高强度石油天然气管线钢的合金设计
Douglas G. Stalheim1, Keith R. Barnes2, Dennis B. McCutcheon3
1
DGS Metallurgical Solutions, Inc., 16110 NE 4th Street, Vancouver, WA 98684 USA, Ph. (360) 713-2407, Fax (360) 882-1775
2
KB Technical Services, Inc., 4 Knots Landing Court, Stoney Creek, ON Canada, L8E 4H2, Ph. (905) 662-3738
3
Technology, Stelco, Inc., 386 Wilcox Street, Hamilton, ON Canada, L8N 3T1, Ph. (905) 527-8335 ext. 3235
摘要:将石油天然气从偏远崎岖地区运输至市场需使用在各种温度条件下均具有优异韧性的高压输送 管线.这一目标可通过增加管线壁厚或钢的强度,以及通过两者的合理匹配来实现.增加壁厚导致建 设成本增加,因此,在过去的 10 年里管线设计的目标一直在致力于采用高钢级的管线钢,如在各种 设计温度条件下具有优异韧性的 X70,X80,甚至更高级别的管线钢等.在高强高韧管线钢生产中已 使用了大量的合金设计方法,但最终确定的组织控制方案主要有二:铁素体/珠光体型和铁素体/针状铁 素体型,而且,两种类型钢的制管工艺是完全不同的.除了钢的成本因素之外,轧机和制管设备的能 力也是决定采用哪一种组织类型来满足特定管线项目的关键因素.目前,先进的计算机模拟技术已可 用于辅助完成这一目标. 目前,有两种以 Nb 微合金化为基础的获得铁素体/针状铁素体组织的合金设计方法.其中一种采 用 Mo 合金化的方法在过去 15 年的文献中被经常报道,该技术主要依靠低温轧制技术,因此对轧机能 力要求较高,也影响生产效率.另一种方法是近年来广泛使用的高 Nb 合金化技术.第二种合金化设 计的不同寻常之处是它可以采用较高的轧制温度来生产满足现代输送管线需要的高强韧钢板.这种方 法被称之为"高温工艺技术",或简称为"HTP"技术.该技术可提高轧制效率,也可缓解传统合金 化技术对轧机的苛刻要求.本文将重点关注 HTP 概念,探讨这两种不同的组织设计方法,以及生产中 相关的合金化设计和轧制工艺原则.文中也将介绍实际管线项目应用,轧制与制管设备,实验问题, 以及预测模型的应用等问题. 关键词:HTP;针状铁素体;X80;模型;组织;韧性;管线钢;钢卷;炉卷
前言 已探明的油气储量被发现在越来越崎岖,偏远的地区.这些地区往往是寒冷或地质不稳定的地 方,这给管线用材料带来巨大的挑战,图 1.
-1-
图 1 高强管线位置线路图示例. 红线标识地区为永久冻土带 除环境因素之外,油气公司为更经济地将油气输送至市场,输送压力也正在逐渐提高,见图 2.
图 2 北美地区天然气输送压力变化情况
表 1 管线设计趋势以及材料特征 管线设计特征 提高输送压力 管线材料特点 增加管线钢强度和/或厚度. 断裂韧性可能会有所降低,而且由于合 金化需要(微合金钢和/或 Cu, Ni, Cr, Mo 等合金化)使材料成 本增加,更加严格的轧制工艺,接近断裂止裂模型极限等. 高的低温断裂韧性.较高的韧性要求钢应具有较高的洁净度,夹杂 物形状控制, 低的 C, P, S 含量,更为严格的轧制工艺,额外的 裂纹止裂评估方法(CTOD 等),材料的成本将受所需工艺和成分 控制的影响等. 应变设计,需要较高的纵向强度,需要较高的均匀延伸性能,不必 与高强度钢的组织设计相一致. 较低的碳当量(CE/Pcm)需要新的合金化设计,对强度范围要求也 更加严格,由此导致制造成本增加. 低碳,较高的洁净度,夹杂物形状控制,较低的 S, P 含量,较高的 铸坯成分均匀性.因合金化和制造工艺等因素使钢的成本显著增 加. 应变设计,较高的纵向强度性能,较低的钢板各向异性,这些要求 也需要改善合金设计,从而导致成本增加.
寒冷的环境
地质条件(永久 冻土带) 焊接 抗氢致裂纹
海底管线
-2-
过去的陆上输送管线设计主要是以应力为基础进行设计的,如管线材料基本上以承受内部压力和 压力波动为基础.然而,因为铺设过程的侧面弯曲以及受海底海流变化等因素的影响,海底输送管线 往往采用应变设计原则.随新发现油气田的气候和位置(如永久冻土带)的变化,陆上管线也逐渐由 应力设计转变为应变设计.另外,天然气由低硫气向酸气的变化,令人关注的公共安全和环境问题, 逐渐增加的输送压力以及管线制造和安装成本等因素使管线设计采用更高的强度,良好的抗止裂性 能,抗氢致裂纹能力,良好的焊接和成形性能等.管线材料的这些特征总结见表 1. 表 2 列举了为表征管线设计特征而最新发展的一些标准需求情况. 表 2 管线设计特征及相关标准要求[1 管线设计特征 提高输送压力 标准 1 X80, 厚壁 低 S, TCVN 190 J to -20 C add -55 C, DWTT 85%, CTOD 应变设计, 纵向 拉伸性能,均匀 延伸性能, 较低 的屈强比,较高 的焊缝强度等. YS 和 TS 范围限 制, 钢管精度控 制 标准 2 – 海洋 X70 厚壁

下一页