外加电位对X80管线钢近中性pH土壤应力腐蚀开裂行为的影响

在模拟近中性p H土壤腐蚀环境的NS4溶液中,采用慢应变速率拉伸(SSRT)试验、电化学极化和SEM观察,研究了外加阴极极化电位对X80管线钢近中性p H土壤应力腐蚀开裂(SCC)行为的影响。结果表明:X80管线钢在近中性p H土壤环境中SCC敏感性较高,开裂模式为穿晶SCC;SCC机制随外加阴极极化电位不同而改变,外加阴极极化电位高于-900 m V时,SCC受阳极溶解和氢脆混合控制,外加阴极极化电位低于-900 m V时,SCC为氢脆控制;随着外加电位负向增加,慢拉伸试样的断面收缩率、延伸率和断裂时间降低,SCC敏感性增加,在实际管道阴极保护工程中要避免过保护。     

X80管线钢性能特征及技术挑战

针对X80管线钢研发与应用现状以及目前存在的问题,综述了影响X80管线钢性能的主要因素、研究进展以及发展X80钢管道面临的技术挑战。详细分析了X80管线钢的冶金特征与组织结构,概述了X80管线钢的焊接工艺、焊接冶金学特征及性能,总结了X80管线钢的机械性能和力学特征。具体讨论了X80管线钢在服役环境中的失效机制,包括腐蚀、氢致开裂、焊缝区失效、应变失效等,并以此为基础,探讨了发展X80钢管道需要克服的技术挑战,以保障油气安全、高效输送以及能源管道的可持续发展。(图1,表8,参86)     

机械喷丸对X80管线钢疲劳性能的影响

为了研究机械喷丸对X80管线钢疲劳性能的影响,利用气动式喷丸机对X80管线钢试样进行机械喷丸处理,对机械喷丸前后单联中心孔试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨机械喷丸时间对X80管线钢疲劳寿命的影响,分析机械喷丸前后单联中心孔试样疲劳断口形貌。试验结果表明:机械喷丸后,X80管线钢表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未喷丸处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内。在疲劳裂纹稳定扩展区,疲劳条带间距随着机械喷丸时间的增加而减小,说明机械喷丸有效降低了管线钢疲劳裂纹扩展速率,改善了X80管线钢的疲劳特性。     

临氢X80管线钢量化氢压作用的疲劳裂纹扩展模型

随着中国对能源转型及氢能利用发展需求的日渐迫切，X80高强管线钢将面临在氢气环境中运行的风险。对管道而言，其在服役过程中同时存在静载荷和循环载荷，并且循环载荷与氢的交互作用更为复杂，因此评估管线钢临氢性能时要同时考虑拉伸性能和疲劳性能。通过高压氢气环境中的拉伸实验及疲劳裂纹扩展实验，分析了氢对X80钢拉伸及疲劳性能的影响，获得了量化氢压作用的X80管线钢疲劳裂纹扩展模型。结果表明：氢对X80管线钢的拉伸性能无明显影响；氢压越高，疲劳裂纹扩展速率越高，氢压3 MPa时的疲劳裂纹扩展速率为氮气环境中的10倍，氢对X80管线钢的疲劳裂纹扩展影响显著；当X80管线钢处于氢气环境中时，钢材的疲劳性能将成为管道安全设计和完整性评价的关键指标。（图8，表3，参27）     

中国X80管线钢和钢管研发应用进展及展望

随着油气管道建设的快速发展,X80管线钢及钢管得到了大规模应用。回顾了中国X80高钢级管线钢及钢管的研发应用历程与主要进展,指出了面临的挑战,提出了发展建议。经过近20年的发展,建成X80油气输送管道约17 000 km,单管输气量达到380×10~8 m~3/a,X80管材生产及管道建设技术进入国际领跑者行列。形成了X80管线钢及钢管组织分析鉴别与评定、强度试验与屈强比控制、断裂与变形控制等关键技术,以及X80系列热轧板卷与大口径厚壁螺旋埋弧焊管制造技术、宽厚板与大口径厚壁直缝埋弧焊管制造技术、大应变管线钢及钢管制造技术、感应加热弯管及管件设计与制造技术。有力支撑了西气东输二线、中俄东线等重大管道工程建设。对于未来发展,提出如下建议:加强对制管用板卷或钢板的可焊性评价与控制,深化现场焊接技术及质量性能控制研究,推进高钢级管线钢及钢管在大输量管道建设中的应用,强化油气管道失效控制、完整性理论与技术的研究及应用。(参69)     

X65管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀开裂性能

中海石油(中国)有限公司天津分公司在渤海湾某油田开展了天然气利用项目,天然气外输海管选用国产X65管线钢手工电弧焊接敷设完成.随着油田不断深入开发,伴生天然气中H2S含量持续增长,该海底管道特别是焊接接头等薄弱部位在运行过程中面临着H2S应力腐蚀开裂风险.根据NACE相关标准方法研究了X65管线钢焊接接头抗HB/HIC/SSCC性能,并对SSCC发生机制进行了探讨.研究结果表明:该天然气外输管道所选的国产X65钢焊接接头具有优良的抗H2S应力腐蚀性能,在管道敷设达标及目前运行工况条件下发生硫化物应力腐蚀开裂的风险较小.     

X80钢管线焊接接头组织性能研究

以一种海洋用 X80管线钢为研究对象,采用焊接工艺试验、力学性能测试及显微分析技术研究了药芯自保护焊工艺下 X80管线钢焊接接头的性能和热影响区的组织变化规律。实际应用表明,采用设计的药芯自保护电弧焊工艺参数对 X80管线钢进行焊接,可以得到合格的焊接接头。     

X80管线钢管体缺陷极限承载能力

目前含体积型缺陷管道的剩余强度评价标准和方法主要是针对X70及以下低钢级管线钢,而针对X80及以上高钢级管线钢的验证性试验很少。基于此,对比了不同管线钢管体缺陷的极限载荷评估模型及适用范围,管线钢通过对不同类型、不同尺寸缺陷的X80管线钢管进行水压试验,对各种评估模型在X80管线钢管上的适用性进行评价。结果表明:长矩形缺陷的承载能力在各类缺陷中最低,而且不同缺陷预测模型的安全程度不同;对于矩形缺陷,DNV模型的预测结果与试验值偏差较小,ASME B31G Modified、RSTRENG及C-FER模型的计算结果偏于安全;对于沟槽缺陷,C-FER和PDAM模型偏于安全;对于凹坑+沟槽缺陷,PDAM模型偏于安全。     

大口径高压力复杂地形管道变形应力检测方法

中俄东线天然气管道具有超大口径、高钢级(X80)、高压力等级的特点,处于地质活跃的北部冻土与半冻土带,沿线易发生地质灾害,由此而来的非设计载荷会导致管道整体应力水平超过管道应变能力,给管道结构完整性与安全运行带来巨大挑战,采用高精度检测方法测量管道运行期间的应力是对管道进行安全评价的关键。针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,在利用超声LCR波检测管道应力理论及方法的基础上,测量了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播时间,探究了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播规律。在中俄东线天然气管道投产运行之初,形成可靠适用的管道应力测量工程应用技术,为其今后运维中的安全评估提供了技术储备。(图5,参19)     

掺氢天然气管道典型管线钢氢脆行为

目前，在氢能储运技术中，利用现有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最为经济，掺氢天然气输送技术受到国内外研究机构的广泛关注。然而，管线钢在输氢过程中因氢与基体接触，可能发生氢脆现象，导致其力学性能发生劣化，威胁管道的安全运行。以天然气管道典型用钢X52、X80钢为研究对象，通过高压气相氢环境下的原位拉伸实验和断口形貌分析研究其在实际掺氢工况下的力学性能变化规律，分析氢分压对材料屈服强度、抗拉强度、断面收缩率及氢脆指数的影响。结果表明：掺氢天然气随氢分压增大，X52、X80钢的塑性逐渐下降，氢脆程度加剧；与X80钢相比，X52钢更适用于掺氢天然气输送。研究成果可为未来掺氢天然气管道的设计选材与安全运行提供参考。（图14，表1，参63）     

高强度管线钢裂纹扩展速度的计算

裂纹扩展速度是预测管线钢止裂韧性的重要参数。根据目前世界各国全尺寸爆破试验分析总结的裂纹扩展速度计算模型,即BTCM模型、HLP模型和Sumitomo模型,对X80管线钢的裂纹扩展速度进行了计算,研究了管径、壁厚和强度对裂纹扩展速度的影响。分析发现,HLP模型和Sumitomo模型计算裂纹扩展速度与高强度钢全尺寸爆破实测数据较为一致,而BTCM模型预测数据较实测结果偏离程度较大。采用3种模型的计算结果表明:当管道壁厚和强度增加时,最大裂纹扩展速度均减小,因而有利于管道止裂;管径增加,最大裂纹扩展速度增大,管道所需止裂韧性也相应增大。     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。(参29)     

油气管道热压封堵三通的研制

管道封堵三通是对管道进行开孔封堵作业必备的维修机具,其承压安全性直接关系主管道的运行安全.为了满足高压大口径油气管道维抢修的需要,结合有限元分析方法,开发了一种新型φ1 016大口径X70管线钢热压封堵三通.选定X70高强度材质作为三通护板,相比Q345R材质减轻了三通质量,提高了焊接效率,降低了焊接应力.管道封堵三通消除了相贯线焊缝,解决了传统焊接式封堵三通相贯线焊缝无法检测的技术难题,提高了封堵三通的使用安全,并首次利用应力应变测试仪器进行了三通带压模拟应用监测,采集数据具有较好的重复性和规律性,为今后同类产品的设计、制造、质量监控工作积累了宝贵经验.(图5,参4)     

埋地油气管道腐蚀失效研究进展及思考

随着油气管道服役时间的延长,管道面临的腐蚀失效问题愈加严峻。阐述了中国埋地油气管道腐蚀现状,总结了埋地管道常见的腐蚀失效类型,讨论了油气管道酸腐蚀、微生物腐蚀、应力腐蚀开裂（SCC）及氢损伤的作用机理,分析了温度、腐蚀性阴离子、阴极保护电位、磁场和交流电等环境因素对管道腐蚀的影响。针对当前埋地油气管道腐蚀失效研究尚不充分,机理、规律尚未完全明确的现状进行讨论,以期为未来油气管道腐蚀失效的研究方向选择提供参考：在点蚀穿孔方面,未来应结合多相流模型和弱酸腐蚀机理建立弱酸作用下的腐蚀预测模型,以准确评估油气管道腐蚀程度,采用扫描振动电极技术等手段深入开展微观层面的腐蚀机理研究;在SCC方面,未来可将模拟计算方法与更高分辨率的显微原位观测技术相结合来解析管道应力腐蚀本质。（图5,参87）     

管道钢在土壤环境中应力腐蚀模拟溶液进展

综述了国内外管道钢土壤环境应力腐蚀开裂试验室模拟溶液体系,结合我国土壤腐蚀性分布特点,探讨了管道钢在我国实际土壤环境中应力腐蚀开裂(SCC)研究体系的确定等问题,为我国管道钢土壤应力腐蚀开裂研究提供了思路,并根据我国土壤理化性质给出了鹰潭和库尔勒两种土壤环境的模拟介质。     

管径1422mm、X80管道的风险水平北大核心

为了研究管径增大对天然气管道安全可靠性的影响,分析管径1 422 mm、X80管道方案的可行性,基于管道风险评估理论,从止裂韧性、潜在危害影响范围、临界缺陷尺寸、刺穿抗力、失效概率、个体风险及运行风险等方面,对比分析了0.72设计系数下管径1 422 mm、X80管道与0.72和0.8设计系数下的1 219 mm、X80管道的风险水平。结果表明:在同等运行条件下,与设计系数为0.8和0.72、管径1 219 mm、X80管道相比,设计系数为0.72、管径1 422 mm、X80管道临界缺陷尺寸和刺穿抗力有所提高,外腐蚀和设备撞击引起的管道失效概率有所下降,潜在危害影响区域半径增大,对应的失效后果可能增加,总体风险水平相应提高,但相差不大。研究结果可为大输量管道方案优选提供决策依据,为管径1 422 mm、X80管道工程设计与建设提供技术支撑。     

国内抗大变形管线钢研究及应用进展

随着国内长输油气管道的建设和发展,适用于地震断裂带等大应变地区的高强度抗大变形管线钢得到有效开发和应用。基于目前国内对抗大变形管线钢的研究成果,分析和总结了抗大变形管线钢的设计基础(拉伸应变、压缩应变)和典型特点(双相组织、低的屈强比、高的均匀延伸率和形变强化指数、典型的拱顶型应力-应变曲线),从轧制工艺、化学成分、组织性能、焊接工艺、腐蚀性能等方面分别探讨了抗大变形管线钢的研究进展及其影响因素,概述了目前国内相关标准要求、钢厂和钢管厂加工制造水平以及抗大变形管线钢的研究应用现状,研究成果有利于抗大变形管线钢的应用和推广。     

L245管线钢硫化氢腐蚀模拟试验

为了掌握油气管道在湿硫化氢环境中的材质适应性,通过硫化氢腐蚀模拟试验研究了L245管线钢在高含硫化氢环境下的氢损伤行为。试验研究表明:在高含硫化氢环境中,L245材料的均匀腐蚀速率并不高,最大腐蚀速率不超过0.045 mm/a,主要失效形式是氢鼓泡和应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC),当硫化氢的质量浓度超过8 000 mg/L时,应加强对设备设施的检测,或提高设备的材料等级,提前采取防护措施。     

管径1422mm、X80管道的风险水平

为了研究管径增大对天然气管道安全可靠性的影响,分析管径1 422 mm、X80管道方案的可行性,基于管道风险评估理论,从止裂韧性、潜在危害影响范围、临界缺陷尺寸、刺穿抗力、失效概率、个体风险及运行风险等方面,对比分析了0.72设计系数下管径1 422 mm、X80管道与0.72和0.8设计系数下的1 219 mm、X80管道的风险水平。结果表明:在同等运行条件下,与设计系数为0.8和0.72、管径1 219 mm、X80管道相比,设计系数为0.72、管径1 422 mm、X80管道临界缺陷尺寸和刺穿抗力有所提高,外腐蚀和设备撞击引起的管道失效概率有所下降,潜在危害影响区域半径增大,对应的失效后果可能增加,总体风险水平相应提高,但相差不大。研究结果可为大输量管道方案优选提供决策依据,为管径1 422 mm、X80管道工程设计与建设提供技术支撑。     

X60管线钢在盐碱性土壤中的腐蚀行为与机理

基于土壤性质检测,室内模拟实验,实际管道防腐层绝缘性测试、杂散电流测试,爆管处腐蚀形貌比较,管道埋地实际状况分析,研究了X60管线钢在黄河下游冲击平原土壤中的腐蚀行为.结果表明:黄河下游冲击平原土壤具有强碱、高含盐(主要为高NaCl)、高腐蚀性质;X60管线钢均匀腐蚀轻微,但会发生严重的坑腐蚀,腐蚀过程是:X60管线钢在水含量高甚至饱和的高含NaCl土壤中发生Fe氧化腐蚀反应,钢表面先形成含水FeOOH内腐蚀产物膜,腐蚀产物膜虽对基体具有一定的保护作用,但因Cl-渗入内腐蚀产物膜产生局部破坏,导致严重的坑腐蚀,并可能发展为爆管破坏.