在地震带、冻土带发生地基大变动时，为确保输送管线的安全，开发出“应变基础设计”的设计方法，并应用到管线建设。“应变基础设计”需要有对铺设钢管局部压曲性能的评价、预测技术和变形性优良的钢管。过去，提高钢管压曲性能的方法是增加钢管的壁厚，这种方法使管线建设费用大大增加。如果能用提高钢材特性的方法提高钢管压曲性能，即可以将管线建设费用的增加控制到最小程度，又能够保证管线的安全性。另一方面，为适应近年来的管线长距离化和高压化，采用了强度更高的钢管，在这种情况下，迫切需要开发出API-X80（屈服强度在550MPa以上）高强度钢管的“应变基础设计”方法和与之相应的钢管。
本文介绍了技术开发、钢管局部压曲应变公式和FEM解析方法，对钢管的变形行为进行评价，并通过实际钢管大型弯曲试验对这种评价进行验证，明确了保证钢管压曲特性的钢材所必须具备的性能。在阐明钢材性能与微观组织关系的基础上，对钢材材质进行了最佳化设计，并利用最新的厚板制造技术，开发出高强度、高变形特性钢管的批量生产技术。
1钢管的局部压曲特性与钢材的性能
钢管的局部压曲特性不仅由于钢管形状、作业压力和变形方式的不同而发生复杂的变化，而且受钢管材料性能的影响很大。以承受轴向压缩钢管的极限压曲应变为例，钢管的极限压曲应变可用（1）式表示。
4t
εcr=—√n—（1）
3D
式中，εcr：极限压曲应变、t：钢管壁厚、D：平均管径、n：硬化指数。对于X65级及以下级别钢管，n=0.11，安全系数设定为1.25，可得到εcr=35t/D（%）。这就是高压气体管道抗震设计指南的允许压缩应变的表达式（气体管道抗震公式）。为了更准确地推算钢管的变形特性，可以采用公式（2）、公式（3）。
σcrN11     
———=-——1+—+
σ02αN 
4Et——————（2）
3α√Nσ0D
σ0σcrσ0σcrN
εcr=———+————
Eσ0Eσ0
（3）
式中，E：杨氏模量、α和σ0：Ramberg-Osgood公式中的参数、σcr：极限压缩应力、εcr：极限压缩应变。
API钢管（X60、X70、X80）典型的拉伸特性，各个值都是标准规定的下限值。均匀伸长率是6%。将这些钢管的R-O参数带入（2）式、（3）式，得到的极限压缩应变曲线。对3条曲线进行比较可知，X60的极限压缩应变大于X80。X60极限压缩应变曲线和气体管道抗震公式曲线比较，可以看出在D/t＞40的范围内，两条曲线是重合的。但是X70、X80极限压缩应变小于气体管道抗震公式的极限压缩应变。这是用SMYS和SMTS定义的应力－应变曲线的特殊条件下的计算结果。
在开发具有高变形特性钢管时，阐明钢管的变形行为并确定提高变形特性的材料方针是很重要的。此外，还要对钢管压曲特性与管材拉伸特性的关系进行解析。X80-SM是标准规定最小值的X80钢的拉伸特性，X80-A、B、C是屈强比为0.85-0.75的X80钢的拉伸特性。由气体管道抗震公式得到的钢管极限压缩压曲应变曲线在X80-SM曲线的上方，基本上与X80-A曲线重合。X80-B和X80-C的钢管极限压缩压曲应变曲线都在气体管道抗震公式得到的压曲应变曲线的上方。因此，不增加钢管壁厚，通过降低屈强比，就可以提高钢管的压缩变形特性。即在生产的可能范围内改变钢材特性，就可提高抗震设计要求的钢管压缩变形特性。
目前，尚无求出弯曲变形极限压缩应变的解析方法，但有几个基于弯曲压曲试验数据的试验公式。因此，要正确预测承受弯曲变形钢管的极限压曲应变，就必须利用FEM（有限元法）解析方法。以下是利用FEM解析弯曲变形的一个例子。用4节点薄壳元素对外径762mm、壁厚15.6mm、长度4000mm的X80钢管进行模型化处理，对通过矩臂给钢管施加弯曲变形的过程进行FEM解析。对钢管原始几何尺寸的不规整性（外径（OD）、壁厚（WT）、轴向不平直（BL））进行测定，建立包括几何尺寸不规整性的FEM模型，用弯曲变形FEM解析得到的弯曲角度（θe）和弯曲力矩（M）的关系，图中还给出了用同样尺寸的X80钢管进行弯曲试验的结果。FEM解析和钢管弯曲试验都是在12MPa内压条件下进行的。在极限变形前的阶段，未考虑钢管原始几何尺寸不规整性的FEM解析结果与试验得到的数据非常一致，但在极限变形之后，变形增大，FEM解析得到的极限应变值过大，而考虑原始几何尺寸不规整性的FEM极限应变值的解析结果与试验值接近，并且在考虑（BL+WT）不规整和考虑（OD+WT+BL）不规整情况下，得到同样的结果。此外，对产生的压曲波浪进行了计算，计算结果和试验结果进行了比较。结果发现，压曲波浪发生在钢管外侧距试验钢管中心左侧125mm，基本上与试验结果一致。采用这种适宜的解析模型并通过FEM解析，可以高精度地预测钢管的弯曲变形行为。
对抗拉强度不同的两种X80钢管的弯曲变形进行了解析分析。fD是设计参数中的内压引起的周向应力与标准规定的屈服应力下限值之比。对以压曲波浪为中心，沿钢管轴向分布的压缩应变，在2倍平均管径的标点距离内求出的平均值就是极限压缩应变。当fD=0时，屈强比更低的X80钢管的极限压缩应变是1.87%，当fD=0.72时，极限压缩应变是2.82%，极限压缩应变随着fD的增加而增加。但在各种情况下，传统X80钢管的极限压缩应变都小于低屈强比X80钢管。因此，在从局部压曲角度考虑钢管的安全性时，这两种钢管都可以满足一般的抗震要求，但是，在要求平均极限弯曲应变为1.5%的地域，则应选用低屈强比的高变形能X80钢管。
如上所述，在地震等地基变动导致钢管变形时，为保证管线的安全，铺设的钢管应具有高的耐压曲性，此外，虽然加工硬化指数n值是材料的重要特性，但也可以用应力比σr（一定应变范围内应力的升高率）作为表示加工硬化特性的指标，并在实际管线铺设时作为对钢管要求的性能。             
2提高钢管变形能的组织控制技术
为研究具有连续屈服型、高n值应力-应变曲线钢管的最佳微观组织，采用了试验研究方法和FEM等解析研究方法。铁素体本身具有屈服平台，使钢的组织成为含有贝氏体的两相组织，就可以得到连续屈服型的应力-应变曲线。采用微观力学方法得到的两相组织钢的解析结果是随着第2相体积分量的增加或第2相强度的升高，n值升高。
在钢板制造工艺中对加速冷却速度进行高精度控制就可以获得铁素体-贝氏体两相组织。采用上述组织控制技术制造出的各级别钢管的应力-应变曲线，各级别钢管都是低屈强比的，与传统钢管的应力-应变曲线相比，均匀伸长率大大提高。除了铁素体-贝氏体组织的高变形特性管线钢管，还有在钢板生产中，利用加速冷却后进行在线热处理（HOP）新工艺制造出贝氏体-MA（岛状马氏体）组织的高变形特性管线钢管用钢板。加速冷却后进行在线热处理促进了碳向未相变奥氏体内的凝聚，从而生成了微细化的MA。采用在线热处理工艺生产的X80级高变形特性钢管的基体组织是贝氏体，MA体积分量约为8%。B-MA型高变形特性钢管轴向应力-应变曲线，其均匀伸长率等于或大于铁素体-贝氏体高变形特性管线钢管。轴向压缩试验和弯曲试验证实，这些具有双相组织的钢管具有优于传统钢管的高抗压曲性。
3小结
本开发技术可以工业规模地制造适应于应变基础设计的高强度钢管。这种钢管提高了天然气输送管线抗震安全性，将用于加拿大、俄罗斯、中国的基于应变基础设计的地震带、冻土带长距离天然气输送管线工程。
（来源：钢铁产业）


备注：数据仅供参考，不作为投资依据。