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詳解大口徑螺旋鋼管的性能要求及技術

時間:2019-01-16 作者:滄州德源鋼管
目前,uo軋機幾乎占領了日本的國內市場,為了更好地滿意海外用戶的需求,日本前進了煉鋼、連鑄、厚板出產、鋼管制作悉數工序的制作技能,開發出新產品,并前進了出產高功能管
      目前,uo軋機幾乎占領了日本的國內市場,為了更好地滿意海外用戶的需求,日本前進了煉鋼、連鑄、厚板出產、鋼管制作悉數工序的制作技能,開發出新產品,并前進了出產高功能管線鋼管上游工序的制作技能。一起,上游工序也大規模地引進了新的制作設備。本文介紹大口徑鋼管制作辦法、鋼管功能要求和上游工序的技能前進。
 
1 鋼管制作辦法概要
 
1.1 大口徑焊接鋼管的制作辦法
 
大口徑螺旋鋼管是由厚板、熱軋板通過成形、焊接而成。制作辦法首先按焊接法分類,將選用高效率和可靠性高的埋弧焊(submerged arc welding)鋼管稱為saw鋼管。本文評論的大口徑鋼管首要以這種saw鋼管為方針。saw鋼管又分為縱向焊接的埋弧焊直縫鋼管l-saw和螺旋焊的埋弧焊螺旋鋼管h-saw。l-saw鋼管有合適大批量出產的uo成型法、合適品種多量少的曲折輥法和壓力機床法。
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jcoe成型法是介于uo成型法和壓力機床法之間的辦法。在壓力的最末段是否有擴徑工序對鋼管功能有很大影響,有無該工序也是分類辦法之一。h-saw相當于螺旋焊管,將板卷狀的鋼板成型為螺旋狀,再焊接對接部位而成。除選用成型、定位焊接后再進行saw的傳統辦法外,為了取得高出產率和高質量的鋼管,也可選用定位焊接后在其他出產線進行saw的兩步螺旋焊法。
 
 
 
1.2 uo鋼管的制作辦法
 
uo鋼管的質料一般運用厚板,有時也運用剪切的熱軋帶卷。對鋼板進行焊縫坡口加工的辦法有:預彎邊(用c形壓力機將鋼板邊際曲折到接近制品曲率);u成型(用u形壓力機將鋼板壓成u形);o成型(用o形壓力機冷成形為o形)。加工后,選用gmaw(gas metal arc welding:熔化極氣體保護電弧焊)等辦法對焊縫進行定位焊接,從內外面選用saw焊接焊縫后,進行約1%的擴徑。在前進正圓度的一起,消除焊縫部位的殘余應力,這種辦法一般稱為uoe成型法。為了衡量鋼管的無缺程度,選用1%的塑性變形不呈現決裂作為衡量方針。
 
 
 
1.3 螺旋焊管的制作辦法
 
螺旋焊管軋機是由開卷機、成型機、內外面焊接機、超聲波探傷機及飛剪等設備構成。一般運用熱軋帶卷作為質料,也運用斯特克爾式軋機出產的熱軋鋼板。一般先焊內面,旋轉0.5或1.5轉后焊接外面,一般選用埋弧焊接法進行焊接。螺旋焊制管法是從連續成型到焊接,經飛剪,選用氣體切割法或等離子切割法剪切陳規則長度。然后,進行端面加工,無損探傷、二次加工及外觀尺寸檢查等工序。
 
2 功能要求
 
2.1 管線鋼管功能要求 
 
運用管道運送原油和天然氣,特別是在確保氣體管道安全性上,要求管線鋼管具有高技能特性。天然氣基本是用管道運送,長間隔運送能夠下降液化天然氣(lng)的運送本錢。當運送量為10bcm/a時,使lng本錢比較合理的運送間隔是3000km。當運送量為25bcm/a時,合理值為5000km。假如增加氣體運送量,管道運送就會增加本錢優勢。此外,假如選用高壓運送,例如將管道的進站壓力從本來的10mpa增加到14mpa,管道運送的運距可變長。用于這種管道的大口徑管線鋼管要求具有下述技能特性。
 
2.1.1 高內壓
 
為了增加氣體運送量,能夠在同一運送氣體壓力下擴展管道內徑,或在同一管道內徑下前進運送氣體壓力。為了操控管線建造本錢,多選用高壓運送氣體。陸上的管線一般運用10mpa。西氣東輸二線干線管道規劃壓力是12mpa,阿拉斯加管線項目規劃壓力是15mpa。由于海底管線鋼管在半途難以設置空氣緊縮站,所以用更高的壓力運送。陸上管線鋼管也方案前進運送壓力,但空氣緊縮機等周邊機器的維修、下降空氣緊縮機運轉能耗以及確保安全性也很重要。
 
假如用近似薄壁圓筒式表明鋼管的周向應力σ,那么σ=pid/2t(pi:內壓;d:直徑;t:壁厚),可見加大對總壁厚的應力,就會前進內壓。這樣就存在加大壁厚或前進強度兩種選擇,因而要求管線鋼管厚壁化和高強度化。在相同直徑下,前進強度能夠減少管壁厚度。不論是哪種條件,前進強度還可下降每單位長度的鋼管分量。即便分量下降率不大,一般也可下降鋼材本錢,進而下降鋼管的運輸本錢、敷設溝的發掘和圓周焊接本錢。
 
在這種狀況下,開發并應用了高強度管線鋼管。代表性的管線鋼管規范是2007年版的iso 3183,在本來x80級以下基礎上,補充了x90、x100、x120。
 
近幾年,x80級鋼管需求量急劇增加。在下降管道建造本錢的需求下,現場圓周焊接從手藝焊變為gmaw主動焊,前進了焊接效率,高強度鋼的焊接低溫裂紋也不再是難題。
 
跟著高強度趨勢的發展,呈現了最基本的強度測定問題。管線鋼管的等級規則,表明接受內壓性的參數為圓周屈從強度(c-ys),但測定鋼管的c-ys比較困難。正確的圓周強度的測定有脹大環實驗,但不適用大量的測定。作為小型實驗,一般將圓弧狀剪切的資料,制備成扁平全厚度試樣,進行強度測定。x65級以下扁平試樣的強度變化小,但對于x80級以上,資料的加工硬化變小,扁平試樣的鮑辛格效應明顯,存在用扁平試樣測定的ys比實際ys低的問題。
 
此外,x80級以上不運用扁平拉伸試樣,而多選用可加工的圓棒試樣,各規范都認可圓棒試樣。可是,圓棒試樣的值只表明壁厚方向的一部分,必須認識到與全壁厚的值有些不同(ts低)。曾經api規范中,對油井管、管線鋼管ys的界說是0.5%輕負載屈從強度。例如,x120是0.65%輕負載屈從強度;x100是0.60%輕負載屈從強度接近ys。在iso 3183中,x90等級以上運用位移0.2%的屈從強度。可是,加拿大規范csa中,x100的屈從強度為0.5%輕負載屈從強度,比位移0.2%的屈從強度值稍低。
 
2.1.2 高耐性
 
跟著極地的開發,要求更低的低溫耐性。加拿大北部敷設的管道耐性保證溫度一般為-5℃,但極地的陸上管道有的要求-60℃。并且,還要考慮當管道決裂后,氣體噴出時隔熱脹大導致溫度下降的狀況。
 
輸氣管道的低溫耐性,應該考慮裂紋發作及其擴展的高速延性開裂。從現場圓周焊接部位的焊接缺陷發作裂紋的可能性極高。因而,規則了焊縫部位的焊接金屬、焊接熱影響區(haz)的耐性。在iso 3183中要求x80級以上的焊縫部位的焊接金屬和haz到達40j以上的v型缺口沖擊值。近年dnv-os-f101規范要求45j以上。曾經很少用裂紋發作特性的開裂力學功能值ctod點評管線鋼管的焊縫耐性,但現在有增加的趨勢。
 
別的,內面焊接構成的粗晶粒haz,由于又進行外面焊接,兩相區飽嘗再加熱的irog-haz部位的耐性低,要前進該部位的耐性比較難。可是,uoe鋼管在塑性區域進行擴管,并且在該部分用ust探傷,不存在約1mm以上的裂紋。一般狀況下,對基于dnv-os-f101等規則的ctod≥0.15mm的開裂力學核算進行安全性點評時,常常是要求值遠大于需求值。因而,測驗選用淺缺口ctod實驗和sent實驗。此外,考慮到拘謹應力,以為選用等效ctod點評辦法也有用。
 
輸氣管道即便決裂,內壓也難以下降,所以假如一旦發作裂紋,不穩定性擴展。使該裂紋止裂的必要條件是裂紋傳達面首先成為延性損壞主體,裂紋擴展速度漸漸降下來,且比減壓速度慢。因而,dwtt的耐性斷面率要求在85%以上。一般多用巴特爾二維曲線法核算所需夏比沖擊值。能夠說,dwtt的傳達能或預裂dwtt能比夏比沖擊值更合適,高強度鋼管很難預測夏比沖擊值。近年來,也測驗用ctoa來點評。可是,有時高強度管線鋼管很難使鋼管自行停止裂紋擴展,這種狀況下以必定間隔選用裂紋阻止器。
 
2.1.3 高變形性
 
管道必須耐相當于最小屈從強度(smys)的72%、80%等的規劃內壓。因而,本來只考慮彈性變形來規則圓周強度。可是,在管線規劃時應考慮到海底管線的s-lay(海底管道s型敷設法)時發作的鋼管曲折,地震導致的地層變化和不連續凍土地帶的季節性地層變化,以及管道發作的塑性變形等。這些特性對鋼管縱向強度特性的影響比圓周強度大。鋼管本體因曲折和緊縮發作壓曲的變形值大。
 
曲折變形時緊縮側發作的壓曲首先是受鋼管直徑/壁厚比的影響很大,假如d/t小,壓曲變形極限(緊縮變形極限)就大。在同一個d/ t時,下降屈從比(y/t),增加加工硬化系數(n值)和均勻伸長率(uel),能前進緊縮變形極限。拉伸應變極限和鋼管力學功能的聯系不太明確,但鋼管縱向的ys比圓周焊接金屬的ys低。為了到達這一目的,有時設定縱向ys(l-ys)規范下限值比圓周c-ys規范下限值低。變形功能與低溫耐性成為高強度管的研究課題。
 
管線鋼管在外面施以防腐涂層,特別是近年來常用的環氧樹脂涂料(fbe)。鋼管冷成形產生應變時效,應力-應變曲線發作變化,強度上升。有的狀況要求,涂層前后的強度特性滿意要求值,且不產生屈從延伸。有報導稱,如發作屈從延伸,內壓下降時緊縮變形極限變小。
 
2.1.4 高壓潰性
 
深海敷設管道,鋼管有可能被水壓壓潰。假如水深超越2000m,壓潰壓力成為第一規劃要素。不進行高壓操作(沒有內壓)時不產生壓潰(安全率1.41),即要求管線鋼管具有高壓潰性。由于曲折應力下降壓潰值,所以,規劃時也要留意曲折應力對其的影響。壓潰值在很大程度上受d/t的影響,所以為避免鋼管壓潰,運用d/t小的鋼管。低d/t,即鋼管徑(d)變小,運送量下降;若鋼管壁厚(t)變大,運用厚壁鋼管。因而,深海項目要求超厚壁鋼管。
 
近年來,在黑海(最深處2150m)、地中海(最深處2160m)建造了水深2000m以上的深海管線,并方案建造穿過深海的第4條地中海管線(最深處2800m)。
 
2.1.5 耐酸性
 
原油和天然氣中常含有硫化氫(h2s)。假如鋼裸露在濕潤硫化氫環境(酸性環境)中,大量的氫侵入到鋼中,會引起各種形狀的氫脆化。管線鋼管代表性的損害形狀是氫致裂紋(hic),日本開發了將鋼材浸漬在h2s氣飽和的人工海水(ph=5)中的辦法,稱為bp實驗。后來這種hic實驗已作為nace規范tm0284(1984年擬定)。可是,在該溶液中,cu增加入鋼中易構成硫化物,雖按捺了氫侵入,但存在不能正確點評裂紋敏感性的問題。
 
這以后,將油井管硫化物應力腐蝕實驗點評運用的ph值低的h2s飽和溶液0.5%ch3cooh+5%nacl(一般nace溶液,初期ph值2.7,實驗結束時上升到4.0 )用于hic實驗。現在將后者稱為a溶液,前者稱為b溶液,記載于tm0284修訂版中。近年來,大部分要求用a溶液進行hic實驗,要求clr(裂紋長度率)≤0.15%。
 
酸性環境是腐蝕環境,所以一般運用耐酸管線鋼的管道。當運用按捺劑時,能夠應對最高腐蝕速度0.1-0.5mm/a的狀況。因而,選用比按規劃壓力核算的壁厚還要厚的鋼管。即便運送含h2s的氣體,假如是脫水后也不會腐蝕,不引起氫侵入。如僅僅為了應對脫水設備呈現故障的狀況,能夠不考慮腐蝕量而選用高強度鋼管。在這種條件下,也可運用具有耐酸性的x80級鋼管。
 
2.1.6 高耐腐蝕性
 
當含水量高,二氧化碳分壓高,按捺腐蝕作用的油分少時,依據環境選用13cr、雙相不銹鋼、鎳基合金等耐蝕性資料。由于鎳基合金價格昂貴,所以僅鋼管內面運用耐蝕合金層,耐壓資料的表面大部分運用低合金鋼管的復合鋼管。廣泛運用壓力機床法成形軋制包覆,焊接管縫后熱處理的鋼管和將耐蝕內管機械刺進外管的鋼管。目前也有利用uoe工藝開發出高鎳合金復合鋼管的報導。別的,還開發了13cr的uoe鋼管。
 
2.1.7 現場焊接的ut化
 
大口徑管線鋼管的現場圓周焊接后的無損檢測運用主動ust。為了安裝機器的導向裝置,要求在工廠切削內外面管端部管縫焊道的狀況增加,需求完成切削主動化和高效化。
 
2.2 土木建筑用鋼管功能要求
 
日本國內螺旋焊管首要用于土木建筑、自來水管道等范疇。特別是鋼管樁、鋼管板樁用占很大一部分。作為制品,大多要求有助于前進制品附加值的附屬品加工和涂層。通過將抗拉強度優勝的鋼管與緊縮強度杰出的混凝土結合,前進結構件的力學功能。為前進鋼管和混凝土的結合力,要求選用網紋熱軋帶卷的螺旋焊管。涂層要求選用避免腐蝕的聚乙烯、聚氨酯涂層。
 
3 上游工序的技能前進
 
3.1 煉鋼技能的前進
 
為了完成管線鋼管的高耐性、耐酸功能,要求高純度和高潔凈度的鋼液。為了按捺發作hic,應按捺mns的生成,然后選用真空脫氣法、噴粉出產低硫鋼技能。20世紀80年代中期,各鋼鐵公司確立了操控硫含量10ppm以下的技能,并確立了將mns改質為cas的ca增加技能。
 
下降連鑄板坯的中心偏析對按捺hic非常重要,研究表明,能夠選用縮短輥距離、板坯凝固末端輕壓下等技能下降中心偏析。連鑄機的筆直段對夾雜物上浮影響很大。
 
 
3.2 厚板制作技能的前進
 
3.2.1 tmcp
 
tmcp技能是與高檔管線鋼管制作同步發展起來的一項技能。操控軋制后的加快冷卻從20世紀80年代開端工業化,從x60到x65、x70級管線鋼的高強度過程中,耐酸鋼材和管線鋼的加快冷卻利用率明顯前進。這以后,引進了旨在進一步快速冷卻和均勻冷卻的第二代加快冷卻設備,例如,super-olac(1998年,福山廠)和clc-μ(2006年,君津廠)等。操控冷卻的方針是出產原料均勻的厚鋼板,也有在加快冷卻后面設置感應加熱裝置的在線熱處理設備(hop),用于進行快速加熱,是tmcp條件多樣化的應用實例。
 
3. 高強度管線鋼管熱軋鋼板制作技能的前進
 
螺旋焊管的管線鋼管口徑大,所以大多是厚壁鋼管,高強度化的優點不易顯現。近年來,為了出產20mm超厚熱軋帶卷,有增強卷取機才能、強化水冷設備的軋機。可是,與厚板軋制相比,熱軋工序的低溫操控軋制約束較多。例如,因軋制速度快前進冷卻才能困難,并且,冷卻到低溫又不易卷取。
 
此外,還開發了在0.04%c鋼中增加0.08%-0.11%nb的htp(high temperature processing)鋼,已批量出產。跟著nb增加量的增加,cvn能量下降,強度上升,但在約0.1%到達飽和。因而,推測0.1%nb是界限。
 
3.2.2 安排操控
 
用加快冷卻出產的x60、x65級管線鋼的主體安排是由奧氏體相變的鐵素體組成。可是,低碳鋼中第二相的比率低,所以鐵素體主體安排無法高強度化。因而,x80級以上管線鋼應適用于貝氏體系安排。從焊接性的觀念,用含c量 0.03%-0.08%的鋼液制作高強度管線鋼管,并運用低碳貝氏體鋼。這些鋼的50%相變溫度和抗拉強度的半定量聯系。例如,x120級管線鋼管是用約在400℃發作相變的含c量0.04%的下貝氏體鋼或在約500℃發作相變的含c量 0.06%的上貝氏體鋼取得強度。x100級是在550-600℃發作相變的含c量 0.06%上貝氏體+粒狀貝氏體鋼取得強度。x80級是600-650℃發作相變的粒狀貝氏體鋼取得強度。
 
適用x120級管線鋼管的下貝氏體鋼中碳對強度的影響大,板坯加熱時引起反常相變,有時變成粗奧氏體晶粒。低碳貝氏體安排易到達高強度,一般測定的夏比低溫耐性杰出,但存在dwtt功能有時低,加工硬化小等缺陷。為了彌補這些不足,也有在貝氏體主體安排引進ma組元(馬氏體-奧氏體)和多邊形鐵素體的狀況。此外,細化扁平奧氏體晶粒厚度也能夠改善低溫耐性。
 
跟著ma比例前進,鋼板y/t(屈從強度/抗拉強度)下降。淬透性高的低碳鋼,在加快冷卻狀況生成少數的ma。運用hop,如相變途中再加熱,碳向未相變的奧氏體相分散,ma比例前進。當然,如用uoe工藝將鋼板成形,由于冷加工強度發作變化,所以鋼板y/t低,鋼管y/t不必定也低。c方向是首要變形方向。依據鋼的不同,各變化起伏也不同。跟著鐵素體比例的增加,dwtt耐性斷面率前進。用加快冷卻將鋼板冷卻到低溫區域時,鐵素體比率的變化對抗拉強度的影響不大。這是由于假如前進鐵素體比例,碳向周圍的奧氏體相濃縮,成為高強度的低溫相變安排。
 
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