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详解大口径螺旋钢管的性能要求及技术

时间:2019-01-16 作者:沧州德源钢管
目前,uo轧机几乎占领了日本的国内市场,为了更好地满意海外用户的需求,日本前进了炼钢、连铸、厚板出产、钢管制作悉数工序的制作技能,开发出新产品,并前进了出产高功能管
      目前,uo轧机几乎占领了日本的国内市场,为了更好地满意海外用户的需求,日本前进了炼钢、连铸、厚板出产、钢管制作悉数工序的制作技能,开发出新产品,并前进了出产高功能管线钢管上游工序的制作技能。一起,上游工序也大规模地引进了新的制作设备。本文介绍大口径钢管制作办法、钢管功能要求和上游工序的技能前进。
 
1 钢管制作办法概要
 
1.1 大口径焊接钢管的制作办法
 
大口径螺旋钢管是由厚板、热轧板通过成形、焊接而成。制作办法首先按焊接法分类,将选用高效率和可靠性高的埋弧焊(submerged arc welding)钢管称为saw钢管。本文评论的大口径钢管首要以这种saw钢管为方针。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钢管有合适大批量出产的uo成型法、合适品种多量少的曲折辊法和压力机床法。
jcoe成型法是介于uo成型法和压力机床法之间的办法。在压力的最末段是否有扩径工序对钢管功能有很大影响,有无该工序也是分类办法之一。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。除选用成型、定位焊接后再进行saw的传统办法外,为了取得高出产率和高质量的钢管,也可选用定位焊接后在其他出产线进行saw的两步螺旋焊法。
 
 
 
1.2 uo钢管的制作办法
 
uo钢管的质料一般运用厚板,有时也运用剪切的热轧带卷。对钢板进行焊缝坡口加工的办法有:预弯边(用c形压力机将钢板边际曲折到接近制品曲率);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,选用gmaw(gas metal arc welding:熔化极气体保护电弧焊)等办法对焊缝进行定位焊接,从内外面选用saw焊接焊缝后,进行约1%的扩径。在前进正圆度的一起,消除焊缝部位的残余应力,这种办法一般称为uoe成型法。为了衡量钢管的无缺程度,选用1%的塑性变形不呈现决裂作为衡量方针。
 
 
 
1.3 螺旋焊管的制作办法
 
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。一般运用热轧带卷作为质料,也运用斯特克尔式轧机出产的热轧钢板。一般先焊内面,旋转0.5或1.5转后焊接外面,一般选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,选用气体切割法或等离子切割法剪切陈规则长度。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 功能要求
 
2.1 管线钢管功能要求 
 
运用管道运送原油和天然气,特别是在确保气体管道安全性上,要求管线钢管具有高技能特性。天然气基本是用管道运送,长间隔运送能够下降液化天然气(lng)的运送本钱。当运送量为10bcm/a时,使lng本钱比较合理的运送间隔是3000km。当运送量为25bcm/a时,合理值为5000km。假如增加气体运送量,管道运送就会增加本钱优势。此外,假如选用高压运送,例如将管道的进站压力从本来的10mpa增加到14mpa,管道运送的运距可变长。用于这种管道的大口径管线钢管要求具有下述技能特性。
 
2.1.1 高内压
 
为了增加气体运送量,能够在同一运送气体压力下扩展管道内径,或在同一管道内径下前进运送气体压力。为了操控管线建造本钱,多选用高压运送气体。陆上的管线一般运用10mpa。西气东输二线干线管道规划压力是12mpa,阿拉斯加管线项目规划压力是15mpa。由于海底管线钢管在半途难以设置空气紧缩站,所以用更高的压力运送。陆上管线钢管也方案前进运送压力,但空气紧缩机等周边机器的维修、下降空气紧缩机运转能耗以及确保安全性也很重要。
 
假如用近似薄壁圆筒式表明钢管的周向应力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,就会前进内压。这样就存在加大壁厚或前进强度两种选择,因而要求管线钢管厚壁化和高强度化。在相同直径下,前进强度能够减少管壁厚度。不论是哪种条件,前进强度还可下降每单位长度的钢管分量。即便分量下降率不大,一般也可下降钢材本钱,进而下降钢管的运输本钱、敷设沟的发掘和圆周焊接本钱。
 
在这种状况下,开发并应用了高强度管线钢管。代表性的管线钢管规范是2007年版的iso 3183,在本来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。在下降管道建造本钱的需求下,现场圆周焊接从手艺焊变为gmaw主动焊,前进了焊接效率,高强度钢的焊接低温裂纹也不再是难题。
 
跟着高强度趋势的发展,呈现了最基本的强度测定问题。管线钢管的等级规则,表明接受内压性的参数为圆周屈从强度(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胀大环实验,但不适用大量的测定。作为小型实验,一般将圆弧状剪切的资料,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,资料的加工硬化变小,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级以上不运用扁平拉伸试样,而多选用可加工的圆棒试样,各规范都认可圆棒试样。可是,圆棒试样的值只表明壁厚方向的一部分,必须认识到与全壁厚的值有些不同(ts低)。曾经api规范中,对油井管、管线钢管ys的界说是0.5%轻负载屈从强度。例如,x120是0.65%轻负载屈从强度;x100是0.60%轻负载屈从强度接近ys。在iso 3183中,x90等级以上运用位移0.2%的屈从强度。可是,加拿大规范csa中,x100的屈从强度为0.5%轻负载屈从强度,比位移0.2%的屈从强度值稍低。
 
2.1.2 高耐性
 
跟着极地的开发,要求更低的低温耐性。加拿大北部敷设的管道耐性保证温度一般为-5℃,但极地的陆上管道有的要求-60℃。并且,还要考虑当管道决裂后,气体喷出时隔热胀大导致温度下降的状况。
 
输气管道的低温耐性,应该考虑裂纹发作及其扩展的高速延性开裂。从现场圆周焊接部位的焊接缺陷发作裂纹的可能性极高。因而,规则了焊缝部位的焊接金属、焊接热影响区(haz)的耐性。在iso 3183中要求x80级以上的焊缝部位的焊接金属和haz到达40j以上的v型缺口冲击值。近年dnv-os-f101规范要求45j以上。曾经很少用裂纹发作特性的开裂力学功能值ctod点评管线钢管的焊缝耐性,但现在有增加的趋势。
 
别的,内面焊接构成的粗晶粒haz,由于又进行外面焊接,两相区饱尝再加热的irog-haz部位的耐性低,要前进该部位的耐性比较难。可是,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。一般状况下,对基于dnv-os-f101等规则的ctod≥0.15mm的开裂力学核算进行安全性点评时,常常是要求值远大于需求值。因而,测验选用浅缺口ctod实验和sent实验。此外,考虑到拘谨应力,以为选用等效ctod点评办法也有用。
 
输气管道即便决裂,内压也难以下降,所以假如一旦发作裂纹,不稳定性扩展。使该裂纹止裂的必要条件是裂纹传达面首先成为延性损坏主体,裂纹扩展速度渐渐降下来,且比减压速度慢。因而,dwtt的耐性断面率要求在85%以上。一般多用巴特尔二维曲线法核算所需夏比冲击值。能够说,dwtt的传达能或预裂dwtt能比夏比冲击值更合适,高强度钢管很难预测夏比冲击值。近年来,也测验用ctoa来点评。可是,有时高强度管线钢管很难使钢管自行停止裂纹扩展,这种状况下以必定间隔选用裂纹阻止器。
 
2.1.3 高变形性
 
管道必须耐相当于最小屈从强度(smys)的72%、80%等的规划内压。因而,本来只考虑弹性变形来规则圆周强度。可是,在管线规划时应考虑到海底管线的s-lay(海底管道s型敷设法)时发作的钢管曲折,地震导致的地层变化和不连续冻土地带的季节性地层变化,以及管道发作的塑性变形等。这些特性对钢管纵向强度特性的影响比圆周强度大。钢管本体因曲折和紧缩发作压曲的变形值大。
 
曲折变形时紧缩侧发作的压曲首先是受钢管直径/壁厚比的影响很大,假如d/t小,压曲变形极限(紧缩变形极限)就大。在同一个d/ t时,下降屈从比(y/t),增加加工硬化系数(n值)和均匀伸长率(uel),能前进紧缩变形极限。拉伸应变极限和钢管力学功能的联系不太明确,但钢管纵向的ys比圆周焊接金属的ys低。为了到达这一目的,有时设定纵向ys(l-ys)规范下限值比圆周c-ys规范下限值低。变形功能与低温耐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-应变曲线发作变化,强度上升。有的状况要求,涂层前后的强度特性满意要求值,且不产生屈从延伸。有报导称,如发作屈从延伸,内压下降时紧缩变形极限变小。
 
2.1.4 高压溃性
 
深海敷设管道,钢管有可能被水压压溃。假如水深超越2000m,压溃压力成为第一规划要素。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。由于曲折应力下降压溃值,所以,规划时也要留意曲折应力对其的影响。压溃值在很大程度上受d/t的影响,所以为避免钢管压溃,运用d/t小的钢管。低d/t,即钢管径(d)变小,运送量下降;若钢管壁厚(t)变大,运用厚壁钢管。因而,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)建造了水深2000m以上的深海管线,并方案建造穿过深海的第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)。假如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,会引起各种形状的氢脆化。管线钢管代表性的损害形状是氢致裂纹(hic),日本开发了将钢材浸渍在h2s气饱和的人工海水(ph=5)中的办法,称为bp实验。后来这种hic实验已作为nace规范tm0284(1984年拟定)。可是,在该溶液中,cu增加入钢中易构成硫化物,虽按捺了氢侵入,但存在不能正确点评裂纹敏感性的问题。
 
这以后,将油井管硫化物应力腐蚀实验点评运用的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,实验结束时上升到4.0 )用于hic实验。现在将后者称为a溶液,前者称为b溶液,记载于tm0284修订版中。近年来,大部分要求用a溶液进行hic实验,要求clr(裂纹长度率)≤0.15%。
 
酸性环境是腐蚀环境,所以一般运用耐酸管线钢的管道。当运用按捺剂时,能够应对最高腐蚀速度0.1-0.5mm/a的状况。因而,选用比按规划压力核算的壁厚还要厚的钢管。即便运送含h2s的气体,假如是脱水后也不会腐蚀,不引起氢侵入。如仅仅为了应对脱水设备呈现故障的状况,能够不考虑腐蚀量而选用高强度钢管。在这种条件下,也可运用具有耐酸性的x80级钢管。
 
2.1.6 高耐腐蚀性
 
当含水量高,二氧化碳分压高,按捺腐蚀作用的油分少时,依据环境选用13cr、双相不锈钢、镍基合金等耐蚀性资料。由于镍基合金价格昂贵,所以仅钢管内面运用耐蚀合金层,耐压资料的表面大部分运用低合金钢管的复合钢管。广泛运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刺进外管的钢管。目前也有利用uoe工艺开发出高镍合金复合钢管的报导。别的,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运用主动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状况增加,需求完成切削主动化和高效化。
 
2.2 土木建筑用钢管功能要求
 
日本国内螺旋焊管首要用于土木建筑、自来水管道等范畴。特别是钢管桩、钢管板桩用占很大一部分。作为制品,大多要求有助于前进制品附加值的附属品加工和涂层。通过将抗拉强度优胜的钢管与紧缩强度杰出的混凝土结合,前进结构件的力学功能。为前进钢管和混凝土的结合力,要求选用网纹热轧带卷的螺旋焊管。涂层要求选用避免腐蚀的聚乙烯、聚氨酯涂层。
 
3 上游工序的技能前进
 
3.1 炼钢技能的前进
 
为了完成管线钢管的高耐性、耐酸功能,要求高纯度和高洁净度的钢液。为了按捺发作hic,应按捺mns的生成,然后选用真空脱气法、喷粉出产低硫钢技能。20世纪80年代中期,各钢铁公司确立了操控硫含量10ppm以下的技能,并确立了将mns改质为cas的ca增加技能。
 
下降连铸板坯的中心偏析对按捺hic非常重要,研究表明,能够选用缩短辊距离、板坯凝固末端轻压下等技能下降中心偏析。连铸机的笔直段对夹杂物上浮影响很大。
 
 
3.2 厚板制作技能的前进
 
3.2.1 tmcp
 
tmcp技能是与高档管线钢管制作同步发展起来的一项技能。操控轧制后的加快冷却从20世纪80年代开端工业化,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快冷却利用率明显前进。这以后,引进了旨在进一步快速冷却和均匀冷却的第二代加快冷却设备,例如,super-olac(1998年,福山厂)和clc-μ(2006年,君津厂)等。操控冷却的方针是出产原料均匀的厚钢板,也有在加快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. 高强度管线钢管热轧钢板制作技能的前进
 
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,为了出产20mm超厚热轧带卷,有增强卷取机才能、强化水冷设备的轧机。可是,与厚板轧制相比,热轧工序的低温操控轧制约束较多。例如,因轧制速度快前进冷却才能困难,并且,冷却到低温又不易卷取。
 
此外,还开发了在0.04%c钢中增加0.08%-0.11%nb的htp(high temperature processing)钢,已批量出产。跟着nb增加量的增加,cvn能量下降,强度上升,但在约0.1%到达饱和。因而,推测0.1%nb是界限。
 
3.2.2 安排操控
 
用加快冷却出产的x60、x65级管线钢的主体安排是由奥氏体相变的铁素体组成。可是,低碳钢中第二相的比率低,所以铁素体主体安排无法高强度化。因而,x80级以上管线钢应适用于贝氏体系安排。从焊接性的观念,用含c量 0.03%-0.08%的钢液制作高强度管线钢管,并运用低碳贝氏体钢。这些钢的50%相变温度和抗拉强度的半定量联系。例如,x120级管线钢管是用约在400℃发作相变的含c量0.04%的下贝氏体钢或在约500℃发作相变的含c量 0.06%的上贝氏体钢取得强度。x100级是在550-600℃发作相变的含c量 0.06%上贝氏体+粒状贝氏体钢取得强度。x80级是600-650℃发作相变的粒状贝氏体钢取得强度。
 
适用x120级管线钢管的下贝氏体钢中碳对强度的影响大,板坯加热时引起反常相变,有时变成粗奥氏体晶粒。低碳贝氏体安排易到达高强度,一般测定的夏比低温耐性杰出,但存在dwtt功能有时低,加工硬化小等缺陷。为了弥补这些不足,也有在贝氏体主体安排引进ma组元(马氏体-奥氏体)和多边形铁素体的状况。此外,细化扁平奥氏体晶粒厚度也能够改善低温耐性。
 
跟着ma比例前进,钢板y/t(屈从强度/抗拉强度)下降。淬透性高的低碳钢,在加快冷却状况生成少数的ma。运用hop,如相变途中再加热,碳向未相变的奥氏体相分散,ma比例前进。当然,如用uoe工艺将钢板成形,由于冷加工强度发作变化,所以钢板y/t低,钢管y/t不必定也低。c方向是首要变形方向。依据钢的不同,各变化起伏也不同。跟着铁素体比例的增加,dwtt耐性断面率前进。用加快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。这是由于假如前进铁素体比例,碳向周围的奥氏体相浓缩,成为高强度的低温相变安排。
 

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