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当前我国油气输送钢管以及中厚板的发展前景(三)

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3、直缝焊管对热轧板(卷)技术性能的要求

    在许多工业发达国家,管道工业的发展在很大程度上带动了冶金工业及制管工业。长输管道用材特别是天然气输道管及船板用材是钢材技术含量最高的。在一定程度代表了一个国家冶金工业的水平。

    "西气东输"制管用的钢板钢带应当是超纯净、低C、低S、低P、微合金化的控轧控冷管线专用焊接结构钢,它具有高强度(屈强比0.85-0.90)、高韧性和良好的可焊性;低温下的断裂抗力和抗氢致裂能力;其化学成分、力学性能、材质均匀性以及板型公差等比X65钢级板(带)均提高了一个档次。

    这主要体现在提高钢管强度的同时,必须相应提高韧性。特别是高压输气用钢管,必须有很高的夏比冲击韧性(CVN),钢管一般的CVN应为100-110J,富气输送时要求CVN>190J。同时,必须抗氢致开裂HIC(Hydmgen Induced Crack)。提高管线钢抗HIC能力的措施有成分设计、冶炼控制、连铸工艺、控轧控冷等四个方面。展开来说,主要有三点:

    ①提高钢的纯净度。采用精料及高效铁水预处理(三脱)及复合炉外精炼,达到S≤0.002%,P≤0.015%,[O] ≤20ppm,[H] ≤1.3pmm。同时采用Ca处理;②晶粒细化。主要通过微合金化和控轧工艺使晶粒充分细化,提高成分和组织的均匀性。为此,钢水和连铸过程要电磁搅拌;连铸过程采用轻压下技术;多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺;TiO处理,使钢获得优良的显微组织和超细晶粒,最终组织状态是没有带状珠光体的针状铁素体或贝氏体。③尽量降低含量C量(C≤0.06%),控制Mn含量,并添加Cu和Ni。从炼钢来看,宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、太钢等企业能生产不同等级的管线钢种,目前国内能生产X42、X52、X60、X65、X70等,X70目前在试用。管线钢国产化程度大幅度提高,产品质量有了显著的改进,产品的成份控制、强度、韧性、晶粒度、焊接性能等均已接近或达到国外同类产品的水平。但是,同"西气东输"工程的要求,同国外先进产品相比,特别是管线钢板的生产来看,差距颇大,它将是影响我国直缝埋弧焊管发展的重要因素。目前中国石油设备总公司(CPMEC)向日本(新日铁、日本钢管、住友金属)和韩国浦项制铁订购UO管及中厚钢板达66万吨。因此,我国尽快建设高水平的管线钢板生产线是必要的。

    直缝焊管对热轧板(卷)有相当高的技术要求,称之为管线板(卷)。

    3.1、主要性能特征

    3.1.1、强度

    油气管道发展的趋势是采用大管径、高压输送,这种发展趋势只有通过提高钢的强度或增加钢管的壁厚才能解决,同管径钢管采用微合金高强钢比普钢加价约5~10%,但可使钢管自重减少约重1/3,制造和焊接过程容易、敷设费用降低。一般采用高强钢管,仅为同样压力与管径钢管成本的一半或多一些,且管壁减薄、脆性断裂的可能性减少。故从经济性和安全性考虑,一般均选择提高钢管的强度,而不是增加钢管的壁厚。

    涉及强度指标主要有抗拉强度σb、屈服强度σs等。各标准所提供的屈服强度是指该钢种的最小屈服应力(即保证值),屈服强度是强度计算的基本数据。一般按此来进行诸如直管段壁厚的计算。

    各种管材均按屈服强度来确定壁厚,换言之选用管材钢号是按屈服强度来表示的。如X52、σs最小值应为360MPa,X70此值为485MPa。强度并非愈高愈好,强度高、壁厚降,此时厚度直径比减小,刚度则降低。

    3.1.2、屈强比

    钢管的屈强比(屈服强度与抗拉强度之比)表示钢材的塑性变形能力,即材料从屈服到最后断裂过程中材料的强度和变形能力。过去许多规范规定屈强比限定在0.85以下,这对低强钢种并不困难,当今微合金化和控轧过程明显提高了钢的屈服强度,但对抗拉强度的影响较小。故近年提出了按强度级别来规定屈强比的限定值,对X65以上的钢管屈强比的限定值一般都提高到0.90~0.93。实际中用户对钢管屈强比会提出更严格的要求。

    3.1.3、包辛格效应与形变硬化

    板材在制管成形过程中将会产生形变硬化,可用其形变硬化指数来量度,表示了该管材抵抗继续塑性变形的能力。对于X65及其以下钢级的应力-应变曲线有较大的屈服伸长,而其大直径钢管成形应变量一般为2~3%,故这类钢材在成形过程中不出现明显的形变硬化现象。

    板材在制管成形过程中和随后压平拉伸试样的制作和拉伸试验过程中,经受了拉、压反复应变。其板材经预先加载产生少量塑性变形,而后再同向加载,屈服强度升高;反向加载、屈服强度降低的现象称之为包辛格效应。一般管线钢因包辛格效应而使屈服强度的损失可达15%左右。对于钢板在制管和检测过程中会经多次冷变形,从而发生形变硬化和包辛格效应。同样对于热轧带钢卷制管,其带钢要经过出厂卷捆,有的还要因测试而松捆、再卷捆分包后发运,在其后制管中的诸工序,如松卷、展平、成形、试压以及压平再行拉伸测试等,均是形变硬化和包辛格效应交替进行的过程。相应会导致钢管屈服强度降低或升高。

    3.1.4、伸长率

    伸长率即断后伸长率,是对钢材塑性的一种量度。伸长率是以钢材在拉伸试验时,试样被拉断后,标距的伸长与原标距的百分比。一般钢材的屈服强度愈低,则伸长率愈大、标志该钢材的塑性愈好。相应伸长率大制管成形好、易于焊接加工。

    3.1.5、韧性

    管材的韧性即钢管在塑性变形和断裂全过程中所吸收的能量。韧性总是和断裂相联系,足够的韧性可以延缓或阻止管线断裂事件的进程。钢材的断裂韧性,系指含缺陷(如裂纹等)的钢材在破断前吸收能量和塑性变形的能力,断裂韧性与钢管的化学成分(包括合金元素含量)、加工工艺(如热轧管、冷卷管、焊接、,热处理等)、材料厚度及其方向性等有关。一般应尽可能降低钢中碳、硫、磷的含量,适当添加铌、钒、钛等合金元素,采用控制轧制,控制冷却等工艺,使钢材的纯净度提高、材质均匀、晶粒细化、则可以提高钢的韧性及其强度。

    为保证管线的安全可靠性,在管线的设计中要考虑防止管线在正常运行时发生断裂,同时还应考虑管线一旦发生断裂,应在短的扩展路程范围内止裂,以尽量减少损失。对于管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂又称剪切断裂,一般是在过大拉应力和裂纹等缺欠同时存在的条件下,由细小的裂纹逐渐扩展而最终造成断裂,其断裂断面特征是呈暗灰色纤维状。脆性断裂又称解理断裂,它是由低温、应力和裂纹缺陷三种条件共同作用所造成,且其断裂往往在远低于钢材屈服强度下突然发生,断裂后的断裂面呈发亮的结晶状。特别是高强度、厚壁、韧性低的管材在低温、高应力使用条件下容易发生断裂。为了防止管线在工作条件下断裂,可从消除管线裂纹缺陷和提高管材断裂韧性两个方面入手。对前者属于制管和施工应防止的;后者则应从选择管线用钢、提高钢材断裂韧性来防止管线断裂。因此,具体可从两个渠道着手,一是要保证管线不发生脆性断裂条件下,不产生焊接缺陷,且具优良使用性能,则焊接性优良。如必须采用较复杂的焊接工艺方能实现优质焊接时,其焊接性相对较差。钢管的可焊性既与焊接工艺条件有关,也与钢管的材质有关。而后者主要取决于钢的化学成分,它对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响,因此可以利用钢材的化学成分来分析其冷裂敏感性。钢材各种元素组成中,碳对钢材冷裂敏感性影响最为显著,故可将各种元素对钢材冷裂敏感性的影响都按相当于若干含碳量折合并叠加以求得所谓碳当量(CE或CEV),故可用CEV或CE来估算钢材冷裂倾向的大小。碳当量的计算方法较多,国际焊接学会(ⅡW)用以判定产生延迟裂纹(也称冷裂纹)倾向的碳当量计算式如下:

    CEV = C + Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5 +(Cu+Ni)/15

    此式一般适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。式中各种成分均以重量百分数表示,其中钢的百分含量中尚可包括铌(Nb)、钛(Ti)的百分含量。钢管在一般焊接条件下,焊口是快速冷却的,钢的硬化,尤其在紧靠焊缝受热影响的粗粒区内,焊接会对这些成分产生影响。公式中分母数值提供了关于焊口及其热影响区内金属硬化方面各元素的含量起作用的程度。对X60、X70钢级,碳当量一般都限制在0.42以下。碳当量最大值、壁厚和热输入常被用于确定预热温度和道次间焊接的温度。

    碳当量的精确表达式是Pcm参数,又称冷裂纹敏感系数

    Pcm = C + V/10 + Mo/15 +(Cr+Mn+Cu)/20 + Si/30 + Ni/60 + 5B

    此式适用化学成分范围:C 0.07~0.22%;V 0~0.12%;Mo 0~0.70%;Mn  0.40~1.40%;Cu  0~0.50%;Si  0~0.60%;Ni  0~1.2%;B  0~0.005%;Nb 0~0.04%;Ti 0~0.05%。它的建立是为了预测氢致开裂的敏感性。材料应具有足够低的韧脆转变温度(对于某种钢材,其断裂韧性在一定温度范围内是随其使用温度的降低而降低,当温度低到某一临界温度附近时,韧性便会出现突然下降的现象。即在这一温度下,钢材从韧性断裂转变为脆性断裂,这一温度称之为钢材的韧脆转变温度),可以钢材的落锤撕裂试验(DWTT或DWT试验)的剪切面积作为防止管道脆性破坏的主要控制指标。一般规范要求在最低运行温度下试样断口剪切面积应大于85%;二是要保证管道一旦发生断裂不产生长距离的扩展,即材料应具有足够高的夏比(V形缺口)冲击韧性(起裂、止裂韧性)。对于母材,当钢材的韧性值满足止裂要求时,其韧性值一般也都满足防止起裂的要求。但对于焊缝,要保证与母材等韧性的要求是较为困难的,故对焊缝的韧性要求一般按照防止起裂的韧性计算。 GB/T 9711.2、ISO 3183-3标准有关表格均列出了对D≤1430(mm)焊缝横向夏比冲击试验最少吸收功平均值不低于40J的具体要求。

    对于母材的止裂韧性要求,APl 5L及GB/T 9711.1标准列出了夏比冲击功及最小剪切面积百分率的具体要求。其中APl 5L标准提出对PSL1,钢管不要求夏比冲击试验;GB/T9711.2列出了不同安全系数、不同钢号、不同管径夏比冲击功及落锤撕裂试验剪切面积百分率的具体要求;ISO 3183-3标准分别对液体输送、近海输气管线,陆上输气管线提出了对夏比冲击功、落锤撕裂剪切面积百分率的具体要求。此外,APl 5L标准的附录SRl9还列出了横向夏比冲击功要求的计算公式;IS0 3183-3标准表9也列出了可代替查表计算夏比冲击功的公式以防止长程扩展。

    目前国际通用的埋弧焊管用钢板的交货技术标准(化学成份和冲韧性部分)为。

    对输油管线用钢板:

    C≤0.1%,Mn≤1.5%,P≤0.02%,S≤0.0l%,(Nb+V+Ti)%≤0.12%,Ceq≤0.4%,Pcm≤0.25,-10℃(CVN)≥70J(平均值),≥50J(单值)。Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

    对输气钢板:

    C≤0.1%,Mn≤1.5%,P≤0.015%,S≤0.006%,(Nb+V+T)%≤0.12%,Ceq≤0.35%,Pcm≤0.20,-20℃(CVN)≥90J,(平均值),≥80J(单值)。

    对有要求的"塑性失稳"止裂的高压输气管线,要求在不限长度内实现对"塑性失稳"止裂,要求钢板的全尺寸CVN≤90J,要求在10~20m范围内实现对"塑性失稳"止裂,则要求钢板的全尺寸CVN≥130~190J。

    AMOCO石油公司1991~1992年在北海油田建设水下输气管线对管管材的各种要求。这种X65输气UOE焊管基体是针状铁素体,其钢管管体和焊接热影响区的-20℃冲击韧性都大于300J,焊缝区大于200J,C O.04%,Ceq=0.33,Pcm=0.13。这都是输油珠光体和铁素体类型钢做不到的。这种钢的主要特点是低碳,通过热轧强制冷却到低温得到致密的针状铁素体。这种钢一个特点是含铜,因为铜可降低氢在钢中的扩散系数,降低钢对氢诱发裂纹(HIC)敏感性;还有一个特点是低硫,这是用钙处理结果。对输气钢采说,这三个因素是必需全部做到,不然抗硫化氢性能就不能保证。

    3.1.6、管线钢管的可焊性

    钢管的可焊性(或称焊接性)就是被焊钢材是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。应包括两个方面:一是钢材在焊接加工中是否容易形成缺陷;二是焊成的接头在其使用条件下是否具有可靠运行的能力。前者称为工艺焊接性,后者称为使用焊接性。钢材的可焊性只是一个相对的概念,对于给定的钢材,在较简单的焊接工艺以上二式均说明CEV或Pcm越大,冷裂倾向也越大。但以此来估计焊接性是比较粗略的,这是因为公式中只包括了几种元素,而实际钢材中还有其它元素;在不同含量和不同合金系统中元素作用的大小可能是相同时元素之间的相互影响也不能用简单的公式反映。故碳当量一般仅限于从理论上对钢材焊接性进行初步分析,而且在应用时,应特别注意公式的适用范围。

    钢材的可焊性一般用两种判别指标。一是影响可焊性的许多化学元素,折合成碳当量(Ceq)来判别可焊性的优劣;二是用热影响区的硬度@在不同的条件下,碳当量有不同的计算方法。对于强度极限达到588MPa的钢材,常用国际焊接学会(ⅡW)推荐使用的碳当量计算公式。碳当量极值的要求一般控制在0.35%~0.4%之间,但实际上均把碳当量值控制在0.35%以下,有的用户要求的更低。

    热影响区的硬度是衡量可焊性的另一指标。热影响区的硬度与碳当量和冷却速度有关,碳当量越高,冷却速度越快,则热影响区的硬度越高。从800℃到300℃的-冷却速度影响热影响区的显微组织,冷却速度加大会使热影响区的硬度增加,组织变脆;从300℃到100℃冷却速度影响焊接金属中氢的扩散,会降低热影响区的韧性和增加对裂纹的敏感性。一般焊缝填充金属与热影响区金属的宏观硬度不得超过220洛氏硬度。此外,对X60及以上等级的管材,还用冷裂纹敏感系数Pcm≤0.2%作为评价母材可焊性的指标。

    3.1.7、钢管的耐蚀性

    保证钢管耐输送介质的内腐蚀(包括SCC、HIC、C02、CI-根离子等电化腐蚀),钢管耐土壤腐蚀(土壤、水、杂散电流等)。

    酸性环境对材料的特殊试验要求:

    a)硫化物应力开裂(SSC)试验:管材应根据NACE TM 0177"在H2S环境中金属抗硫化物应力开裂试验"进行抗硫评定,一般采用四点弯曲或二点弯曲法、恒负荷法,进行SSC试验,测试时间应为720小时,其试样的表面应力应加到管材额定最小屈服强度的72%,应使试样不出现大于0.1mm的可见裂纹,从而获得一个硫化物应力开裂的门槛应力值,进一步判定是否抗酸。

    b)氢致开裂试验(HIC):管材应按NACE TM 0284"管线抗阶梯型开裂的评定"进行抗氢致裂纹评定(与其等效的国标为GB8650),测试时间为96小时后,其裂纹敏感率(CSR)应≤2%;裂纹长度幸(CLR)应≤15%;裂纹厚度率(CTR)应≤5%。

    c)硬度测试:酸性环境下服役的钢管应进行硬度测试,其母材、热影响和焊缝,最大容许硬度应不超过250V10(22HRC)。

    3.2、关于"甜气"、"酸气"和"富气"输送管道对管线钢板要求的不同

    管线钢的技术发展,是围绕着要求提高强度、改善焊接性能及低温下断裂韧性、抗H2S腐蚀能力等方面来展开的。H2S(硫化氢)腐蚀对高压输送天然气管道的应力破坏的形式之一,是氢诱发裂纹,又称氢致开裂HIC(Hydrogen Induced Crack)。这种导致输气管线失效的一种主要模式,潜伏期较长,发展得比较慢,一般要经过一段时间,甚至几十年时间。H2S对钢的腐蚀破坏是以水的存在为前提,由于天然气中的水附着于钢管内表面,H2S在水中成离子状态,生成2H+;钢管中Fe夺取H的正电荷而成为H原子,H原子体积很小,可向钢中扩散;当H原子变成H分子时,体积增大20倍,会造成钢的裂纹扩张,这个过程简称"氢致开裂"。

    防止H2S对钢的腐蚀,有两种方法,一是如果将水保持在0.0005%以下,H2S的影响可以忽略不计。这就要求输送的天然气是"干"气;但是,要"干"到这种程度,很难做到。另一种方法,天然气进入管道前经脱硫处理,也可消除H2S的影响。经过脱硫处理的天然气即视为"甜"气;反之,即为"酸"气。

    氢致开裂(HIC)的产生及严重程度取决于输送气体介质中的H2S的分压(H2S的分压用PH2S表示)。国际标准规定:

    PH2S>350Pa --酸气

    PH2S≤350Pa --甜气

    凡输送甜气时对管材不需提出抗HIC要求;但对酸气,根据PH2S的大小要提出不同的抗HIC要求。

    要想达到"甜气",则必须在天然气进入管道之前脱硫,但当管道操作压力在10Mpa时,则需将H2S%降到0.004%以下,这很难做到,或者脱硫设备上花的投资很昂贵。

    因此,往往是对管材提出适当的抗HIC要求。国外在高压输送和采用X70以上的高钢级管材时,即使输送经过较严格的脱硫处理的"甜"气,也要求抗HIC。这对管线钢提出了较为严格的要求。

    3.2.1、对管线钢抗HIC能力的基本要求

    对管线钢抗HIC能力的基本要求是高纯净度,尤其是低硫。

    (1)减少非金属夹杂物

    H原子深入钢中的主要条件,是非金属夹杂物,而非金属夹杂物以MnS为主。因此,要严格控制钢中含S及Mn的量。通常做到:S≤0.002%;Mn≤1~1.5%。

    (2)尽量减少偏析,通常取:P≤0.015%。

    (3) 改变非金属夹杂物的形状,使它由片状变成球状,从而提高当H原子变成H分子过程中压力提高时的耐压能力。目前通用的做法是采用Ca处理,即Ca/S≈2。

    (4)也可以在化学成分设计时,加入0.27%-0.35%左右的Cu,可以在钢的表面形成保护膜,阻止H原子的深入。

    这些原理化为具体操作及冶金装备时,有如下几点:

    (1)在冶炼过程,提高钢的纯净度。于是采用精料及高效铁水预处理,即所谓"三脱":脱磷(P)、硫(S)及氧(O)。同时,复合炉外精炼,真空脱气+CaSi,达到S≤0.002%,P≤0.015%,[O]≤20ppm,[H]≤1.3ppm。

    (2)提高成分和组织的均匀性。

    在降低硫含量的同时,进行钙处理;连铸过程的轻压下技术的采用;多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺,以限制带状组织等。

    (3)晶粒细化。主要通过微合金化和控制轧制工艺使晶粒细化。

    (4)尽量降低碳(C)含量(碳含量一般≤0.06%),控制锰(Mn)含量,添加铜(Cu)。

    (5) S、C元素对HIC的影响:

    硫(S)和碳(C)对HIC有较大的影响:

    --硫(S):当硫含量增加时,HIC敏感性明显增加;S≤0.002%时,Ca处理可以使HIC敏感性降低得很明显;

    --碳(C):碳较高时,当Mn>1.2%时,HIC增加很快;当碳<0.05%时,即使Mn≈2%,HIC无明显影响。

    从我国四川石油管理局对20年间(1971-1990年)在四川1300Km天然气输送管线上所发生的108次爆炸事故分析表明,硫化氢(HIC)应力腐蚀破坏成为事故的主要原因,与焊管材质有关的因素占93%。

    目前"西气东输"工程虽然没有提出抗HIC要求,但要求钢管必须通过BP溶液的HIC检验。今后国内肯会遇到有抗HIC的要求的情况;同时,由于"走出去"的石油战略,国外许多天然气输送工程要求抗HIC,因此,济钢新建中厚板轧机生产线,从工艺、设备上似应考虑目前或今后具备生产抗HIC的管线钢板的能力。

    3.2.2、关于富气输送对管线钢板的要求

    目前我国天然气的输送,一般是在输送源头的天然气站进行深分馏处理,将重天然气从天然气中分离出去;而富气输送是指在输送源头的天然气站不进行深分馏处理,将较重烃气留在天然气气流中进行输送,输送到用户地后再进行深分馏。

    天然气以富气方式输送的优点是:①省去在天然气产地进行C2-C5烃类重成分分离过程和单独运输,便于下游化工厂家利用;②保持(或改变)天然气成分,即保留或加入C2-C5烃类,来提高密度;③提高密度可以提高管道输送效率,降低成本。

    由于富气输送必须对管道提高压力,因而,对管材韧性提出了更高的要求,使得管材最低韧性应保证其裂纹扩张速率小于天然气的降压波速度,这就是得到止裂所需要的最低冲击韧性值。例如加拿大Alliance管道,如果输送的是干气,钢管的钢材夏比V型缺口的冲击韧性CVN应为100~110J;若为富气输送,则要求CVN>190J。近年来,高压、高钢级的钢管在长输天然气管线中越来越得到普遍的应用,这样,最低冲击韧性值越来越提高了。

    3.2.3、输气管道向更高压的方向发展是一个总的趋势

    这是因为高压输送可以减少管径,通过高纲级管材的研究、开发和应用,可减少钢管的壁厚,从而减轻钢管的重量,而且缩短焊接时间,于是大大降低建设成本。例如,采用X100管线钢比采用X65、X70管线钢可节约钢管费用30%左右,节约管线建设成本10%-12%。20世纪70年代以来,随着管道输送压力提高到10Mpa左右,X70钢管逐步得到广泛应用,目前已占主导地位;90年代以来,输送压力继续提高,更高强度级别的管材得到了应用,已敷设了大约500Km的X80输气管道,NOVA公司(并入Trans Canada)已将X80作为新建输气管道的基本选材的钢级。在Alaskan的LNG(液化天然气)项目中,正在考虑一条1287Km的天然气管道,管径φ711.2-φ762mm,钢级X80,壁厚15.57-16.66mm。目前,国外输气管道的设计和运行压力已达15Mpa,甚至20Mpa,有些管道甚至考虑采用更高的压力。Mohitpour论证了在非常高的压力(55.16MPa)下输送大流量(>1.7×108m3/d)的天然气管的商业可行性,使用高强度X105管道钢,管径为φ1524mm、壁厚25mm,输送伊朗南部的天然气。采用高压输送和高钢级管材的组合是新建管道重要发展趋势(管材钢级超过X120或X125时,单纯依靠提高钢级来减少成本就十分困难,而必须采用复合材料来增强管道钢管)。

    从高压输送和高钢级管材的发展趋势给我们以两点启示:一是建造中厚板轧机要考虑这一国外趋势,管线钢的钢级定位在何处为恰当?目前,"西气东输"用X70钢级UOE输送管的国外订货已经基本完成,未来几年我国有可能再新建的大规模输气管线工程是两条中-俄管线。目前国内对选用更高钢级的X80钢,还是继续采用"西气东输"采用的X70钢有不同看法。为此,有关部门广泛征集了国外公司的看法。据MFI调查,由于目前世界上的施工配套手段多数是针对于X70钢的,改成X80 较难,所以目前订货较少,从现场焊接方面讲,X70和X80的保护气体焊技术没有大的区别,唯一的区别是焊丝成分不同,但费用差别不大。住友金属的看法是,使用X80钢虽然可以降低重量。但是,由于生产过程中需要加入Mo,钢管成本可能会有所提高。NKK20世纪90年代X80输送管共生产过4.7万吨,生产20mm以下壁厚的X8O UOE输送管没有任何问题。NKK认为,使用X80钢可以降低壁厚,提高焊接效率,而且总重量下降,虽然单价稍贵,但总成本会降低。新日铁认为,X70和X80的性能差异不大,但是世界上能够生产X80输送管的厂家只有几个,如果开始订货,谈判上降低价格不容易。而且,如果现场焊接水平不够,会影响铺设质量。究竟使用X70或X80,应根据具体的管径和壁厚而定。总体讲,这几家世界上的主要输送管生产厂都具备生产X80管材的实力,生产上不会存在问题。但是,由于技术上的难度,订货的价格不可能低。而且,必须考虑的是现场焊接能力。由此,济钢新中厚板轧机应以X70管线钢为产品目标,在设备强度上预留生产X80管线钢级的可能性。第二点启示是,目前国内"西气东输"工程螺旋管可用于一类地区,实属不得已的一种权宜之计,而非战略性的方向。所以,济钢建设新中厚板轧机,在产量上要看到双面埋弧直缝焊管在输气上是战略方向,在中国的不久将来,会大面积取代螺旋焊管,这是历史的必然。实际上,从防腐标准来看,目前螺旋焊管允许在焊缝外表面上的防腐层厚度可以减薄近1/3,是不得已的降低标准的做法,可见"西气东输"工程应用螺旋焊管的薄弱环节和不足之处已经显现出来,今后不能再这样迁就下去了。

    由于控轧钢会出现不同程度的断口分离现象,对这种钢最初达到剪切面积100%时的CVN值并不是最高值。随着温度的上升,CVN将逐渐提高并达到上平台。若100%剪切面积时的CVN用CVN100来表示,而上平台值用CVP(CV Plateau)表示国外通常要求CVP/CVN100<1.25,否则,不能在输气管道上应用,我国多数钢厂目前还很难完全达到此项要求。但作为济钢,上中厚板轧机,生产的管线钢板,似应在发展中今后考虑这个要求。目前可先从管线钢的X42、X46、X52和提高到X56、X60、X65然后到X70,以致X80,分阶段逐步达到高钢级。

    3.3、高强度管线钢的开发和冶金装备的适应

    石油天然气输送管线用钢,特别是高强度管线钢的开发,集中体现了下列钢铁技术发展的全部成果:

    --钢的微合金化和控制轧制技术的现代化;

    --以晶粒细化和新析出强化为主要内容的强韧化机理发展到数模阶段;

    --以高纯净度和精细组织结构为目的的炼钢、连铸、热轧工艺追求最优化趋势;

    --以Nb、V、Ti等为合金元素在钢中的作用深入探讨的成果为基础形成了冶金设计的新概念。

    根据管线钢的强度级别和选择相应的冶金装备,与可实施的控制轧制工艺相适应,从而生产出管线钢的高纯净度、精细化组织结构、高均匀性、高精度、高性能水平。

    3.3.1、从冶炼来看,有如下考虑

    --管线钢的冶炼,始终贯穿着低硫(S)操作;

    --钢水精炼与脱气相结合,可使化学成分得到精确控制,并降低夹杂物的数量,减少参与夹杂物的粒度;

    --喷射或喂丝技术的应用,可实现成份微调,保证微合金添加剂较高的稳定的回收率;

    --为了深脱硫、控制夹杂物形态,顺利浇铸,通常用Ca-Si、Ca-Mg保护渣。

3.3.3、微合金化连铸的特点

    关于连铸机的设备及工艺特点,以德国Dilingenr公司为例,其连铸机铸坯宽度2200mm,厚度300mm,最大特点是设置高度12m垂直凝固段,设计有分别控制5个冷却段,板坯心部完全凝固后转入扇形弯曲段和随后的矫平段。铸速和二冷制度的最佳化是以避免在塑性低谷区Nb、V、Ti微合金化钢板坯表面横向裂纹的形成。在钢水凝固阶段,未溶(初析)的微合金元素--碳氮化合物,如TiN、AlN、NbN等,决定了铸态的原始奥氏体晶粒的尺寸。

    3.3.4、从轧钢来看,有如下特点

    近年来,按控制轧制奥氏体晶粒调节方式提出新的分类方法,即传统的控轧(CCR)和再结晶控轧(RCR)。为了要从奥氏体最终得到变得细小的铁素体晶粒尺寸,要求细小的初始奥氏体晶粒尺寸、较高的单位体积的界面、高的铁素体形核速度、低的晶粒长大及随后的粗化率。轧制工艺的优化其主要内容是实现较高的单位奥氏体体积的表面。

    RCR合金设计的出发点,就是选择V、Ti、Al等作为微合金化元素,使之降低再结晶温度及高温下脱溶,由于析出颗粒的存在既足以驱动静态再结晶的发生,又能抑制再结晶后细小奥氏体晶粒的粗化。这对于控轧非常重要。在钢坯加热温度范围内,高温未溶碳-氢化物,有效阻止奥氏体晶粒的长大。在初轧阶段,未溶的沉淀颗粒,起着促进奥氏体晶粒再结晶生核,又起着阻止再结晶后细小奥氏体的长大。在精轧阶段,形变诱导析出,起着富化γ→α生核作用;在终轧后冷却阶段的相间析出,或铁素体基体内析出,其强化结果远远超过铁素体晶粒细化的作用。

    冶金设备的具体条件要适应钢的微合金化方案。从原则上来说,钢的轧制,不仅是实现非断裂的永久变形,达到预定的板形、规格及尺寸精度;更主要的是要满足组织类型和微观精细结构的要求。前者,要求解决轧制力与塑性变形的关系;而后者则是为解决钢的强度、韧性以及使用设计者要求的相关性。

    抗硫化氢腐蚀用钢的主要生产难点是钢中含硫量要求小于0.002%,且钢水还需进行钙处理,以使条状硫化锰得到彻底变态。此外,最终的组织状态也必须是没有带状珠光体的针状铁素体或贝氏体,因此需要通过合理的成分设计、采取减小连铸坯中心偏析和轧后加速冷却等措施,以抑制带状珠光体组织的形成。宝钢目前已经掌握这种钢的生产技术,并获得在pH=3的条件下不发生氢诱裂纹的实例,待条件成熟时即可投入批量生产。

    在钢板轧制方面,直缝埋弧焊管用钢板主要用微合金钢在中厚板轧机上轧制。生产这种输气管线钢板关健是在热精轧后强制冷却。在强制冷却工序中难度大的是钢板变形问题。解决办法是在精轧机后强制冷却前增加预矫平装置,在强制冷却后用3500t矫平机组对钢板实行中温校平来解决由于控轧而带来的钢板变形和钢板内应力问题.近几年来,日本、韩国和西欧都相继研究在控轧后,对钢板实行在亚邻界(Acl)温度淬火后回火,来进一步降低钢板含碳量,以提高其焊接性能和钢板的强韧性,同时也解决了铜板变形和钢板的内应力问题。在合金化设计方面也随之也做了较大的调整。

    在热连轧厂则需要在精轧后强制冷却到低温降低卷板低温度在550℃以下,这也带来改造卷板机组问题。

    3.3.5、管线钢板的两个值得重视的缺陷:分层与断口分离

    我国目前轧制管线钢板的质量,从总体上来看,是好的和比较好的,但也存在一些缺陷,例如分层和断口分离值得注意。

    分层(Lamination)和断口分离(Separation)是管线钢板两种不同的缺陷。导致分层的原因主要是钢坯存在缩孔引起;而导致断口分离的原因目前还在探讨之中,所以,更值得研究。分层这种缺陷可以用超声波探伤准确地确定其位置及边界,而断口分离这种缺陷则无法用任何无损探伤的方法检查出来。

    分层缺陷影响输气管线的安全运行,应当严格控制。对钢板的分层缺陷应进行100%面积的超声波探伤检查。一般规定,超过80mm2的分层应切除,一张钢板分层总面积大于6000mm2应报废。按有关规定,在距板边30mm的范围内不允许有分层存在,其余部位上允许分层的限值:任何方向不允许存在长度超过50mm的分层;长度在30~50mm的分层相互间距应大于500mm;长度小于30mm相互间距小于板厚的分层长度总和不得大于80mm。

    所谓断口分离就是指控轧钢板在进行机械性能试验(包括拉伸试验、冲击试验、DWTT试验、COD试验等)和水压爆破实验时,在断口处发现的二次裂纹或分层,它们垂直于断口表面、平行于钢板表面的缺陷。这种分离裂纹在原钢板中并不存在,只是断裂时才产生:"断口"时才"分离",故名"断口分离"。

    断口分离的形成机理,目前有三种推测其产生的原因。一是从金相结构来分析的,是管线钢在(α+γ)两相区控轧时形成{100}<110>结构(注:{100}为立方晶系的{100}晶面族,其晶面为正六面体的某个面;<110>:晶体各向异性,是由于原子的紧密程度不同所致,<110>晶向为0.7/α,其中α为晶格常数),这种沿轧制平面发育的结构不仅引起钢板平面的各向异性,而且引起厚度方面的脆化,因而在外力作用下,平行于钢板表面沿结构出现分离;第二种观点是从热机械处理(钢的形变热处理)概念出发,产生断口分离的主要原因是回火脆性,在低温控制轧之后的冷却过程中,偏析层中的磷扩散到铁素体晶界上,削弱了铁素体晶界的韧性,于是出现了分离现象。第三种看法也是从金相结构来分析,认为是由于针状铁素体基体上夹有珠光体带导致断口分离。众说纷纭,莫衷一是。

    这种缺陷不仅目前我国轧制管线钢板时有存在,国外也有。1983年日本钢管公司供给我国沙市钢管厂的控轧钢板就出现了较严重的分层和断口分离。经研究表明,断口分离的出现会导致CVN和FATT的下降,应予以限制。国内外规范明确规定,出现断口分离时,对CVN的要求值应提高50%。这一点,国内有的企业至今尚处在研究阶段,值得引起济钢的重视。

    API SPEC 5L(前一版)将管线钢按屈服强度划分不同强度等级,但只规定各钢级钢管屈服强度的最小值(SMYS),这是失误。对钢管的屈服强度应当有上限要求。否则,屈服强度在较大范围内波动,无论对钢管的制造还是现场施工的质量都难以保证。因此,近年来人们对钢管屈服强度的波动范围提出了越来越严格的要求。

    直缝埋弧焊管特别是UOE法在成型过程中回弹很小,焊后扩径过程使得焊管内表面产生残余压应力,据Manresman研究介绍,当扩径量为1.5%时,内壁残余压应力值约为200~300Mpa。这种残余压应力的存在,使得钢管实际承受应力低于管内流体压力。因此,由于扩径量是管内沿长度方向处处相同,故要求屈服限沿长度方向、直径方向应当大体相同;否则,应变就会相差很大。目前我国有关规定要求屈服限波动范围50-100Mpa(日本新日铁为80MPa)。

    3.3.6、屈强比(YB)

    屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值,规定了钢管塑性变形区的σ-ε行为,即屈强比越小,钢管在屈服后产生起始塑性变形到最后断裂前的形变容量越大。从这个角度来看,钢管的屈强比(YB)尽量小一些,对管道安全有利。一般屈强比(YB)≤0.90范围内。但高强度钢管(特别是高强度微合金化控轧钢)屈强比较高,X70以上钢级的屈强比(YB)有时会超过0.93。

    屈强比(YB)的提高,对管道的安全性各有利弊。有利的一面,因为爆破压力与屈强比成正比,所以,从这个角度看,屈强比越高,管道趋于安全;不利的一面,因为环向应变的允许值与屈强比成反比,屈强比越高,环向应变允许值减少。当屈强比(YB)=0.93时,可允许周长方向变形量为2.5%;而屈强比(YB)=0.95时,允许周长方向变形量1.5%。从这个角度看,屈强比不宜过高。

    另外,屈强比还同钢管壁厚有关。例如:12.7mm<t<17.5mm,允许YB≤0.93,而t=25.4mm时,允许YB≤0.97。

    在制管成型过程中和随后压平拉伸试验过程中,试样经受拉、压反复应变致使屈服强度降低的现象称为包辛格效应。管线管因为包辛格效应而使屈服强度的损失可达15%。一般为40~50Mpa,甚至可达70Mpa。

    三种焊管管型中,螺旋焊管(SSAW)的包辛格效应最严重,高频直缝焊管(ERW)次之,直缝双面埋弧焊管UOE又次之。SSAW管成型过程的应变量最小(<2%),形变硬化效果很小,这时包辛格效应增大;同样外径的ERW和UOE钢管成型过程的应变量比SSAW大(>2%),而形变硬化效果相对较大,于是包辛格效应相应减弱。特别是UOE钢管,最后一道扩径工序,使包辛格效应进一步减弱。因此,钢板生产时屈服强度应留有一定的富裕量,以弥补包辛格效应对钢管屈服强度的影响。

    此外,同是一钢厂生产的钢板,钢板厚度即钢管壁厚t与直径D之比t/D,即变形量δ=t/(D-t)大者,包辛格效应反应强烈。同时,由于控制轧制,得到的屈服强度越高,其包辛格效应越强烈。

    4、关于板型及尺寸精度的基本要求

    钢板表面质量应完好洁净,不允许有影响产品质量的裂纹、结疤、起皱等表面缺陷,对分层缺陷有严格的限制。板型应平直;板边切边后不允许有分层、裂纹、收缩孔隙及疏松之类缺陷;板宽公差≤5mm(每边<2.5mm);板宽处镰刀弯:12m长允许5mm以内。

    5、结论

    1)高压富气输送和深水海底管线、低温管线敷设以及高钢级管道的建设,具有很大的经济效益,是国际管道发展的必然趋势;钢管制造及管线钢的开发要考虑这一未来发展前景。

    2)关于管型的比较。以生产螺旋焊管著称的俄罗斯其天然气工业股份公司2002年10月从乌克兰哈尔岑钢管厂订购10万吨φ1420mm大口径直缝埋弧焊管,实际上,前苏联1976-1990年间从日本进口大、中直径直缝埋弧焊管230多万吨,说明高钢级的发展,螺旋焊管是不能适应了。因此,未来直缝双面埋弧焊管在中国必然有大的发展,同时还应当"走出去"。目前,中国应用螺旋焊管于天然气长输管线,只是不得已的权宜之计,这是一种策略性的选择而决非战略性的方向。这一点,无论是石油天然气领域,冶金以及管道制作领域,决不能以"行业保护"的狭隘眼光来看待管道发展问题。"行业保护"是一把双刃剑,目前似乎是保护了自己,在将来很可能是限制了自己。

    3)高钢级管材仍需研究、发展、提高和优化,世界上目前推广X70级,研究X80级,其断裂控制和安全可靠性是国际上长期以来持续进行研究的主要课题。济钢中厚板轧机的建设高标准似乎应当着眼于此。但起步阶段,要从易到难,逐步摸索管线钢的冶炼-轧制规律,积累操作和实践经验,这有一个过程,不可操之过急。

    4)中厚板生产工艺要以大力发展连铸板坯为中心的技术战略,加速优化炼钢生产结构,并在带动整个中厚板生产流程现代化和企业结构优化方面起推动作用。中厚板生产要全面适应"提高质量、扩大品种、降低成本"的要求,千方百计节能降耗,依靠技术进步,提高竞争力。要找准本企业的市场定位、产品定位的变化,尽快制定自己技术革新的战略。

    这里强调注意三个要点:

    一是要从中厚板生产流程的整体优化来考虑炼钢-连铸-轧板系统各个部份的优化,关键是要充分注意新世纪中厚板生产流程优化的主流方向是连续化、紧凑化、高效化和智能化;要整合全行业的力量攻克连铸连轧工艺。

    二是抓住以连铸板坯为中心,炼钢-炉外处理-连铸三位一体组合优化;

    三是企业要从战略高度做好产品结构自我定位,要"有进有退,有所为有所不为",在这个基础上,进一步优化工艺流程结构,使之与产品品种、规格相适应。

    国内外中厚板企业之间的竞争,国内外焊管企业之间的竞争,促使我国中厚板企业向更高层次的技术领域进军,这一目标靠生产流程的整体优化来实现。

    目前国内宝钢、舞钢、鞍钢等都在考虑发展宽厚板(管线板)产品,济钢如何适应这一钢板发展的态势?根据济钢的条件予以筹划,如何考虑在管线板市场中的定位序列,例如钢级、板厚、板宽、产量等。中厚板还有多个市场领域,例如建筑、造船、桥梁等等。我以为原则是:由市场定位来确定主导产品,由市场细分来决定产品层次,由市场半径来估计产量规模。"要有所为,有所不为"。"要有进有退"。要向"专、精、特、新"方向发展。

    以上浅见,仅为"抛砖引玉"。祝济钢在调整结构过程中面向国内、争雄国内;走向世界、跻身世界,为中国建成钢铁强国做出杰出的贡献。


  • 钢材价格指数
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综合 长材 扁平材
综合指数
长材指数
扁平材指数
品种 日期 指数 周环比
综合指数 03-28 137.43 -0.85
长材指数 03-28 152.63 -0.9
扁平材指数 03-28 122.9 -0.79
品种 日期 指数 周环比
螺纹钢情绪 03-22 58.83 +42.59
热卷情绪 03-22 46.83 +11.07
冷卷情绪 03-22 44.38 +15.48
数据来源:钢联数据免费下载

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