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1、管线管和上升管用X90-X100高强度无缝钢管的开发廖建国1前言近年来随着深海油田开发的不断推进，高强度厚壁无缝管线管的订货量不断增加。在深 海油田和气田开采过程中，必须使用管线管和上升管将原油和气体从海底油井口或气井口输 送到海上平台。由于原油或气体是以高压方式从管线管和上升管流过，因此进一步提高管线 管和上升管的强度是解决其在深海应用、降低敷设成本和提高生产效率的有效方法之一。在以往的无缝管线管标准中，如API5L(美国石油协会标准)制定的无缝管线管的最高强 度为X80(屈服强度下限为555MPa)，几乎没有强度更高的无缝管线管的应用实例。一般说 来，随着强度的提高，会担心母材及圆周焊接部
2、的韧性会下降。因此，为使母材同时达到高 强度、高韧性和具有良好的圆周焊接性，必须开发新的钢管材质。另外，顶张力立管(TTR) 起着将井口和海上平台直接连接起来，保护生产流体流通管子的作用，因此要求其必须具有 抵御海浪和海潮冲击的抗疲劳特性。本文就以往没有的X90和X100级强度、可焊接无缝钢管开发时的材料设计、试制管 材的性能评价及钢管母材与圆周焊接部疲劳试验和工程临界评估(ECA)方法及其可靠性评 价结果进行归纳。2材料开发作为以往高强度管材的X70级无缝管线管是碳含量在O.lmass%(以下用表示)的碳 钢，它含1%-1.75%Mn,并含有少量的Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素，其碳当量如
3、果用Ceq 式表示，在0.42以下，如果用Pcm式表示，在0.23以下，且添加了微合金(Ti、Nb、V)。 其制造方法是在制管后进行淬火回火(QT)处理。但是，在这种成分范围内要确保钢管母材强 度和韧性超过X90是很困难的。因此，为调查钢成分对强度和韧性的影响，通过实验室试 验，试制了各种钢(其合金组成变化在以下范围内，0.04%-0.07%C, 1.4%-2.9%Mn, 0-0.7%、 Cu，0-0.9%Ni，0-0.7%Cr, 0-0.8%Mo)，采用新日铁住金公司管线管生产方法之一的在线淬 火回火方法对热轧厚板(20mm厚)进行制管试验，对碳当量和添加微合金之一 V后的强度 与韧性进行了
4、比较。图1表示屈服强度和Pcm的关系。随着碳当量的增加，以及/或添加V 后,即使Pcm 低,也能确保强度超过X90。在没有添加V的情况下，提高Pcm有可能获得目标的强度。 另一方面，如图2所示，作为低温韧性指标之一的夏比冲击(CVN)韧脆转变温度，在提高 Pcm之后会呈低温化。另外，在合金元素中，即使增加Mn和Mo,也有助于韧脆转变温 度的低温化。可以认为这是因为与其他元素相比，Mn和Mo能使淬火时的相变点降低， 有效地使组织变得均质细化。结果，将Pcm控制在0.25以下的范围内，可以同时获得目 标要求的高强度和高韧性。另外，即使Pcm相同，但由于实现了低C-高Mn的平衡，因 此能够抑制焊接热
5、影响区(HAZ)的过度硬化(图3)。另外，通过锥型最高硬度试验(IIS Z3115) 和热循环再现试验，也确认了 HAZ韧性得到了改善(图4)。3实际制作的钢管的性能如前所述，按照合金设计，在和歌山制铁所中口径无缝钢管车间对表1所示化学成分的 钢进行了管材试制。大多采用高效的在线淬火回火技术进行热处理，一部分在制管后经自然 冷却后进行再加热淬火回火处理。采用透射式电子显微镜(TEM)对淬火后的壁厚中间部进行 观察的结果示于图5中。其主要组织为均质贝氏体组织。在调整回火条件后，分别划分了 X90和X100的不同强度等级，并对其性能进行了评价。钢管母材的机械性能示于表2。 各钢种都具有良好的低温韧
6、性。对一部分钢管进行了圆周焊接试验。对X90进行了模拟上升管用的焊接条件试验，详 细试验结果将在后面章节介绍。对X100在模拟管线管用的典型条件下(U型坡口、无预热、 气体保护金属电弧焊(GMAW)、焊接线能量0.5-0.9kJ/mm)进行了试验。X100的圆周焊接部的CVN试验数据和裂纹尖端张开位移(CTOD)试验数据示于图6 和表3。这些试验是先从壁厚中心部的 L方向到焊接部进行取样，然后对缺口位置的焊接金属 （WM）、熔合线（FL）、FL+（l-5）mm及可视焊接热影响区（V.HAZ进行了不同的试验。结果表 明，即使在-30C条件下，也能确保CVN吸收能量在100J以上，且0C时的CTO
7、D值超 过0.3mm,其性能比挪威船级社协会标准DNV-OS-F101的555级（相当于API-X80QO） 的下限值更高，表明其作为管线管的圆周焊接部的韧性好。4X90钢管用作TTR时圆周焊接部性能及断裂安全性的评价4.1TTR的圆周焊接方法用于本试验的钢管是和歌山制铁所生产的X90级管线管。钢管的外径和壁厚分别为 323.9mm 和 20.0mm。圆周焊接施工是在RTI能源系统公司进行的。为模拟TTR的实际生产状况，因此焊接 条件、焊接装置及其相关设备都使用在RTI公司生产上升管时的焊接条件和焊接设备。本 试验的圆周焊接接头是采用制作上升管时的主要工艺一一埋弧焊（SAW）而制作的，对钢管端
8、 部进行了坡口加工，钢管与钢管之间采用对接多层焊接法进行焊接。SAW接头的详细圆周焊接方法示于表4。第一层焊接和第二层焊接使用气体保护钨极 电弧焊（GTAW焊接法，其余层采用SAW焊接法。可用于SAW的焊接金属丝和焊剂由美 国市场米购。所有焊接道次都是采用从钢管外面对钢管进行旋转向下（1G）焊接。4.2X90采用埋弧焊后圆周焊接部的评价结果为评价圆周焊接部的特性，对整个焊接金属部进行了拉伸试验、维氏硬度试验、CVN试 验和CTOD试验。另外，在实际制作上升管时考虑到疲劳特性，清除了焊接部内外面的加 强焊缝，因此在本次评价中也同样对焊接部内外面的加强焊缝进行了清除，并进行了上述的 各种试验。整个
9、焊接金属部的拉伸试样是由壁厚中间部取出直径6.4mmm的圆棒作为试样。此时 的标距为25.4mm。试验结果示于表5。焊接金属的YS（0.2%屈服强度）和TS（抗拉强度）分 别为645MPa和786MPa,YS满足了 API5L中的X90的下限屈服强度625MPa的要求。圆周焊接横向维氏硬度分布示于图7。由图可以看出，焊接金属及HAZ中的最高硬度 都在焊接接头表层1mmm处，分别为311HVlokgf和287HVlokgf。如前所述，由于低C- 高Mn含量的平衡，因此在HAZ中看不到明显的硬化。CVN试验结果和CTOD试验结果分别示于表6和表7。这些试验是从圆周焊接横向 取样后，对缺口位置的焊接
10、金属和HAZ（FL、FL+2mm，FL+5mm）进行了不同的试验。CVN 试验和CTOD试验时的试验温度-分别为20C和0C。结果，在CVN试验时无论在坡口 的哪个位置中吸收能的最小值都在100以上，HAZ的CTOD值的最小值在FL坡口的 0.248mm处。本CTOD最小值可以用于后叙的ECA（工程临界评估）。4.3X90钢管及焊接接头的疲劳特性作为包括TTR在内的上升管用钢管必须具有抵御海浪和海潮冲击的抗疲劳特性。一般 说来，TTR用钢管的应力比在0.5-0.7范围内，必须确认在该应力比条件下的各种疲劳特 性。将X90钢管母材的应力比-R的变化范围设置在1-0.7,进行高循环疲劳试验。图8表
11、 示X90钢管母材在应力比R为0.05时的应力范围（最大应力-最小应力）和疲劳寿命的关 系。此时使用的试样是直径8.0mm的平滑试样。在应力比R为0.05时，疲劳极限为 650MPa，此时的应力振幅O。为325MPa，平均应力O。为359MPa。同样，对各种应力 比时的疲劳极限进行了测定，疲劳极限时的应力振幅O a与此时的平均应力O。的关系示于 图9。图中还列出了各种有关平均应力对疲劳寿命影响的模型。X90钢管母材在各种应力 比条件下的疲劳极限等于或高于被认为是最严格的疲劳极限线图的Gerber线图，因此可以 说它具有良好的疲劳特性。图10表示在应力比R为0.7时X90焊接接头及钢管母材的最大
12、应力和疲劳寿命的 关系。由图可知，在此条件下X90焊接接头的疲劳极限与钢管母材的相同。因此，可以说 本焊接接头具有与母材相同的良好疲劳特性。图11表示在大气中和5C电防蚀（CP）下的人工海水中X90焊接接头的疲劳裂纹扩展 试验结果。在此次试验中，人工海水溶液是按照ASTM D1141制作的。无论在何种环境下， 试样都是使用紧凑拉伸（CT）试样，初期裂纹假设为发生在HAZ（FL）,在应力比为0.7条件 下进行试验。由图可知，在大气中和电防蚀下的人工海水中的疲劳裂纹扩展速度（da/dN）分 别比BS7910提出的大气中和人工海水中的设计线图 +2SD（标准偏差）更慢。这表明 X90HAZ具有良好的
13、抗疲劳裂纹扩展特性。另一方面，对X90钢管母材也进行了与HAZ 相同的试验，由此确认了其裂纹扩展速度比BS7910的设计线图更慢，具有良好的抗疲劳裂 纹扩展特性。本文根据在图11中获得的在大气中的疲劳裂纹扩展数据，计算了帕里斯法则 的指数和常数，用于后叙的ECA。4.4X90焊接接头的ECA（工程临界评估）所谓“ECA”是指对存在已知缺陷的金属构造物（尤其是焊接构造物）的健全性进行评价 的方法。ECA是在已知初期缺陷尺寸、材料特性和载荷条件下，使用FAD法（实效评定图 法），对静态载荷下或动态载荷下的焊接构造物的破坏安全性进行评价。本ECA就是要根 据前述的圆周焊接部特性对作为上升管用的X90
14、焊接接头是否具有耐用特性进行评价。本ECA使用TWI公司开发的通用软件Crackwise4。评价对象为HAZ（FL）,将前述 的圆周焊接部评价得到的结果定义为材料特性。对钢管内表面裂纹和内表面全周存在裂纹时 的初期裂纹的形状进行了定义，如图12所示。在有内表面裂纹的情况下，对各种纵横比 2c/a（c:裂纹长度，a:裂纹高度）的裂纹进行了假设，并对内表面全周存在裂纹时和静态或动态 载荷下允许的缺陷尺寸进行了评价。静态或动态载荷下的评价分别是在考虑到上升管敷设和 操作时的载荷应力进行评价。图13表示静态载荷条件下允许的缺陷尺寸。如果初期缺陷比图中表示的允许缺陷尺寸 小，就意味着上升管的焊接接头没有
15、断裂。这一结果表明，即使在假设初期裂纹的高度为 6mm的情况下，X90焊接接头在敷设时也没有发生断裂，它与裂纹长度无关。在这里，高 度为6mm的初期缺陷，换言之，就意味着缺陷的深度已达到壁厚的30%，这种缺陷是通 过焊接部超声波检查就可以完全检测出的尺寸。在动态载荷条件下，考虑到上述的HAZ的裂纹扩展试验结果，对各种初期缺陷尺寸中 的X90焊接接头到达断裂时的寿命进行了评价。图14表示在动态载荷条件下允许的缺陷 尺寸和焊接接头寿命的关系。由图可知，随着初期裂纹纵横比的增大（裂纹的长度随着裂纹 深度的加大而加大），焊接接头到达断裂时的寿命会缩短。即使在要求最严格的钢管圆周存 在缺陷的情况下，如果
16、初期裂纹的高度在2mm以下，操作时也没有出现断裂。换言之， 高度为2mmm的初期缺陷就意味着缺陷的深度达到壁厚的10%，这种缺陷也是通过焊接 部超声波检查就可以完全检测出的尺寸。根据上述ECA评价，可以说明X90焊接接头在上升管敷设时和操作时设定的载荷条 件下具有良好的耐用性能。5结语新日铁住金开发了高强度（X90-X100）、可焊接的无缝管线管。由于该管线管通过合金设 计既确保了母材强度，又确保了韧性，同时通过降低碳含量改善了焊接部韧性，因此满足了 包括圆周焊接性在内的性能要求。在本次开发试制数据的基础上，推进了 API标准化的制 定，从2010年开始就作为X90Q、X100Q正式收入API标准中。另外，作为上升管用的 母材及焊接部的疲劳特性，以及采用ECA评价的结果也表明该管线管的性能良好，满足用 户的要求。CSiMut：rMo其他K-rm.QI-h nr.II祁2.1（*3
