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大口径钢管制造方法、性能要求和上游工序技术进步

415 2020-06-04 08:43:39
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        目前,uo轧机几乎占领了日本的国内市场,为了更好地满足海外用户的需求,日本提高了炼钢、连铸、厚板生产、钢管制造全部工序的制造技术,开发出新产品,并提高了生产高性能管线钢管上游工序的制造技术。同时,上游工序也大规模地引进了新的制造设备。本文介绍大口径钢管制造方法、钢管性能要求和上游工序的技术进步。

1 钢管制造方法概要

1.1 大口径焊接钢管的制造方法

大口径钢管是由厚板、热轧板经过成形、焊接而成。制造方法首先按焊接法分类,将采用高效率和可靠性高的埋弧焊(submerged arc welding)钢管称为saw钢管。本文讨论的大口径钢管主要以这种saw钢管为对象。saw钢管又分为纵向焊接的埋弧焊直缝钢管l-saw和螺旋焊的埋弧焊螺旋钢管h-saw。l-saw钢管有适合大批量生产的uo成型法、适合品种多量少的弯曲辊法和压力机床法。

jcoe成型法是介于uo成型法和压力机床法之间的方法。在压力的最末段是否有扩径工序对钢管性能有很大影响,有无该工序也是分类方法之一。h-saw相当于螺旋焊管,将板卷状的钢板成型为螺旋状,再焊接对接部位而成。除采用成型、定位焊接后再进行saw的传统方法外,为了获得高生产率和高质量的钢管,也可采用定位焊接后在其他生产线进行saw的两步螺旋焊法。

1.2 uo钢管的制造方法

uo钢管的原料通常使用厚板,有时也使用剪切的热轧带卷。对钢板进行焊缝坡口加工的方法有:预弯边(用c形压力机将钢板边缘弯曲到接近制品曲率);u成型(用u形压力机将钢板压成u形);o成型(用o形压力机冷成形为o形)。加工后,采用gmaw(gas metal arc welding:熔化极气体保护电弧焊)等方法对焊缝进行定位焊接,从内外面采用saw焊接焊缝后,进行约1%的扩径。在提高正圆度的同时,消除焊缝部位的残余应力,这种方法一般称为uoe成型法。为了衡量钢管的完好程度,采用1%的塑性变形不出现破裂作为衡量指标。

1.3 螺旋焊管的制造方法

螺旋焊管轧机是由开卷机、成型机、内外面焊接机、超声波探伤机及飞剪等设备构成。一般使用热轧带卷作为原料,也使用斯特克尔式轧机生产的热轧钢板。通常先焊内面,旋转0.5或1.5转后焊接外面,一般采用埋弧焊接法进行焊接。螺旋焊制管法是从连续成型到焊接,经飞剪,采用气体切割法或等离子切割法剪切成规定长度。然后,进行端面加工,无损探伤、二次加工及外观尺寸检查等工序。


2 性能要求

2.1 管线钢管性能要求 

使用管道输送原油和天然气,特别是在确保气体管道安全性上,要求管线钢管具有高技术特性。天然气基本是用管道输送,长距离输送可以降低液化天然气(lng)的输送成本。当输送量为10bcm/a时,使lng成本比较合理的输送距离是3000km。当输送量为25bcm/a时,合理值为5000km。如果增加气体输送量,管道输送就会增加成本优势。此外,如果采用高压输送,例如将管道的进站压力从原来的10mpa增加到14mpa,管道输送的运距可变长。用于这种管道的大口径管线钢管要求具有下述技术特性。

2.1.1 高内压

为了增加气体输送量,可以在同一输送气体压力下扩大管道内径,或在同一管道内径下提高输送气体压力。为了控制管线建设成本,多采用高压输送气体。陆上的管线一般使用10mpa。西气东输二线干线管道设计压力是12mpa,阿拉斯加管线项目设计压力是15mpa。由于海底管线钢管在中途难以设置空气压缩站,所以用更高的压力输送。陆上管线钢管也计划提高输送压力,但空气压缩机等周边机器的维修、降低空气压缩机运转能耗以及确保安全性也很重要。

如果用近似薄壁圆筒式表示钢管的周向应力σ,那么σ=pid/2t(pi:内压;d:直径;t:壁厚),可见加大对总壁厚的应力,就会提高内压。这样就存在加大壁厚或提高强度两种选择,因此要求管线钢管厚壁化和高强度化。在相同直径下,提高强度可以减少管壁厚度。不论是哪种条件,提高强度还可降低每单位长度的钢管重量。即使重量降低率不大,一般也可降低钢材成本,进而降低钢管的运输成本、敷设沟的挖掘和圆周焊接成本。

在这种情况下,开发并应用了高强度管线钢管。代表性的管线钢管标准是2007年版的iso 3183,在原来x80级以下基础上,补充了x90、x100、x120。

近几年,x80级钢管需求量急剧增加。在降低管道建设成本的需求下,现场圆周焊接从手工焊变为gmaw自动焊,提高了焊接效率,高强度钢的焊接低温裂纹也不再是难题。

随着高强度趋势的发展,出现了最基本的强度测定问题。管线钢管的级别规定,表示承受内压性的参数为圆周屈服强度(c-ys),但测定钢管的c-ys比较困难。正确的圆周强度的测定有膨胀环试验,但不适用大量的测定。作为小型试验,一般将圆弧状剪切的材料,制备成扁平全厚度试样,进行强度测定。x65级以下扁平试样的强度变化小,但对于x80级以上,材料的加工硬化变小,扁平试样的鲍辛格效应明显,存在用扁平试样测定的ys比实际ys低的问题。

此外,x80级以上不使用扁平拉伸试样,而多采用可加工的圆棒试样,各标准都认可圆棒试样。但是,圆棒试样的值只表示壁厚方向的一部分,必须认识到与全壁厚的值有些不同(ts低)。以前api标准中,对油井管、管线钢管ys的定义是0.5%轻负载屈服强度。例如,x120是0.65%轻负载屈服强度;x100是0.60%轻负载屈服强度接近ys。在iso 3183中,x90级别以上使用位移0.2%的屈服强度。但是,加拿大标准csa中,x100的屈服强度为0.5%轻负载屈服强度,比位移0.2%的屈服强度值稍低。

2.1.2 高韧性

随着极地的开发,要求更低的低温韧性。加拿大北部敷设的管道韧性保证温度一般为-5℃,但极地的陆上管道有的要求-60℃。而且,还要考虑当管道破裂后,气体喷出时隔热膨胀导致温度降低的情况。

输气管道的低温韧性,应该考虑裂纹发生及其扩展的高速延性断裂。从现场圆周焊接部位的焊接缺陷发生裂纹的可能性极高。因此,规定了焊缝部位的焊接金属、焊接热影响区(haz)的韧性。在iso 3183中要求x80级以上的焊缝部位的焊接金属和haz达到40j以上的v型缺口冲击值。近年dnv-os-f101规范要求45j以上。以前很少用裂纹发生特性的断裂力学性能值ctod评价管线钢管的焊缝韧性,但现在有增加的趋势。

另外,内面焊接形成的粗晶粒haz,由于又进行外面焊接,两相区经受再加热的irog-haz部位的韧性低,要提高该部位的韧性比较难。但是,uoe钢管在塑性区域进行扩管,并且在该部分用ust探伤,不存在约1mm以上的裂纹。一般情况下,对基于dnv-os-f101等规定的ctod≥0.15mm的断裂力学计算进行安全性评价时,常常是要求值远大于需要值。因此,尝试采用浅缺口ctod试验和sent试验。此外,考虑到拘束应力,认为采用等效ctod评价方法也有效。

输气管道即使破裂,内压也难以降低,所以如果一旦发生裂纹,不稳定性扩大。使该裂纹止裂的必要条件是裂纹传播面首先成为延性破坏主体,裂纹扩展速度慢慢降下来,且比减压速度慢。因此,dwtt的韧性断面率要求在85%以上。一般多用巴特尔二维曲线法计算所需夏比冲击值。可以说,dwtt的传播能或预裂dwtt能比夏比冲击值更适合,高强度钢管很难预测夏比冲击值。近年来,也尝试用ctoa来评估。但是,有时高强度管线钢管很难使钢管自行停止裂纹扩展,这种情况下以一定间隔采用裂纹制止器。

2.1.3 高变形性

管道必须耐相当于最小屈服强度(smys)的72%、80%等的设计内压。因此,原来只考虑弹性变形来规定圆周强度。但是,在管线设计时应考虑到海底管线的s-lay(海底管道s型敷设法)时发生的钢管弯曲,地震导致的地层变动和不连续冻土地带的季节性地层变动,以及管道发生的塑性变形等。这些特性对钢管纵向强度特性的影响比圆周强度大。钢管本体因弯曲和压缩发生压曲的变形值大。

弯曲变形时压缩侧发生的压曲首先是受钢管直径/壁厚比的影响很大,如果d/t小,压曲变形极限(压缩变形极限)就大。在同一个d/ t时,降低屈服比(y/t),增加加工硬化系数(n值)和均匀伸长率(uel),能提高压缩变形极限。拉伸应变极限和钢管力学性能的关系不太明确,但钢管纵向的ys比圆周焊接金属的ys低。为了达到这一目的,有时设定纵向ys(l-ys)标准下限值比圆周c-ys标准下限值低。变形性能与低温韧性成为高强度管的研究课题。

管线钢管在外面施以防腐涂层,特别是近年来常用的环氧树脂涂料(fbe)。钢管冷成形产生应变时效,应力-应变曲线发生变化,强度上升。有的情况要求,涂层前后的强度特性满足要求值,且不产生屈服延伸。有报道称,如发生屈服延伸,内压降低时压缩变形极限变小。

2.1.4 高压溃性

深海敷设管道,钢管有可能被水压压溃。如果水深超过2000m,压溃压力成为第一设计要素。不进行高压操作(没有内压)时不产生压溃(安全率1.41),即要求管线钢管具有高压溃性。由于弯曲应力降低压溃值,所以,设计时也要注意弯曲应力对其的影响。压溃值在很大程度上受d/t的影响,所以为防止钢管压溃,使用d/t小的钢管。低d/t,即钢管径(d)变小,输送量降低;若钢管壁厚(t)变大,使用厚壁钢管。因此,深海项目要求超厚壁钢管。

近年来,在黑海(最深处2150m)、地中海(最深处2160m)建设了水深2000m以上的深海管线,并计划建设穿过深海的第4条地中海管线(最深处2800m)。

2.1.5 耐酸性

原油和天然气中常含有硫化氢(h2s)。如果钢裸露在湿润硫化氢环境(酸性环境)中,大量的氢侵入到钢中,会引起各种形态的氢脆化。管线钢管代表性的损伤形态是氢致裂纹(hic),日本开发了将钢材浸渍在h2s气饱和的人工海水(ph=5)中的方法,称为bp试验。后来这种hic试验已作为nace标准tm0284(1984年制定)。但是,在该溶液中,cu添加入钢中易形成硫化物,虽抑制了氢侵入,但存在不能正确评价裂纹敏感性的问题。

其后,将油井管硫化物应力腐蚀试验评价使用的ph值低的h2s饱和溶液0.5%ch3cooh+5%nacl(一般nace溶液,初期ph值2.7,试验结束时上升到4.0 )用于hic试验。现在将后者称为a溶液,前者称为b溶液,记录于tm0284修订版中。近年来,大部分要求用a溶液进行hic试验,要求clr(裂纹长度率)≤0.15%。

酸性环境是腐蚀环境,所以一般使用耐酸管线钢的管道。当使用抑制剂时,可以应对最高腐蚀速度0.1-0.5mm/a的情况。因此,采用比按设计压力计算的壁厚还要厚的钢管。即使输送含h2s的气体,如果是脱水后也不会腐蚀,不引起氢侵入。如只是为了应对脱水设备出现故障的情况,可以不考虑腐蚀量而采用高强度钢管。在这种条件下,也可使用具有耐酸性的x80级钢管。

2.1.6 高耐腐蚀性

当含水量高,二氧化碳分压高,抑制腐蚀作用的油分少时,根据环境采用13cr、双相不锈钢、镍基合金等耐蚀性材料。由于镍基合金价格昂贵,所以仅钢管内面使用耐蚀合金层,耐压材料的表面大部分使用低合金钢管的复合钢管。广泛使用压力机床法成形轧制包覆,焊接管缝后热处理的钢管和将耐蚀内管机械插入外管的钢管。目前也有利用uoe工艺开发出高镍合金复合钢管的报道。另外,还开发了13cr的uoe钢管。

2.1.7 现场焊接的ut化

大口径管线钢管的现场圆周焊接后的无损检测使用自动ust。为了安装机器的导向装置,要求在工厂切削内外面管端部管缝焊道的情况增加,需要实现切削自动化和高效化。

2.2 土木建筑用钢管性能要求

日本国内螺旋焊管主要用于土木建筑、自来水管道等领域。特别是钢管桩、钢管板桩用占很大一部分。作为制品,大多要求有助于提高制品附加值的附属品加工和涂层。通过将抗拉强度优越的钢管与压缩强度良好的混凝土结合,提高结构件的力学性能。为提高钢管和混凝土的结合力,要求采用网纹热轧带卷的螺旋焊管。涂层要求采用防止腐蚀的聚乙烯、聚氨酯涂层。


3 上游工序的技术进步

3.1 炼钢技术的进步

为了实现管线钢管的高韧性、耐酸性能,要求高纯度和高洁净度的钢液。为了抑制发生hic,应抑制mns的生成,从而采用真空脱气法、喷粉生产低硫钢技术。20世纪80年代中期,各钢铁公司确立了控制硫含量10ppm以下的技术,并确立了将mns改质为cas的ca添加技术。

降低连铸板坯的中心偏析对抑制hic非常重要,研究表明,可以采用缩短辊间距、板坯凝固末端轻压下等技术降低中心偏析。连铸机的垂直段对夹杂物上浮影响很大。

3.2 厚板制造技术的进步

3.2.1 tmcp

tmcp技术是与高级管线钢管制造同步发展起来的一项技术。控制轧制后的加速冷却从20世纪80年代开始工业化,从x60到x65、x70级管线钢的高强度过程中,耐酸钢材和管线钢的加速冷却利用率显著提高。其后,引入了旨在进一步快速冷却和均匀冷却的第二代加速冷却设备,例如,super-olac(1998年,福山厂)和clc-μ(2006年,君津厂)等。控制冷却的目标是生产材质均匀的厚钢板,也有在加速冷却后面设置感应加热装置的在线热处理设备(hop),用于进行快速加热,是tmcp条件多样化的应用实例。

3.2.2 组织控制

用加速冷却生产的x60、x65级管线钢的主体组织是由奥氏体相变的铁素体组成。但是,低碳钢中第二相的比率低,所以铁素体主体组织无法高强度化。因此,x80级以上管线钢应适用于贝氏体系组织。从焊接性的观点,用含c量 0.03%-0.08%的钢液制造高强度管线钢管,并使用低碳贝氏体钢。这些钢的50%相变温度和抗拉强度的半定量关系。例如,x120级管线钢管是用约在400℃发生相变的含c量0.04%的下贝氏体钢或在约500℃发生相变的含c量 0.06%的上贝氏体钢获得强度。x100级是在550-600℃发生相变的含c量 0.06%上贝氏体+粒状贝氏体钢获得强度。x80级是600-650℃发生相变的粒状贝氏体钢获得强度。

适用x120级管线钢管的下贝氏体钢中碳对强度的影响大,板坯加热时引起异常相变,有时变成粗奥氏体晶粒。低碳贝氏体组织易达到高强度,一般测定的夏比低温韧性良好,但存在dwtt性能有时低,加工硬化小等缺点。为了弥补这些不足,也有在贝氏体主体组织引入ma组元(马氏体-奥氏体)和多边形铁素体的情况。此外,细化扁平奥氏体晶粒厚度也可以改善低温韧性。

随着ma比例提高,钢板y/t(屈服强度/抗拉强度)降低。淬透性高的低碳钢,在加速冷却状态生成少量的ma。使用hop,如相变途中再加热,碳向未相变的奥氏体相扩散,ma比例提高。当然,如用uoe工艺将钢板成形,由于冷加工强度发生变化,所以钢板y/t低,钢管y/t不一定也低。c方向是主要变形方向。依据钢的不同,各变化幅度也不同。随着铁素体比例的增加,dwtt韧性断面率提高。用加速冷却将钢板冷却到低温区域时,铁素体比率的变化对抗拉强度的影响不大。这是因为如果提高铁素体比例,碳向周围的奥氏体相浓缩,成为高强度的低温相变组织。

3.3 高强度管线钢管热轧钢板制造技术的进步

螺旋焊管的管线钢管口径大,所以大多是厚壁钢管,高强度化的优点不易显现。近年来,为了生产20mm超厚热轧带卷,有增强卷取机能力、强化水冷设备的轧机。但是,与厚板轧制相比,热轧工序的低温控制轧制限制较多。例如,因轧制速度快提高冷却能力困难,而且,冷却到低温又不易卷取。

此外,还开发了在0.04%c钢中添加0.08%-0.11%nb的htp(high temperature processing)钢,已批量生产。随着nb添加量的增加,cvn能量降低,强度上升,但在约0.1%达到饱和。因此,推测0.1%nb是界限。