10-高鋼級石油天然氣管線鋼的合計設(shè)計

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1、高強度石油天然氣管線鋼的合金設(shè)計DouglasG.Stalhcim1,KeithR.Barnes2,DennisB.McCutcheon5】DGSMetallurgicalSolutions,Inc.,161IONE4thStreet,Vancouver,WA98684USA,Ph.(360)713-2407,Fax(360)882-1775KBTechnicalServices,Inc.,4KnotsLandingCourt,StoneyCreek,ONCanada,L8E4H2,Ph.(905

2、)662-3738'Technology,Stclco,Inc.,386WilcoxStreet,Hamilton,ONCanada,L8N3T1,Ph.(905)527-8335ext.3235摘要：將石油天然氣從偏遠(yuǎn)崎嶇地區(qū)運輸至市場需使川在各種溫度條件下均貝有優(yōu)異韌性的高壓輸送管線。這一冃標(biāo)可通過增加管線壁厚或鋼的強度，以及通過兩者的合理匹配來實現(xiàn)。增加壁厚導(dǎo)致建設(shè)成本增丿川，因此，在過去的10年里管線設(shè)計的目標(biāo)一直在致力于采用高鋼級的管線鋼，如在各種設(shè)計溫度條件下具有優(yōu)異韌性的X70、X8

3、0,共至更高級別的管線鋼等。在高強高韌管線鋼生產(chǎn)中已使用了大量的合金設(shè)計方法，但最終確定的組織控制方案主要有二：鐵素體光體型和鐵素體/針狀鐵索體型，而且，兩種類型鋼的制管工藝是完全不同的。除了鋼的成木因索之外，軋機和制管設(shè)備的能力也是決定采用哪一種組織類型來滿足特定管線項冃的關(guān)鍵因素。冃前，先進(jìn)的計算機模擬技術(shù)已可用丁?輔助完成這一冃標(biāo)。U前，有兩種以Nb微合金化為基礎(chǔ)的獲得鐵索體/針狀鐵索體組織的合金設(shè)計方法。其中-?種采用Mo合金化的方法在過去15年的文獻(xiàn)中被經(jīng)常報道，該技術(shù)主要依靠低溫軋制技

4、術(shù)，因此對軋機能力要求較高，也影響生產(chǎn)效率。另一種方法是近年來廣泛使用的高Nb合金化技術(shù)。第二種合金化設(shè)計的不同尋常之處是它可以采用較高的軋制溫度來主產(chǎn)滿足現(xiàn)代輸送管線需要的高強韌鋼板。這種方法被稱Z為“高溫工藝技術(shù)”、或簡稱為“HTP”技術(shù)。該技術(shù)可提高軋制效率，也可緩解傳統(tǒng)合金化技術(shù)對軋機的苛刻要求。本文將重點關(guān)注HTP概念，探討這兩種不同的組織設(shè)計方法，以及生產(chǎn)中相關(guān)的合金化設(shè)計和軋制工藝原則。文屮也將介紹實際管線項冃應(yīng)用、軋制與制管設(shè)備、實驗問題，以及預(yù)測模世的應(yīng)用等問題。關(guān)鍵詞：HTP；

5、針狀鐵索體；X80；模世；組織；韌性；管線鋼；鋼卷；爐卷前S已探明的汕氣儲量被發(fā)現(xiàn)在越來越崎嶇、偏遠(yuǎn)的地區(qū)。這些地區(qū)往往是寒冷或地質(zhì)不穩(wěn)定的地方,這給管線用材料帶來巨大的挑戰(zhàn)，圖1。圖1高強管線位置線路圖示例?紅線標(biāo)識地區(qū)為永久凍土帶除壞境因素Z外，油氣公司為更經(jīng)濟(jì)地將油氣輸送至市場，輸送壓力也止在逐漸提高，見圖2o圖2北美地區(qū)天然氣輸送爪力變化情況表1管線設(shè)計趨勢以及材料特征管線設(shè)計特征管線材料特點提高輸送壓力增加管線鋼強度和/或厚度。斷裂韌性可能會有所降低，而KiiiT合金化需要（微合金鋼和/

6、或Cu、Ni、Cr>Mo等合金化）使材料成本增加、更加嚴(yán)格的軋制工藝、接近斷裂止裂模型極限等。寒冷的環(huán)境高的低溫斷裂韌性。較高的韌性要求鋼應(yīng)具有較高的潔凈度、夾雜物形狀控制、低的C、P、S含量，更為嚴(yán)格的軋制T藝、額外的裂紋止裂評估方法（CTOD等），材料的成本將受所需工藝和成分控制的影響等。地質(zhì)條件（永久凍土帶）應(yīng)變設(shè)計，需要較高的縱向強度、需要較高的均勻延伸性能，不必與高強度鋼的組織設(shè)計相一致。焊接較低的碳當(dāng)暈（CE/Pcm）需要新的合金化設(shè)計，對強度范忸要求也更加嚴(yán)格，由此導(dǎo)致制造成本增加。

7、抗氫致裂紋低確、較高的潔凈度、夾雜物形狀控制、較低的S、P含量、較高的鑄坯成分均勻性。因合金化和制造工藝等因素使鋼的成本顯著增加。海底管線應(yīng)變設(shè)計、較高的縱向強度性能、較低的鋼板各向界性，這些要求也需耍改善合金設(shè)計，從而導(dǎo)致成本增加。過去的陸上輸送管線設(shè)計主要是以應(yīng)力為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計的，如管線材料基本上以承受內(nèi)部壓力和壓力波動為基礎(chǔ)。然而，因為鋪設(shè)過程的側(cè)而彎曲以及受海底海流變化等因素的影響，海底輸送管線往往采用應(yīng)變設(shè)計原則。隨新發(fā)現(xiàn)油氣出的氣候和位置（如永久凍土帶）的變化，陸上管線也逐漸由應(yīng)力設(shè)計

8、轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變設(shè)計。另外，天然氣由低硫氣向酸氣的變化、令人關(guān)注的公共安全和環(huán)境問題、逐漸增加的輸送壓力以及管線制造和女裝成本等因素使管線設(shè)計采用更高的強度、良好的抗止裂性能、抗氫致裂紋能力、良好的焊接和成形性能等。管線材料的這些特征總結(jié)見表1。表2列舉了為表征管線設(shè)計特征而最新發(fā)展的一些標(biāo)準(zhǔn)需求情況。表2管線設(shè)計特征及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)耍求小2J管線設(shè)計特征標(biāo)準(zhǔn)1標(biāo)準(zhǔn)2-海洋標(biāo)準(zhǔn)3-HIC標(biāo)準(zhǔn)4提高輸送壓力X80,厚壁X70厚壁應(yīng)力設(shè)計，最高強度到X70應(yīng)力設(shè)計，X80,100%SMYS水壓試驗