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大口徑鋼管的制造工藝及性能要求

本文介紹大口徑鋼管制造工藝、鋼管性能要求和上游工序的技術進步。

大口徑鋼管的制造工藝

1 鋼管制造方法概要


1.1 大口徑焊接鋼管的制造方法

大口徑鋼管是由厚板、熱軋板經過成形、焊接而成。制造方法首先按焊接法分類,將采用高效率和可靠性高的埋弧焊(submerged arc welding)鋼管稱為saw鋼管。本文討論的大口徑鋼管主要以這種saw鋼管為對象。saw鋼管又分為縱向焊接的埋弧焊直縫鋼管l-saw和螺旋焊的埋弧焊螺旋鋼管h-saw。l-saw鋼管有適合大批量生產的uo成型法、適合品種多量少的彎曲輥法和壓力機床法。

jcoe成型法是介于uo成型法和壓力機床法之間的方法。在壓力的最末段是否有擴徑工序對鋼管性能有很大影響,有無該工序也是分類方法之一。h-saw相當于螺旋焊管,將板卷狀的鋼板成型為螺旋狀,再焊接對接部位而成。除采用成型、定位焊接后再進行saw的傳統方法外,為了獲得高生產率和高質量的鋼管,也可采用定位焊接后在其他生產線進行saw的兩步螺旋焊法。


1.2 uo鋼管的制造方法

uo鋼管的原料通常使用厚板,有時也使用剪切的熱軋帶卷。對鋼板進行焊縫坡口加工的方法有:預彎邊(用c形壓力機將鋼板邊緣彎曲到接近制品曲率);u成型(用u形壓力機將鋼板壓成u形);o成型(用o形壓力機冷成形為o形)。加工后,采用gmaw(gas metal arc welding:熔化極氣體保護電弧焊)等方法對焊縫進行定位焊接,從內外面采用saw焊接焊縫后,進行約1%的擴徑。在提高正圓度的同時,消除焊縫部位的殘余應力,這種方法一般稱為uoe成型法。為了衡量鋼管的完好程度,采用1%的塑性變形不出現破裂作為衡量指標。


1.3 螺旋焊管的制造方法

螺旋焊管軋機是由開卷機、成型機、內外面焊接機、超聲波探傷機及飛剪等設備構成。一般使用熱軋帶卷作為原料,也使用斯特克爾式軋機生產的熱軋鋼板。通常先焊內面,旋轉0.5或1.5轉后焊接外面,一般采用埋弧焊接法進行焊接。螺旋焊制管法是從連續成型到焊接,經飛剪,采用氣體切割法或等離子切割法剪切成規定長度。然后,進行端面加工,無損探傷、二次加工及外觀尺寸檢查等工序。

2 性能要求

大口徑鋼管的制造工藝

2.1 管線鋼管性能要求 

使用管道輸送原油和天然氣,特別是在確保氣體管道安全性上,要求管線鋼管具有高技術特性。天然氣基本是用管道輸送,長距離輸送可以降低液化天然氣(lng)的輸送成本。當輸送量為10bcm/a時,使lng成本比較合理的輸送距離是3000km。當輸送量為25bcm/a時,合理值為5000km。如果增加氣體輸送量,管道輸送就會增加成本優勢。此外,如果采用高壓輸送,例如將管道的進站壓力從原來的10mpa增加到14mpa,管道輸送的運距可變長。用于這種管道的大口徑管線鋼管要求具有下述技術特性。

2.1.1 高內壓

為了增加氣體輸送量,可以在同一輸送氣體壓力下擴大管道內徑,或在同一管道內徑下提高輸送氣體壓力。為了控制管線建設成本,多采用高壓輸送氣體。陸上的管線一般使用10mpa。西氣東輸二線干線管道設計壓力是12mpa,阿拉斯加管線項目設計壓力是15mpa。由于海底管線鋼管在中途難以設置空氣壓縮站,所以用更高的壓力輸送。陸上管線鋼管也計劃提高輸送壓力,但空氣壓縮機等周邊機器的維修、降低空氣壓縮機運轉能耗以及確保安全性也很重要。

如果用近似薄壁圓筒式表示鋼管的周向應力σ,那么σ=pid/2t(pi:內壓;d:直徑;t:壁厚),可見加大對總壁厚的應力,就會提高內壓。這樣就存在加大壁厚或提高強度兩種選擇,因此要求管線鋼管厚壁化和高強度化。在相同直徑下,提高強度可以減少管壁厚度。不論是哪種條件,提高強度還可降低每單位長度的鋼管重量。即使重量降低率不大,一般也可降低鋼材成本,進而降低鋼管的運輸成本、敷設溝的挖掘和圓周焊接成本。

在這種情況下,開發并應用了高強度管線鋼管。代表性的管線鋼管標準是2007年版的iso 3183,在原來x80級以下基礎上,補充了x90、x100、x120。

近幾年,x80級鋼管需求量急劇增加。在降低管道建設成本的需求下,現場圓周焊接從手工焊變為gmaw自動焊,提高了焊接效率,高強度鋼的焊接低溫裂紋也不再是難題。

隨著高強度趨勢的發展,出現了最基本的強度測定問題。管線鋼管的級別規定,表示承受內壓性的參數為圓周屈服強度(c-ys),但測定鋼管的c-ys比較困難。正確的圓周強度的測定有膨脹環試驗,但不適用大量的測定。作為小型試驗,一般將圓弧狀剪切的材料,制備成扁平全厚度試樣,進行強度測定。x65級以下扁平試樣的強度變化小,但對于x80級以上,材料的加工硬化變小,扁平試樣的鮑辛格效應明顯,存在用扁平試樣測定的ys比實際ys低的問題。

此外,x80級以上不使用扁平拉伸試樣,而多采用可加工的圓棒試樣,各標準都認可圓棒試樣。但是,圓棒試樣的值只表示壁厚方向的一部分,必須認識到與全壁厚的值有些不同(ts低)。以前api標準中,對油井管、管線鋼管ys的定義是0.5%輕負載屈服強度。例如,x120是0.65%輕負載屈服強度;x100是0.60%輕負載屈服強度接近ys。在iso 3183中,x90級別以上使用位移0.2%的屈服強度。但是,加拿大標準csa中,x100的屈服強度為0.5%輕負載屈服強度,比位移0.2%的屈服強度值稍低。

2.1.2 高韌性

隨著極地的開發,要求更低的低溫韌性。加拿大北部敷設的管道韌性保證溫度一般為-5℃,但極地的陸上管道有的要求-60℃。而且,還要考慮當管道破裂后,氣體噴出時隔熱膨脹導致溫度降低的情況。

輸氣管道的低溫韌性,應該考慮裂紋發生及其擴展的高速延性斷裂。從現場圓周焊接部位的焊接缺陷發生裂紋的可能性極高。因此,規定了焊縫部位的焊接金屬、焊接熱影響區(haz)的韌性。在iso 3183中要求x80級以上的焊縫部位的焊接金屬和haz達到40j以上的v型缺口沖擊值。近年dnv-os-f101規范要求45j以上。以前很少用裂紋發生特性的斷裂力學性能值ctod評價管線鋼管的焊縫韌性,但現在有增加的趨勢。

另外,內面焊接形成的粗晶粒haz,由于又進行外面焊接,兩相區經受再加熱的irog-haz部位的韌性低,要提高該部位的韌性比較難。但是,uoe鋼管在塑性區域進行擴管,并且在該部分用ust探傷,不存在約1mm以上的裂紋。一般情況下,對基于dnv-os-f101等規定的ctod≥0.15mm的斷裂力學計算進行安全性評價時,常常是要求值遠大于需要值。因此,嘗試采用淺缺口ctod試驗和sent試驗。此外,考慮到拘束應力,認為采用等效ctod評價方法也有效。

輸氣管道即使破裂,內壓也難以降低,所以如果一旦發生裂紋,不穩定性擴大。使該裂紋止裂的必要條件是裂紋傳播面首先成為延性破壞主體,裂紋擴展速度慢慢降下來,且比減壓速度慢。因此,dwtt的韌性斷面率要求在85%以上。一般多用巴特爾二維曲線法計算所需夏比沖擊值。可以說,dwtt的傳播能或預裂dwtt能比夏比沖擊值更適合,高強度鋼管很難預測夏比沖擊值。近年來,也嘗試用ctoa來評估。但是,有時高強度管線鋼管很難使鋼管自行停止裂紋擴展,這種情況下以一定間隔采用裂紋制止器。

大口徑鋼管的制造工藝

2.1.3 高變形性

管道必須耐相當于最小屈服強度(smys)的72%、80%等的設計內壓。因此,原來只考慮彈性變形來規定圓周強度。但是,在管線設計時應考慮到海底管線的s-lay(海底管道s型敷設法)時發生的鋼管彎曲,地震導致的地層變動和不連續凍土地帶的季節性地層變動,以及管道發生的塑性變形等。這些特性對鋼管縱向強度特性的影響比圓周強度大。鋼管本體因彎曲和壓縮發生壓曲的變形值大。

彎曲變形時壓縮側發生的壓曲首先是受鋼管直徑/壁厚比的影響很大,如果d/t小,壓曲變形極限(壓縮變形極限)就大。在同一個d/ t時,降低屈服比(y/t),增加加工硬化系數(n值)和均勻伸長率(uel),能提高壓縮變形極限。拉伸應變極限和鋼管力學性能的關系不太明確,但鋼管縱向的ys比圓周焊接金屬的ys低。為了達到這一目的,有時設定縱向ys(l-ys)標準下限值比圓周c-ys標準下限值低。變形性能與低溫韌性成為高強度管的研究課題。

管線鋼管在外面施以防腐涂層,特別是近年來常用的環氧樹脂涂料(fbe)。鋼管冷成形產生應變時效,應力-應變曲線發生變化,強度上升。有的情況要求,涂層前后的強度特性滿足要求值,且不產生屈服延伸。有報道稱,如發生屈服延伸,內壓降低時壓縮變形極限變小。

2.1.4 高壓潰性

深海敷設管道,鋼管有可能被水壓壓潰。如果水深超過2000m,壓潰壓力成為第一設計要素。不進行高壓操作(沒有內壓)時不產生壓潰(安全率1.41),即要求管線鋼管具有高壓潰性。由于彎曲應力降低壓潰值,所以,設計時也要注意彎曲應力對其的影響。壓潰值在很大程度上受d/t的影響,所以為防止鋼管壓潰,使用d/t小的鋼管。低d/t,即鋼管徑(d)變小,輸送量降低;若鋼管壁厚(t)變大,使用厚壁鋼管。因此,深海項目要求超厚壁鋼管。

近年來,在黑海(最深處2150m)、地中海(最深處2160m)建設了水深2000m以上的深海管線,并計劃建設穿過深海的第4條地中海管線(最深處2800m)。

2.1.5 耐酸性

原油和天然氣中常含有硫化氫(h2s)。如果鋼裸露在濕潤硫化氫環境(酸性環境)中,大量的氫侵入到鋼中,會引起各種形態的氫脆化。管線鋼管代表性的損傷形態是氫致裂紋(hic),日本開發了將鋼材浸漬在h2s氣飽和的人工海水(ph=5)中的方法,稱為bp試驗。后來這種hic試驗已作為nace標準tm0284(1984年制定)。但是,在該溶液中,cu添加入鋼中易形成硫化物,雖抑制了氫侵入,但存在不能正確評價裂紋敏感性的問題。

其后,將油井管硫化物應力腐蝕試驗評價使用的ph值低的h2s飽和溶液0.5%ch3cooh+5%nacl(一般nace溶液,初期ph值2.7,試驗結束時上升到4.0 )用于hic試驗。現在將后者稱為a溶液,前者稱為b溶液,記錄于tm0284修訂版中。近年來,大部分要求用a溶液進行hic試驗,要求clr(裂紋長度率)≤0.15%。

酸性環境是腐蝕環境,所以一般使用耐酸管線鋼的管道。當使用抑制劑時,可以應對最高腐蝕速度0.1-0.5mm/a的情況。因此,采用比按設計壓力計算的壁厚還要厚的鋼管。即使輸送含h2s的氣體,如果是脫水后也不會腐蝕,不引起氫侵入。如只是為了應對脫水設備出現故障的情況,可以不考慮腐蝕量而采用高強度鋼管。在這種條件下,也可使用具有耐酸性的x80級鋼管。

2.1.6 高耐腐蝕性

當含水量高,二氧化碳分壓高,抑制腐蝕作用的油分少時,根據環境采用13cr、雙相不銹鋼、鎳基合金等耐蝕性材料。由于鎳基合金價格昂貴,所以僅鋼管內面使用耐蝕合金層,耐壓材料的表面大部分使用低合金鋼管的復合鋼管。廣泛使用壓力機床法成形軋制包覆,焊接管縫后熱處理的鋼管和將耐蝕內管機械插入外管的鋼管。目前也有利用uoe工藝開發出高鎳合金復合鋼管的報道。另外,還開發了13cr的uoe鋼管。

2.1.7 現場焊接的ut化

大口徑管線鋼管的現場圓周焊接后的無損檢測使用自動ust。為了安裝機器的導向裝置,要求在工廠切削內外面管端部管縫焊道的情況增加,需要實現切削自動化和高效化。

2.2 土木建筑用鋼管性能要求

日本國內螺旋焊管主要用于土木建筑、自來水管道等領域。特別是鋼管樁、鋼管板樁用占很大一部分。作為制品,大多要求有助于提高制品附加值的附屬品加工和涂層。通過將抗拉強度優越的鋼管與壓縮強度良好的混凝土結合,提高結構件的力學性能。為提高鋼管和混凝土的結合力,要求采用網紋熱軋帶卷的螺旋焊管。涂層要求采用防止腐蝕的聚乙烯、聚氨酯涂層。

大口徑鋼管性能要求

3 上游工序的技術進步


3.1 煉鋼技術的進步

為了實現管線鋼管的高韌性、耐酸性能,要求高純度和高潔凈度的鋼液。為了抑制發生hic,應抑制mns的生成,從而采用真空脫氣法、噴粉生產低硫鋼技術。20世紀80年代中期,各鋼鐵公司確立了控制硫含量10ppm以下的技術,并確立了將mns改質為cas的ca添加技術。

降低連鑄板坯的中心偏析對抑制hic非常重要,研究表明,可以采用縮短輥間距、板坯凝固末端輕壓下等技術降低中心偏析。連鑄機的垂直段對夾雜物上浮影響很大。


3.2 厚板制造技術的進步

3.2.1 tmcp

tmcp技術是與高級管線鋼管制造同步發展起來的一項技術。控制軋制后的加速冷卻從20世紀80年代開始工業化,從x60到x65、x70級管線鋼的高強度過程中,耐酸鋼材和管線鋼的加速冷卻利用率顯著提高。其后,引入了旨在進一步快速冷卻和均勻冷卻的第二代加速冷卻設備,例如,super-olac(1998年,福山廠)和clc-μ(2006年,君津廠)等。控制冷卻的目標是生產材質均勻的厚鋼板,也有在加速冷卻后面設置感應加熱裝置的在線熱處理設備(hop),用于進行快速加熱,是tmcp條件多樣化的應用實例。

3.2.2 組織控制

用加速冷卻生產的x60、x65級管線鋼的主體組織是由奧氏體相變的鐵素體組成。但是,低碳鋼中第二相的比率低,所以鐵素體主體組織無法高強度化。因此,x80級以上管線鋼應適用于貝氏體系組織。從焊接性的觀點,用含c量 0.03%-0.08%的鋼液制造高強度管線鋼管,并使用低碳貝氏體鋼。這些鋼的50%相變溫度和抗拉強度的半定量關系。例如,x120級管線鋼管是用約在400℃發生相變的含c量0.04%的下貝氏體鋼或在約500℃發生相變的含c量 0.06%的上貝氏體鋼獲得強度。x100級是在550-600℃發生相變的含c量 0.06%上貝氏體+粒狀貝氏體鋼獲得強度。x80級是600-650℃發生相變的粒狀貝氏體鋼獲得強度。

適用x120級管線鋼管的下貝氏體鋼中碳對強度的影響大,板坯加熱時引起異常相變,有時變成粗奧氏體晶粒。低碳貝氏體組織易達到高強度,一般測定的夏比低溫韌性良好,但存在dwtt性能有時低,加工硬化小等缺點。為了彌補這些不足,也有在貝氏體主體組織引入ma組元(馬氏體-奧氏體)和多邊形鐵素體的情況。此外,細化扁平奧氏體晶粒厚度也可以改善低溫韌性。

隨著ma比例提高,鋼板y/t(屈服強度/抗拉強度)降低。淬透性高的低碳鋼,在加速冷卻狀態生成少量的ma。使用hop,如相變途中再加熱,碳向未相變的奧氏體相擴散,ma比例提高。當然,如用uoe工藝將鋼板成形,由于冷加工強度發生變化,所以鋼板y/t低,鋼管y/t不一定也低。c方向是主要變形方向。依據鋼的不同,各變化幅度也不同。隨著鐵素體比例的增加,dwtt韌性斷面率提高。用加速冷卻將鋼板冷卻到低溫區域時,鐵素體比率的變化對抗拉強度的影響不大。這是因為如果提高鐵素體比例,碳向周圍的奧氏體相濃縮,成為高強度的低溫相變組織。

大口徑鋼管性能要求

3.3 高強度管線鋼管熱軋鋼板制造技術的進步

螺旋焊管的管線鋼管口徑大,所以大多是厚壁鋼管,高強度化的優點不易顯現。近年來,為了生產20mm超厚熱軋帶卷,有增強卷取機能力、強化水冷設備的軋機。但是,與厚板軋制相比,熱軋工序的低溫控制軋制限制較多。例如,因軋制速度快提高冷卻能力困難,而且,冷卻到低溫又不易卷取。

此外,還開發了在0.04%c鋼中添加0.08%-0.11%nb的htp(high temperature processing)鋼,已批量生產。隨著nb添加量的增加,cvn能量降低,強度上升,但在約0.1%達到飽和。因此,推測0.1%nb是界限。


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