基于断裂力学的X80管线钢最低允许使用温度的确定

桂乐乐，商学欣，刘 凯，寿比南

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

近年来，以X80钢为代表的高钢级管道事故频发，且很多都呈现一个共性——脆性断裂，引起了广泛关注。导致材料韧性降低的因素主要有：低温、高拘束度和高应变率，其中低温脆断可通过最低允许使用温度(MAT)的确定来规避。当前，关于X80的MAT只在GB/T 20801—2020《压力管道规范 工业管道》中有规定[1]。虽然GB/T 20801.2—2020在材料最低使用温度的确定上部分参考了ASME B31.3中的冲击豁免曲线Fig.323.2.2A(只参考了曲线A和B，其中，曲线B开头从-29 ℃改成-20 ℃)，但在X42及以上级别管线钢的最低使用温度上依旧规定为-30 ℃(ASME B31.3把正火态以及淬火加回火态X系列管线钢列入曲线B，其他热处理态则列入曲线A)。这种基于使用经验的“一刀切”做法，与欧美规范中综合考虑了温度、应力、厚度、缺陷和热处理状态等因素的冲击豁免曲线相比，显然后者更加科学与严谨[1-4]。本文基于某天然气管道事故调查中的X80钢母材冲击试验数据，借鉴ASME Ⅷ-Ⅱ的低温防脆断设计理念，结合我国管线钢的相关规范和标准，推导X80钢的冲击豁免曲线，为其MAT的确定提供参考依据[5-10]。

1 X80钢韧脆转变温度确定

体心立方结构的铁素体钢存在韧脆转变现象。大量冲击试验结果表明，材料的冲击吸收能量、纤维断面率、侧向膨胀量与温度之间的关系曲线均呈现S形(部分研究认为侧向膨胀量与温度关系曲线呈Г形)[11]。

表1 X80母材转变温度统计

描述材料的韧脆转变曲线的函数主要有Boltzmann函数、双曲正切函数、Weibull函数、Polynomial函数等，其中，Boltzmann函数因其相关系数高、残差小、参数物理含义明确(4个参数分别表示韧脆转变曲线的上、下平台，韧脆转变温度和转变区的1/4宽)、适应性强等特点而被广泛应用。本文通过对不同成型工艺包括直缝管、螺旋管、热煨弯管在内的X80钢母材进行系列冲击试验，分别基于纤维断面率、冲击吸收能量和侧膨胀量三种参量，采用四参数Boltzmann函数对系列冲击试验数据进行拟合，获得X80母材3种韧脆转变温度：能量转变温度、断口形貌转变温度和侧膨胀值转变温度。图1示出螺旋管母材(横向)韧脆转变曲线，拟合结果见表1。

2 基于API 579-1/ASME FFS-1的防脆断理念

早期的ASME Ⅷ-Ⅰ采用基于使用经验的转变温度法，并以-30 ℃作为低温界限。我国相关规范除在低温容器的界定温度值以及冲击吸收能量合格值上略有不同外，总体上和ASME Ⅷ-Ⅰ的理念一致。1989年，ASME Ⅷ-Ⅰ引入了以线弹性断裂力学为基础的分析方法，通过冲击豁免曲线、冲击吸收能量要求曲线以及低应力状态TD降低值三类曲线来确定最低设计金属温度(MDMT)。ASME B31.3中的Fig.323.2.2A以及GB/T 20801—2020和GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》中的最低允许使用温度曲线均来源于ASME Ⅷ-Ⅰ中的冲击豁免曲线UCS-66(见图2)。ASME Ⅷ-Ⅱ则采用API 579-1/ASME FFS-1中应力强度因子和裂纹驱动力的参考解，以及利用FAD失效评定图对残余应力进行弹塑性修正等最新的断裂力学原理对ASME Ⅷ-Ⅰ中的冲击豁免曲线进行更正和升级[5]。

2.1 缺陷和参考应力假设

本研究采用和API 579-1/ASME FFS-1一致的带椭圆形表面裂纹的管道模型(见图3)：

(1)

c/a=3

(2)

2.2 材料断裂韧性要求

基于FAD的断裂力学方法的韧性比计算如下:

(3)

断裂准则采用了API 579-1/ASME FFS-1,Part 9中的FAD图，具体形式如下：

(4)

联立式(3)(4)，得到下式：

(5)

(6)

(7)

(8)

式(8)中厚度范围为0.001 in(0.025 4 mm)≤t≤4 in(101.6 mm)。

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，公式(12)中厚度范围为：0.001 in(0.025 4 mm)≤t≤4 in(101.6 mm)。

2.3 冲击吸收能量与断裂韧性的MPC模型

ASME规范豁免曲线的推导采用了美国材料性能委员会(MPC)推荐的断裂韧性与温度关系模型。该模型基于两点假设：(1)材料强度不随温度变化而改变；(2)断裂韧性只与温度、屈服强度有关，给定温度下断裂韧性与屈服强度成正比。该模型有如下形式:

(13)

值得注意的是，该模型使用的韧性参量是动态断裂韧性。T0为参考温度，C为韧脆转变区半宽，统一设为66 ℉(36.7 ℃)。

2.4 冲击豁免曲线推导

将式(13)变形，就得到ASME Ⅷ-Ⅱ中的豁免曲线方程：

(14)

3 X80钢冲击豁免曲线的推导及分析

由上述分析可知，推导冲击豁免曲线的关键在于参考温度T0的确定。本文对比了6组X80钢母材系列冲击数据单独拟合以及合并拟合的曲线相关性，发现单独拟合的相关系数明显高于合并拟合的相关系数。因此，本研究取6组单独拟合能量转变温度值的95%置信区间上限作为T0。这里，T0=-47 ℃，远低于ASME Ⅷ-Ⅱ中D曲线的-11.1 ℃。ASME Ⅷ-Ⅱ在冲击豁免曲线推导中将A,B,C,D四组材料曲线的屈服强度统一设为80 ksi(550 MPa)，正好等于X80钢的屈服强度下限，因此本文中屈服强度也取550 MPa。ASME Ⅷ-Ⅱ的冲击豁免曲线中MDMT下界限设为-50 ℃或10.2 mm对应的MDMT值，两者取较高值。本研究中，为满足GB/T 34275—2017《压力管道规范 长输管道》中X80/L555钢夏比冲击韧性要求(线路用钢管要求40 J，站场用钢管要求90 J，站场用管件要求60 J)，本文选取6组X80钢母材总体系列冲击数据95%预测区间下限曲线上90，60，40 J对应的温度T90J,95%(T90J,95%=-50 ℃，T60J,95%=-59 ℃，T40J,95%=-65 ℃)和10.2 mm对应的MDMT值两者较高值作为X80线路用钢管、站场用钢管以及站场用管件MAT的下界限(见图4)。依据上述假设推导的X80钢最低允许使用温度曲线如图5所示。

GB/T 34275中表1给出了不同管型钢管的推荐规格范围，其中，SAWL态的X80/L555最大理论壁厚最大，达到40 mm。从图5可以看到，33 mm 壁厚以下的X80钢无论在何种热处理状态下，其MAT均低于-30 ℃，即意味着GB/T 20801—2020严重低估了X80钢的低温性能。只有当焊态X80钢在壁厚介于34～40 mm时，其MAT才会高于-30 ℃。表2列出了X80钢几种典型板厚在不同热处理状态下的MAT值。

表2 X80钢不同厚度的MAT值

GB/T 20801—2020考虑到低应力工况对防脆断性能的改善，规定当碳钢(包括碳锰钢)满足“低温低应力工况”或“低温降应力工况”时，免于冲击试验的最低使用温度还可进一步降低。其中，符合“低温降应力工况”时，最低使用温度降低量为11 ℃，符合“低温低应力工况”的GC2级管道最低使用温度应不低于-104 ℃的要求[1]。而ASME Ⅷ-Ⅱ则给出了MDMT的温度降低曲线，温度降低量和Rts(实际应力与许用应力的比值)有关，等于许用应力下材料的最低设计金属温度TR(1)与实际应力水平下材料的最低设计金属温度TR(Rts)之间的差值，其中：0.24≤Rts≤1。

实际应力可表示为：

(15)

实际应力水平下最低设计金属温度为：

(16)

MDMT的温度降低曲线则表示为：

ΔT(Rts)=TR(1)-TR(Rts)

(17)

需要注意的是，ASME Ⅷ-Ⅱ在温度降低曲线推导中假设壁厚t=2 in(50.8 mm)，因此式(16)中温度降低量变成应力比Rts的函数，而不是壁厚t。两种热处理状态下的X80钢最低使用温度降低曲线见图6。

4 结论

本文基于实测的X80钢系列冲击数据，采用四参数Boltzmann函数对系列冲击数据进行拟合。借鉴ASME Ⅷ-Ⅱ的低温防脆断设计理念，结合我国X80钢的实际工程经验，推导出X80钢的冲击豁免曲线，得到如下结论。

(1)依据实测的X80钢性能数据推导的最低允许使用温度曲线远低于ASME B31.3中的曲线B，也低于ASME Ⅷ-Ⅱ中的曲线D。

(2)只有当焊态X80钢在壁厚超过34 mm时，其MAT值才会超过-30 ℃；在其他条件下，MAT值均会低于-30 ℃。相比之下，GB/T 20801在X80钢最低使用温度的规定上偏保守和简单。

需要说明的是，本研究是以某天然气管道事故调查中的X80钢测试数据为基础的，是对国产管线钢最低允许使用温度研究的一次初探。未来仍需收集大量的基础数据，为管线钢最低允许使用温度相关标准的制修订奠定基础。