉強度、屈強比、均勻延伸率指標，是保證鋼管滿足工程應用需求的關鍵。

（2）對中石化新疆煤制氣外輸管道工程用基于應變設計的X80M 鋼級Φ1 219 mm×26.4 mm 規格鋼管進行數值模擬和實鋼級物試驗，得出管材的最小應力比Rt2.0/Rt1.0為1.033，縱向屈服強度為530～630 MPa，縱向抗拉強度為625～770 MPa，最大屈強比為0.85，最小均勻延伸率為6%。