大应变条件下要求的管线管性能及可行的钢管加工工艺方...

大应变条件下要求的管线管性能及可行的钢管加工工艺方法编译：焊管学会秘书处摘要近来，基于应变的设计应用于极地或地震区域的管线受到广泛重视。目前，关于拉伸应变极限和压缩应变极限的研究有很多。不过，还没有关于弯曲屈曲（压缩应变极限）和拉伸应变极限的关系的讨论。利用实际的应力应变曲线建立的模型表明，对于单轴拉伸应力，拉伸应变极限随着屈强比的升高而增加，因为钢管生产商通常是通过提高拉伸强度而不是降低屈服强度来达到降低屈强比的目的。高径厚比的管子受弯时，在最大弯曲力矩(ε-cp*)下弯管内弧侧的压缩应变增量提高了拉伸应变极限。这是因为拉伸应变极限由初始屈曲或ε-cp*控制，而降低屈强比使ε-cp*上升。另一方面，低屈强比管子受弯时，拉伸应变极限可能不受屈曲性能提高的影响，因为内弧面的拉伸应变已大于最大弯曲力矩下的拉伸极限。最后，我们认为管线钢管主要性能之间的平衡很重要，除对管子性能的严格的要求之外的其他努力对提高管线钢管的应变能力也是非常重要和必要的。简介管线设计中开始考虑基于应变的设计的应用[1]。基于应变的设计中允许管线管发生小的塑性变形，这是管线工程学的一个热点问题。在如不连续永冻区域、地震区等恶劣环境中，由于地面运动会产生管线变形。管线的应变极限受许多因素的控制，包括钢级、管径、环焊缝过强匹配、焊缝缺陷尺寸、焊缝韧性、钢管变形性等。如图1所示，管线变形一般分为拉伸、弯曲、和压缩变形。其中，包括纵向的拉伸和压缩载荷组合的弯曲变形可能较普遍。发生弯曲的钢管的内弧侧产生压缩应变，而外弧侧产生拉伸应变。如果含缺陷的环焊缝位于钢管的外侧，那么焊缝会承受很大的拉伸应变，可能产生开裂并扩展至整个壁厚，最终导致管线中碳氢化合物的泄露。这种最不利的情形必须加以阻止[3]。对于环焊缝含有缺陷的钢管的拉伸应变极限的研究多数是通过弧形宽板试验(CWP)进行的[2]。早期研究得出的重要一点是，环焊缝的过强匹配是基于应变设计的管线的先决条件。自然地，随着缺陷区域的增大，拉伸应变极限大幅度降低。尽管CWP试验相对简单，应该注意到，与利用内部压力进行的钢管拉伸试验测得的值相比，CWP试验测得的拉伸应变极限值要略微大一些[3]。压缩应变极限已经成为弯曲变形研究的一项主要内容。利用有限元分析（FEA[4-6]）对原材料特性，特别是纵向强度特性和钢管尺寸对弯曲屈曲行为的影响，进行了系统的研究。弄清楚的一点是，通过减小直径与壁厚的比率(D/t)并增大加工硬化系数，压缩应变极限随之增加，即，钢管的纵向屈强比减低了。不过，没有探究过弯曲屈曲和拉伸应变极限之间的关系。一种原因可能是拉伸应变极限是在钢管加环焊缝的组合条件下决定的，很难通过计算确定。另一种原因可能是，尽管报道了许多CWP试验的试验结果，但CWP试验还没有使用过具有系列多样性能的钢材。本文中，综述并讨论了管线发生弯曲或拉伸变形的过程中，钢管尺寸和特性对环焊缝出现裂纹（极限状态）的影响。图1管线的代表性钢管变形模式(A)同轴拉伸，(B)弯曲，(C)压缩专业术语D/t钢管的直径与壁厚的比值YS屈服强度TS拉伸强度Y/T屈强比L-Y/T纵向屈强比ε-cp弯曲钢管内弧侧的压缩应变[ε-cp=(D/L)xθ其中，D是钢管直径，L是钢管长度，θ是管端倾斜角。本文中，L/D=8]ε-cp*最大弯曲力矩时的ε-cpε-tn弯曲钢管外弧侧的拉伸应变ε-tn*ε-cp成为ε-cp*时的ε-cpε-re*远端极限应变应变状态下管道的失效当一根钢管被同轴拉伸，并且管体或环焊缝部分的拉伸应力超过一定的极限值时，先前存在的缺陷处产生开裂。引发裂纹沿钢管纵向扩展的周向缺陷毫无疑问的只能存在于环焊缝部分而不是存在于管体，所以，通常只关注焊缝部分。裂纹起裂时在远离缺陷（通常是管体）处测量的远端应变定义为远端极限应变(ε-re*)。通常认为最大缺陷是3mm深，即一层焊道的高度，50-100mm宽。比此尺寸大的缺陷基本都会探测到并进行修复了。远端极限应变ε-re*因钢级，开裂韧性，钢管纵向的应力应变曲线，环焊缝的过强匹配等等而不同。例如，对于过强匹配的环焊缝的X100管线，报道的远端极限应变ε-re*为0.02-0.03[7]。在受弯情况下，如果某条环焊缝的缺陷恰好位于弯曲钢管外弧侧的最大应变部分，那么可能从此先前存在的缺陷的地方产生裂纹。图2随着钢管弯曲，其外弧侧表面(ε-tn)弯曲力矩和拉伸应变的变化(X80,D/t=48.8,Pi/SMIP=72%,两端堵口)图3ε-cp*对ε-tn*的影响(X80,D/t=48.8,Pi/SMIP=72%)管道弯曲失效的控制因素随着钢管弯曲角度的增加，弯曲钢管内弧侧的平均纵向压缩应变(ε-cp)增加，同时，弯曲钢管外弧侧的纵向拉伸应变(ε-tn)也增加。由图2可见，随着压缩应变ε-cp增加，拉伸应变ε-tn线性增加，并且在最大弯曲扭矩的峰值处增加更加迅速，此时弯曲钢管的内弧侧出现屈曲。出现屈曲时的压缩应变ε-cp和拉伸应变ε-tn值分别定义为ε-cp*和ε-tn*。如图3所示，随着ε-cp*增加，ε-tn*可能在0.015到0.03之间线性增加，接近ε-re*值。这表明，当压缩应变ε-cp超过ε-cp*、产生屈曲时，弯曲钢管的外弧侧焊缝缺陷处可能产生开裂。图4D/t对ε-cp*的影响(X80,Pi/SMIP=80%)图5Y/T对ε-cp*的影响(X80)之前的数据报告清晰的表明，如图4所示，随着D/t的减小，ε-cp*明显增加[6]。另外，如图5所示，随着钢管的纵向屈强比减小，ε-cp*略微增加[5]。不过，对于大的ε-cp*的情况，如小的D/t的钢管，在压缩应变ε-cp到达ε-cp*之前，拉伸应变ε-tn可能超过ε-re*。影响拉伸应变管道中远端极限应变的材质因素与弯曲屈曲的情况不同，实验中没有从钢管特性方面明显说明拉伸应变极限的控制因素。丹尼斯等人通过图6的示意说明，对于纵向屈强比（L-Y/T）较低的钢管，ε-re*较大[8]。图中，当管体中的应力达到焊缝金属的失效应力时，裂纹开始在环焊缝中扩展。该应力对应的钢管中的应变为远端极限应变(ε-re*)。很明显，低的屈强比的情况产生较大的ε-re*。不过，我们认为这对实际的管线是不可行的。因为管线管的级别由屈服强度规定，图6中的对比是针对不同的级别的情况，也就是，较低级别对应低的屈强比，较高级别对应高的屈强比。当需要纵向屈强比低的钢管时，钢管制造商通常提高拉伸强度，而不是降低屈服强度，因为钢管的生产需要一定的屈服强度范围或者说是容许公差，而屈服强度的范围通常很窄。图7是实际测量的UOEX80钢管的纵向应力应变曲线。两条曲线拥有几乎相同的屈服强度，但拉伸强度不同。按照图6的模型，利用图7的简化应力应变曲线得到如图8的示意说明。图8很清晰的表明，纵向屈强比高的钢管，ε-re*较大。也就是说，这些考虑说明，假定屈服强度恒定的情况下，屈强比越大，拉伸应变极限也越大。如果低屈强比的钢管比高屈强比的钢管的均匀伸长率大得多的话，这种结论可能就不一定是对的，但这种情况对于实际的UOE钢管可能通常不会发生。当然，此建议要通过大量的ＣＷＰ试验，利用如图7的那些应力应变曲线进行证实。另外，生产低纵向屈强比钢管的方法（条件）经常会导致钢管涂敷加热期间的屈服强度的较大幅度增加。与图7中的应力应变曲线对应的240oC加热后的应力应变曲线如图9所示。图10是利用图6之后的这些曲线制作的示意说明。可见，加热后，低屈强比的ε-re*比高屈强比的情形有更多的减少。图6确定拉伸应变极限的示意说明（屈服强度不同，拉伸强度恒定）图7对应不同的屈强比，X80钢管典型的纵向应力应变曲线图8确定拉伸应变极限的示意说明（屈服强度恒定，拉伸强度不同）图9在240oC加热后，对应不同的屈强比，X80钢管典型的纵向应力应变曲线图10确定拉伸应变极限的示意说明（加热后不同的屈强比）适于基于应变设计管道的管线管随着钢管的弯曲，ε-cp增加，并且一旦它超过ε-cp*，ε-tn迅速以较大幅度增加，而且可能会很快达到ε-re*。所以，ε-tn*实际上是被作为拉伸极限应变。对于大径厚比的钢管，可能要求ε-cp*增加，例如通过一定程度的降低屈强比，因为那些钢管的ε-cp*相对较小。不过，应该注意到，过分要求降低屈强比会导致非常高的拉伸强度，这可能产生不良影响，例如，这样一来就必须要求环焊缝金属和钢管主焊缝金属具有非常高的强度。再有，降低屈强比的最可能的方法是使钢板具有双相微观结构，这种方法有时候会在开裂表面上产生明显的分离，导致低温韧性恶化[9]。所以，考虑到通过降低屈强比改善ε-cp*是有限的，所以平衡各种性能是非常重要的。另一方面，对于径厚比小的钢管，ε-cp*已经是大的，不必通过材质改进来增加，因为当钢管发生弯曲并且ε-cp值到达ε-cp*，ε-tn*值已经超过ε-re*。如上所述，当ε-tn*值大于ε-re*时，环焊缝部分中的已存在缺陷处不会产生开裂。图11半示意性地说明了这一点。为防止管体的延性失效，应该考虑均匀伸长率大于ε-tn*的条件，不过大多数UOE钢管可能都满足此条件。图11决定不同径厚比弯管的极限状态的因素图12对于240oC（涂敷加热）的时效条件，高屈强比和低屈强比钢管的屈服强度和拉伸强度的变化图13时间和温度对屈服强度增加的影响在进行涂敷加热期间，钢管的机械性能会发生变化，即，屈服强度和拉伸强度，特别是屈服强度随着加热温度而增加，结果造成屈强比增加。这一点图12中很明显，该图利用图7和图9中的屈服强度和拉伸强度示意说明了拉伸强度和屈服强度的关系。图13说明了不同温度和时间的条件下屈服强度的变化[10]。对于减小屈服强度的变化，采用低温涂敷技术至关重要。对于钢管性能在涂敷前后应该满足相同的容限，这种要求极大地缩小了生产条件窗口，导致生产成本升高，有时候不可能进行批量生产。因为在批量生产时，不同钢管、不同生产批的强度在周向[11]和纵向都会有差异，所以钢管生产商需要较宽松的生产条件。对于管道公司和钢管生产商来说，一个实用合理的措施是，只对涂敷后的强度进行规定或对涂敷前后强度给以不同的范围要求。管道工程师也考虑强度的差异性。不言而喻，阻止管线弯曲引起氢泄露的最有效的措施是消除环焊缝中的大缺陷。总结和结论1、模型分析表明，在拉伸变形情况下，随着屈强比的增加，拉伸应变极限增加，不过应通过实验来确认。2、高径厚比的钢管弯曲时，由于拉伸应变极限由屈曲或ε-cp*的情形控制，所以ε-cp*的增加会使拉伸应变极限提高。3、低径厚比的钢管弯曲时，拉伸应变极限可能不会因屈曲行为，即，ε-cp*，的改善受到影响。4、对管线管的主要性能加以平衡是重要的。除了对钢管性能严格要求，努力尝试也是非常重要的和必要的。