X100管线钢管的技术要求及研究开发

马秋荣，张对红，郭志梅

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安710077；3.中国石油集团管道建设项目经理部，北京100101)

X100管线钢管的技术要求及研究开发

马秋荣1,2，张对红3，郭志梅3

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安710077；3.中国石油集团管道建设项目经理部，北京100101)

结合X100管线钢管开发研究成果，对X100管线钢管开发研究中普遍关注的断裂控制、高屈强比、各向异性、缺陷容限和韧脆转变行为等主要问题进行了分析讨论。研究结果表明，用DWTT试验和Battelle总结的85％SA对应温度经验方法能准确预测X100钢管的韧脆转变温度和断裂行为；目前只有全尺寸实物爆破试验法是适用于X100管线裂纹止裂行为预测的可靠方法。因此，X100管线钢管的应用还需根据具体管线服役工况，在API SPEC 5L标准基础上，补充屈强比、止裂韧性及DWTT等关键技术指标的要求，以保证X100管线的服役安全。

焊管；X100；屈服强度；抗拉强度；冲击韧性；止裂韧性

1 国际上X100钢管研究开发及应用现状

从1990年起，国际上就开始了X100管线钢管开发及工程应用的研究。英国BP公司与钢铁、制管企业合作，开发了X100管线钢管，并进行了冶金、理化性能评价，可焊性评估以及钢管现场弯曲试验。为确定X100管材对钢管长程开裂的止裂能力，还进行了多次全尺寸爆破试验。欧洲钢管公司也已生产出厚度为20mm的X100管线钢，用来制造直径为914mm的钢管，目前还试制了25.4mm厚的钢板。日本JFE也对X100的研究应用做了大量的工作。从1995年开始，JFE就着手X100钢管的试制工作，已经生产试制了3 300 t X100管线钢管，做了力学性能、焊接、涂覆、全尺寸爆破、止裂器应用等在内的大量研究。

高压输气管线裂纹扩展止裂性能一直是国际上关注的热点问题，CSM和Advantica等已进行了多次X100钢管全尺寸爆破试验。通过这些试验，CSM逐步建立了X100钢管全尺寸爆破试验的数据库，并取得了一定的成果。

经过十多年的研究，X100钢管开发水平得到了很大的提高，在全尺寸气体爆破试验之外，开始小规模建设试验段和试运行。这些试验段的建设旨在展示制造X100钢管技术的可靠性以及建设超高压输送管道的可行性。

国外试验段/示范段建设的目的主要是获取X100的制造、试验和建设(焊接和现场冷弯)经验，评估极地寒冷环境施工技术(焊接和冷弯)，研究钢管拉伸和压缩应变行为和基于应变的设计方法，进一步增大规模，证明X100钢管的适用性，检验X100钢管抗第三方损伤、疲劳、应力腐蚀等方面的服役性能。

X100试验段大多是在现有管线上敷设，一般不超过5km，虽然已经成功建设了多条X100试验段。但是迄今为止所有的管道试验段都是在低应力系数水平下运行，没有在真正X100的设计应力工况下运行。建设试验段的目的集中在管道的设计、X100管线钢管组织生产、施工技术的考核和改进上。对钢管强度、韧性和可靠性的考核主要依靠实验室试验和试验场试验。

2 X100钢管技术要求

API SPEC 5L标准[1]规定了X100需要满足的基本理化性能(分别见表1和表2)。实际应用还需根据工程实际情况制定各种补充技术条件，确定各种技术指标，如屈强比、冲击功值、DWTT等。

表1 API SPEC 5L标准规定的产品化学成分要求％

表2 API SPEC 5L标准规定的拉伸性能要求

API SPEC 5L附录G规定了适用于夏比冲击试验的PSL2钢管和订购用于输气管线管体抗延性断裂扩展PSL2钢管的补充条款，同时也为确定钢管延性断裂止裂CVN冲击功值提供了指南。

表3是附录G中提供的5种止裂韧性预测方法和其应用范围的说明，目前只有全尺寸爆破试验方法适用于超高强度钢管(X90及其以上钢级)。该方法建立在全尺寸爆破试验的基础上，对特定设计与输送流体的管线止裂韧性进行验证。目前，这是唯一可以让大家普遍接受的可信的确定X90或X100超高强度管线钢管止裂韧性的方法。

表3 API SPEC 5L标准推荐的5种止裂韧性预测方法和应用范围

3 X100管线钢管开发研究的主要问题

3.1 X100管线钢的断裂控制

延性裂纹的长程扩展是天然气管道失效后果最严重的失效模式之一，往往会造成灾难性的后果，尤其随着输送压力和管线钢强度的升高，风险也变得越来越大。因此，高压输气管道的动态延性断裂控制和止裂预测成为关系管道安全的最重要的问题。现有的确定钢管延性断裂止裂冲击功值的5种方法，目前只有全尺寸实物爆破试验法适用于超高强度钢管。

X100管线钢管现有实物爆破试验数量少、数据分散，不能有效支持止裂韧性预测值(或修正值)，按目前实物爆破试验数据(如图1所示)，X100管线钢管止裂韧性应达到Battelle预测值的2.4倍甚至更高。因此X100管线钢管的自身止裂问题一直存在争论，一般当设计系数较低时，基本可实现自身止裂；当服役条件很苟刻时(富气、高设计系数、低温)则需要使用外部止裂器。

全尺寸爆破试验成本相当昂贵，而且每次试验获得数据较少，试验只针对特殊的管道运行和环境条件，试验结果的普适性较差。为了促进X100钢管的工程应用，有必要针对X100管线钢展开深入的动态延性断裂研究，并开发出新的适用于X100管线钢的止裂韧性预测方法。同时，应进行大量全尺寸气体爆破试验，来验证新的止裂预测模型的有效性和X100管线钢止裂预测值的准确性。并形成X100管线钢全尺寸气体爆破试验数据库，确定合适的修正系数。当服役条件很苟刻时(富气、高设计系数、低温)，比较可行的是使用外部止裂器，外部止裂器的结构设计、止裂能力验证、材料优选等也需要进行深入研究。

图1 现有的部分全尺寸实物气体爆破试验结果

近年来，欧洲、日本和国内的一些专家在X100管线裂纹扩展和止裂预测方面做了大量的研究工作，也分别提出了X100管线裂纹扩展止裂的预测方法[2-4]，这些研究工作将极大地促进X100管线钢管的工程应用。

3.2 高屈强比与稳定塑性变形能力

TMCP工艺适合批量生产高强度管线钢，但同时屈强比也会随着强度的增加而变大。X100管线钢管的屈强比可能超过0.97(如图2所示)，因而稳定塑性变形的能力将比低钢级的钢管小。为兼顾经济效益和生产率，钢厂必须优化工艺，生产出低屈强比的高强度钢，增强钢管的塑性变形能力，适应现场冷弯和100％SMYS(规定最小屈服强度)水压试验的要求。国外通过增加钢管抗变形能力的要求，对应力应变行为做更严格的要求，通过优化X100管线钢冶炼及轧制工艺，已经生产出屈强比不超过0.95的X100管线钢管[5]。此外，X100管线钢管应变时效会对X100管线钢的性能产生一定的影响，如何在钢管涂敷过程中对应变时效效应进行控制并制定出合理的涂敷工艺应引起足够的重视。

图2 国产X100直缝钢管屈强比分布图

3.3 各向异性对钢管变形能力的影响

X100管线钢管的各向异性明显，尤其是直缝埋弧焊管，横向和纵向的屈服强度差在100MPa左右(见表4)；环向不同位置取样的屈服强度也相差80～90MPa。根据国外的研究，当管道变形量较大时各向异性对管道的应力应变行为及变形能力有一定的影响。

表4 X100直缝埋弧焊管纵向和横向拉伸强度

3.4 缺陷容限的要求

Battelle建立的预测钢管轴向裂纹开裂公式(见公式(1))已被广泛应用[6-8]，此公式是在早期管线钢的各个钢级上通过多次爆破试验总结出来的，当时钢级在X70以下，屈强比低于0.87，冲击功均在30～120 J。

可按Folias公式计算出M，即

式中：σf—失效应力，MPa；

σ0—流变应力，σ0=(Rt0.5+Rm)/2，MPa；

d—缺陷深度，mm；

t—壁厚，mm；

M—鼓胀系数；

2C—缺陷长度，mm；

R—钢管半径，mm。

为了证明Battelle预测公式的适用性，国外对X100钢管进行了含缺陷钢管水压爆破试验[9]，结果表明，Battelle公式能准确预测X100管线钢管轴向表面缺陷的失效行为，屈强比较小的钢管其预测结果更保守。表5是两种规格含表面缺陷X100钢管的缺陷容限试验条件和试验结果。

表5 两种规格含表面缺陷X100钢管的缺陷容限试验条件和试验结果

3.5 X100管线钢管的韧脆转变行为

20世纪70年代进行的大量试验表明，用DWTT试验得出的试样剪切面积和韧脆转变温度与全尺寸管线钢管的行为之间有良好的一致性。裂纹扩展的韧脆转变温度可用DWTT试样85％SA对应的温度来表示，这个要求可以保证管线钢管不发生脆性断裂。

图3是Φ1 422mm×19.1mm X100管线钢管DWTT试验、夏比冲击试验和West Jefferson爆破试验结果对比图[10]。试验表明，用Battelle总结的经验方法仍然可以预测X100管线钢管的韧脆断裂转变行为，尽管采用TMCP工艺生产的管线钢存在断口分离对断裂面积的测量带来了一定的困难。图4是-20℃下DWTT试样断口形貌与West Jefferson试验钢管断口形貌照片。这些都表明用DWTT试验和Battelle总结的85％SA对应温度经验方法能准确预测X100钢管的韧脆转变温度和断裂行为。

图3 X100管线钢管DWTT试验、夏比冲击试验和West Jefferson爆破试验结果对比图

4 结束语

新的天然气管线建设将向更大的输送能力发展，将达到450～500亿m3/a，采用更高工作压力和更大直径管道输送是必然的选择。在已有的X100管线钢和钢管的研究、开发及应用的基础上，围绕X100输气管道的设计方案、X100管材关键技术指标及技术标准、断裂控制、X100管道整体服役性能等多方面开展研究，突破超高强度高压输气管道延性动态断裂及止裂预测的瓶颈，结合成型工艺、焊接工艺、焊材开发等研究，形成X100管制造技术，将最终实现在高性能X100管线钢管应用方面的突破。

[1]API SPEC 5L，管线钢管规范[S].

[2]MAKINO H，TAKEUCHI I，HIGUCHI R.Fracture arrestability of high pressure gas transmission pipelines by high strength linepipes[C]∥Pipeline Technology Conference，Ostend：[s.n.]，2009：35-37.

[3]马秋荣，霍春勇，冯耀荣.X100高压输送管线裂纹止裂预测探讨[J].焊管，2013(3)：22-26.

[4]MA Q R，HUO C Y.Comparison and analysis on specification of X80 line pipe for 2nd West-east Gas Transmission Pipeline Project[C]∥International Pipeline Conference.Calgary，Alberta，Canada：[s.n.]，2010：699-705.

[5]HILLENBRAND H G，LEWSSEM A，KNAUF G，et al.Development of large diameter pipein X100[C]∥3rd Int.Pipeline Technology Conference.Belgium：[s.n.]，2000：469-482.

[6]DEMOFONTI G，MANNUCCI G，SPINELLI C M，et al.Large diameter X100 gas linepipes：Fracture propagation evaluation by full-scale burst test[C]∥3rd International Pipeline Technology Conference，Belgium：[s.n.]，2000：509-520.

[7]MANNUCCI G，DEMOFONTI G，BARSANTI L，et al.High pressure long distance transmission gas lines:Structural integrity of high strength steel grade pipeline[C]∥3rd International Pipeline Technology.Brugge，Belgium：[s.n.]，2000：303-314.

[8]LEIS B N.Predicting fracture arrest based on a relationship between charpy vee-notch toughness and dynamic crack-propagation resistance[C]∥3rd International Pipeline Technology.Belgium：[s.n.]，2000：407-420.

[9]BARSANTI L，MANNUCCI G，HILLENBRAND H G，et al.Possible use of new materials for high pressure linepipe construction：AnopeningonX100gradesteel[C]∥4thInternational Pipeline Conference，Calgary：[s.n.]，2002：287-298.

[10]MAKINO H，TAKEUCHI I，HIGUCHI R.Fracture arrestability of high pressure gas transmission pipelines by highstrengthlinepipes[C]∥PipelineTechnologyConferenence，Ostend：[s.n.]，2009.

Development and Technical Requirements of Grade X100 Line Pipe

MA Qiurong1,2,ZHANG Duihong3,GUO Zhimei3
(1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.State Key Laboratory of Service Behavior and Structural Safety of Tubular Goods and Equipment,Xi’an 710077,China;3.CNPC Pipeline Construction Project Management Department,Beijing 100101,China)

In combination of research results on X100 line pipe,it discussed common interested problems such as fracture control，higher yield ratio，anisotropy,defect tolerance，ductile to brittle transition，etc.The researched results showed that the ductile-brittle transition temperature and the fracture behavior of X100 steel pipe can be accurately predicted through corresponding temperature of 85％SAof DWTT test;and only full-scale burst test is a reliable method to predict fracture behavior of X100 pipeline.Therefore,at present the additional technical requirements shall be made according to the actual engineering situation，to determine the various technical indicators based on API SPEC 5L standard，such as the yield ratio,arrest toughness,DWTT and so on,to ensure the service safety of X100 line pipe.

welded pip;X100；yield strength;tensile strength;impact toughness;arrest toughness

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.002

马秋荣(1966—)，男，硕士，教授级高工，主要从事石油管材料的研究工作。

2016-09-14

李红丽