管線鋼畢業(yè)設計文獻綜述

1、<p><b>　　文獻綜述</b></p><p>　　管道運輸對于促進石油天然氣行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。而發(fā)展具有高強度、較高耐蝕性、良好焊接性的管線鋼是管道運輸?shù)幕A。近年油氣勘探越來越深入到環(huán)境氣候惡劣的沙漠及海洋地區(qū)，對管線鋼的性能提出了更高的要求，并因此開發(fā)了一系列具有抗大應變性能的高等級管線鋼。</p><p>　　然而伴隨著管線鋼的大量應用，

2、應力腐蝕開裂（SCC）問題日益凸顯，每年給石油天然氣行業(yè)帶來巨大經濟損失。導致應力腐蝕開裂的最主要因素是材料表面殘余拉應力，而超聲波表面滾壓加工（USRP）作為國內新興技術能夠極大程度的消除表面殘余拉應力，并在材料表面引入殘余壓應力層。因此針對超聲表面滾壓加工（USRP）對于管線鋼殘余應力影響的研究就十分必要。</p><p>　　實際超聲表面滾壓加工設備費用較高，測試殘余應力方法和步驟也較為繁雜，而通過有限元數(shù)

3、值模擬分析研究殘余應力被證明是行之有效的方法，因此采用商業(yè)軟件ABAQUS進一步對USRP過程進行有限元數(shù)值模擬是一種更為實用有效的辦法。</p><p><b>　　管線鋼的發(fā)展情況</b></p><p><b>　　管線鋼發(fā)展趨勢</b></p><p>　　二十一世紀石油天然氣工業(yè)飛速發(fā)展，管線鋼的需求量急劇增加，

4、預計未來10到15年，我國共需各類油氣輸送干線用鋼管約1000×104t[3]。隨著海上油氣田、極地油氣田等腐蝕環(huán)境油氣田的開發(fā)，對管線鋼的強疲勞性能、韌性、耐蝕性能、抗斷裂性能、焊接性能和強度等性能提出了更高的要求。管線鋼的發(fā)展在國際上正引起越來越多的重視。</p><p>　　隨著鋼鐵冶金技術的進步，微合金成分設計、純凈鋼冶煉技術以及TM-CP軋制技術使得高性能管線鋼的快速發(fā)展成為可能[2]。如今管

5、線鋼的設計和生產流程均采用了先進的計算機控制技術。其發(fā)展方向主要有高強度、高韌性管線鋼、超純凈管線鋼、易焊管線鋼和高抗蝕管線鋼[1]。</p><p>　　高強度、高韌性管線鋼</p><p>　　主要包括針狀鐵素體鋼、超低碳貝氏體鋼和超細晶粒鋼。針狀鐵素體鋼出現(xiàn)于70年代，含碳量低于0.06%，主要成分為C-Mn-Nb-Mo，其組織為針狀鐵素體，具有較高的屈服強度和抗裂紋擴展性能。超低碳

6、貝氏體鋼主要成分為C-Mn-Nb-Mo-B-Ti，組織為完全貝氏體，具有優(yōu)良的低溫韌性和焊接性，屈服強度可達700~800MPa。超細晶粒鋼的有效晶粒尺寸為1~3μm，具有較強的強韌性。</p><p><b>　　超純凈管線鋼</b></p><p>　　超純凈管線鋼含有較少的非金屬夾雜物，S、P等雜質含量遠低于其他鋼種，避免了層狀撕裂、氫致開裂、熱裂紋等缺陷的產生

7、。</p><p><b>　　3 易焊管線鋼</b></p><p>　　易焊管線鋼具有優(yōu)良的焊接性，可分為焊接無裂紋鋼和焊接高熱輸入鋼。其中焊接無裂紋鋼的碳含量約為0.1%，甚至達到0.01%。較低的含碳量降低了淬硬性，從而抑制了冷裂紋的產生。</p><p>　　4 高抗蝕管線鋼</p><p>　　高抗蝕

8、管線鋼具有較強的抗應力腐蝕和抗氫致裂紋的能力</p><p>　　高等級管線鋼發(fā)展狀況</p><p>　　為降低管線工程的建設成本，滿足特殊環(huán)境下管線運輸?shù)囊?，各國開始針對高等級管線鋼進行設計研究。TMCP、HTP、HOP等技術的進步推動了高等級管線鋼的發(fā)展。目前的高等級管線鋼種類主要包括超高強度管線鋼、抗大應變管線鋼、抗H2S管線鋼和海底管線用鋼[2]。</p><

9、;p><b>　　超高強度管線鋼</b></p><p>　　目前的超高強度鋼主要包括X100和X120鋼。通過提高鋼的強度可以顯著降低鋼管的壁厚，從而降低運輸費用，極大節(jié)約經濟成本。X100鋼的成分特點為低碳、高錳，同時含有一定量的鈮，具有較高的強度、韌性和良好的焊接性。X120管線鋼的成分在低碳的同時還加入了硼，采用TMCP鋼，通過IDQ（軋制后淬火）獲得，具有高強度的同時還具有高

10、韌性。</p><p><b>　　抗大應變管線鋼</b></p><p>　　在一些地震多發(fā)和高寒地區(qū)，管線鋼極易發(fā)生塑性變形?；诖藛栴}，提出了新的設計管線鋼概念“應變設計法”。對管線鋼的縱向性能提出了更高的要求。APIX65~X100抗應變管線鋼采用了HOP（在線熱處理工藝）技術代替了傳統(tǒng)TMCP技術，其顯微組織是鐵素體和貝氏體雙相顯微組織，該組織具有較低的屈強

11、比，從而提高了應變硬化性能。</p><p><b>　　抗H2S管線鋼</b></p><p>　　在酸性環(huán)境中管線鋼容易發(fā)生應力腐蝕開裂（SSCC）、內部氫致裂紋（HIC）等破壞?？笻2S 管線鋼具有較高的純凈度，夾雜物含量低，其顯微組織為鐵素體和貝氏體，因此具有較好的抗HIC性能和高韌性。</p><p>　　4 海底管線用鋼<

12、/p><p>　　海洋環(huán)境下的管道運輸要求管線鋼同時具有高的橫向和縱向強度。其中常用鋼種為X65鋼級壁厚管線鋼，采用低碳設計，具有高強度和高韌性。</p><p>　　管線鋼的應力腐蝕開裂情況</p><p>　　油氣管道由于應力腐蝕開裂每年給石油天然氣產業(yè)帶來巨大經濟損失，隨著我國油氣管道建設的不斷增加，研究如何解決管道應力腐蝕開裂問題十分必要。</p>

13、<p>　　應力腐蝕開裂形成機理</p><p>　　應力腐蝕開裂（SCC）是指特定的材料在拉應力和一定的腐蝕環(huán)境下產生的低應力脆性開裂現(xiàn)象。形成應力腐蝕開裂必須具備三個條件：敏感材料、拉應力、特定的腐蝕環(huán)境。應力腐蝕開裂形成機理一般認為是陽極溶解和氫脆。</p><p>　　陽極溶解機理即在拉應力作用下，形成的裂紋尖端發(fā)生塑性變形，導致其表面的保護膜或氧化物破裂，金屬本身、保

14、護膜和溶液形成原電池，金屬本身作為陽極不斷溶解，裂紋不斷擴展導致開裂。</p><p>　　氫脆機理是在氫環(huán)境中,金屬表面聚集氫形成原子氫吸附膜。大量原子形態(tài)的氫不斷滲入金屬內部。氫原子聚集在金屬晶粒的周圍，形成氣泡，使得金屬內部壓力不斷增大，導致晶體間的鍵斷裂。從而使得金屬的塑性降低，最終在拉應力的作用下發(fā)生脆性斷裂[5]。</p><p>　　影響管線鋼應力腐蝕開裂的因素</p&

15、gt;<p>　　影響管線鋼應力腐蝕開裂的三個主要因素如下：</p><p><b>　　1 材料因素</b></p><p>　　研究表明不同直徑、厚度的管線鋼均能產生應力腐蝕開裂（SCC）。不同管線鋼對應力腐蝕開裂的敏感性不同。晶界碳化物偏析使得晶界成分與晶內成分差異增大，晶界區(qū)電位低，晶粒內部則作為陽極，導致強烈的沿晶腐蝕。同時，在拉應力的作用

16、下陽極極性增強，加劇了沿晶腐蝕。</p><p>　　由于管線鋼存在焊縫，焊縫附近的應力集中情況較母材更為嚴重，對應力腐蝕開裂的敏感性較大，易于發(fā)生應力腐蝕開裂[4]。</p><p><b>　　2 力學因素</b></p><p>　　導致管線鋼應力腐蝕開裂的應力主要來源于管線內壓引起的運行應力、殘余應力和應力集中等。管線鋼中的應力種類

17、按方向可分為軸向應力和徑向應力。應力波動（R）、應力大小和應變速率都會對應力腐蝕開裂造成影響。</p><p>　　管線鋼中應力波動來源于內部運行壓力，由于管線內壓循環(huán)波動，導致管線鋼徑向應力連續(xù)波動。應力波動（R值）越大越容易導致應力腐蝕開裂產生。不同地區(qū)的應力波動情況差異較大。</p><p>　　對于應力大小，只有當其超過臨界應力強度KISCC時才會發(fā)生應力腐蝕開裂。不同環(huán)境下應力大

18、小也存在較大差異。</p><p>　　應變速率相對于應力而言對SCC有更重要的意義。研究表明，應變速率會隨著時間的增加而降低。當應力小于臨界應力強度KISCC，由于應變速率隨時間降低，當?shù)陀谂R界值時，裂紋會停止擴展[4]。</p><p><b>　　3 環(huán)境因素</b></p><p>　　管線鋼的環(huán)境條件受多種因素的影響，主要包括涂層

19、材料、土壤、溫度和PH值等。涂層材料是決定應力腐蝕開裂（SCC）過程的直接因素。近中性pH-SCC主要在聚乙烯帶涂層下發(fā)現(xiàn)，但迄今還沒有在熔融結合環(huán)氧涂層和擠壓聚乙烯涂層下發(fā)現(xiàn)。說明不同涂層材料的管線鋼應力腐蝕狀況不同。土壤類型對SCC的影響相對較弱。由于土壤的持水能力強，當含水量的變化，土壤收縮所作用會在涂層和管道上產生應力，促進SCC過程。管道表面的溫度對于高pH-SCC裂紋擴展影響較大，而近中性pH-SCC對溫度敏感度較小[5]。

20、</p><p>　　殘余應力對材料綜合性能的影響</p><p>　　研究表明，工件中存在的殘余應力會對材料性能產生各方面的影響，包括對材料疲勞強度的影響、對應力腐蝕開裂的影響和對脆性斷裂的影響等。各種消除和引入殘余應力的工藝技術也都是在此研究的基礎上展開。</p><p>　　3.1 殘余應力對材料疲勞強度的影響</p><p>　　殘

21、余應力只在高周疲勞條件下對材料疲勞強度存在影響。在低周疲勞強度下的殘余應力會大幅松弛，因此不會對材料疲勞強度產生很大影響。</p><p>　　采用平均應力觀點評估殘余應力的影響可知殘余拉應力使材料的疲勞極限下降，而殘余壓應力使材料的疲勞極限提高。然而平均應力與實際殘余應力存在較大差異，主要原因是殘余應力會發(fā)生衰減而平均應力卻是定值。</p><p>　　一般認為，軸向加載應力時殘余應力不

22、會對疲勞強度產生較大影響。但也有研究表明承受軸向載荷條件下，材料表面也會產生疲勞裂紋。</p><p>　　實際生產中殘余應力對材料疲勞強度的影響主要是對工件缺口疲勞強度的影響。在工件缺口部位應力集中情況嚴重，易于引發(fā)疲勞裂紋。通過表面強化處理在材料表面引入殘余壓應力層有助于提高工件缺口的疲勞強度[6]。</p><p>　　殘余應力對應力腐蝕開裂的影響</p><p&

23、gt;　　應力腐蝕開裂（SCC）產生的必要條件之一是工件中存在殘余拉應力，試件在腐蝕介質中拉伸后的應力壽命曲線表明，拉應力越大越易于發(fā)生應力腐蝕開裂。一般認為只有當應力超過臨界應力值時才會發(fā)生應力腐蝕開裂。</p><p>　　也有研究表明殘余壓應力同樣會導致應力腐蝕開裂，但其裂紋擴展速率相對于拉應力而言非常緩慢，幾乎可以忽略不計。生產中常通過表面強化技術在材料表面引入殘余壓應力來抑制應力腐蝕開裂[7]。<

24、/p><p>　　超生加工技術研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種硬質合金、陶瓷、復合材料等新型材料。許多新型材料具有高硬度和高脆性的特點，使得傳統(tǒng)的加工工藝難以滿足生產需要。超聲加工技術作為一種新興技術不僅可以加工高硬度金屬材料還可以加工脆性大的陶瓷、玻璃等非金屬材料。超聲加工是指使用超聲振動工具，借助磨料的沖擊，沿工件進行一定方向的超聲頻沖擊去除材料或使工件相互結

25、合的一種加工方法。</p><p>　　超聲加工技術具有高精度、切削力小、加工過程產熱量低和工件表面質量高等特點。超聲加工技術應用領域廣泛，主要包括超聲表面光整、微細超生加工、拉絲模及型腔模具拋光、超聲振動切削、難加工材料加工、超聲復合加工和旋轉超聲加工等。超聲加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器（主要為壓電陶瓷換能器）、變幅桿和加工工具等構成。</p><p>　　超聲加工技術作為一種新興

26、技術，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ趪鴥日鹪絹碓蕉嗟闹匾?。目前的發(fā)展方向方面要是超聲振動切削機理研究（對超聲振動切削過程的數(shù)學描述和數(shù)學建模是我國超聲振動技術研究的重要內容）、相關高效實用設備的開發(fā)研制、旋轉超生加工、超聲復合加工技術、微細超聲加工和生物纖維切割技術等[8]。</p><p>　　超聲表面滾壓加工技術</p><p>　　除了材料自身的性能，材料的表面質量對于其使用性能有很大的

27、影響，如表面粗糙度、表面硬度、表面耐蝕性能和抗疲勞性能等。因此通過對材料表面進行特殊處理，改變材料表面形貌、化學組成、微觀結構、組織狀態(tài)或應力分布情況使其獲得特殊使用性能十分必要。隨著金屬材料在不同領域的應用，對金屬表面質量提出了更高的要求，提高金屬表面質量的材料表面改性技術發(fā)展迅速。</p><p>　　5.1 超聲表面滾壓加工技術概述</p><p>　　現(xiàn)有的材料表面改性技術種類繁

28、多，主要依靠三種途徑：表面強烈塑性變形（S2PD）、表面熱處理和高束能表面處理。其中表面強烈塑性變形方法較為傳統(tǒng)，常見的有噴丸強化和滾壓強化。</p><p>　　以上兩種方法的優(yōu)勢在于加工工藝簡單、加工成本低，但是通過這兩種方法所得到的金屬表面質量不高。而超聲表面滾壓加工技術（Ultrasonic surface rolling process，USRP）能夠在材料表面一定厚度實現(xiàn)表面納米化，極大提高材料表面質

29、量。且表面納米化材料的組織沿深度方向呈梯度變化，納米層與非納米層之間沒有明顯的邊界，不易發(fā)生剝離?；诒砻婕{米化的USRP技術已經引起了廣泛關注，具有極大的實用價值和發(fā)展前景。 </p><p>　　超聲表面滾壓加工技術（USRP）是利用超聲沖擊和靜載滾壓結合的方法對零件表面進行處理的一種新型加工技術[10]。該技術可以在金屬表面產生強烈的塑性變形，細化晶粒至納米級，引入殘余壓應力層，極大的降低表面粗糙度，提高表

30、面硬度和疲勞強度[9]。與其他表面強烈塑性變形方法（S2PD）相比具有高效、加工表面質量高、成本低等優(yōu)點，在一定程度上能夠代替磨削加工工藝。</p><p>　　5.2 超聲表面滾壓加工設備和工藝參數(shù)</p><p>　　1 超聲表面滾壓加工設備</p><p>　　超聲表面滾壓加工設備主要由數(shù)字超聲波電源和 USRP 執(zhí)行機構組成。其中數(shù)字超聲波電源主要是

31、指采用數(shù)字化技術實現(xiàn)閉環(huán)控制的逆變式超聲沖擊電源。超生表面滾壓加工執(zhí)行機構主要包括：壓電陶瓷換能器、變幅桿和加工工作頭，此外，配套設備還包括車床和壓縮空氣機等[11]。</p><p>　　2 超聲表面滾壓加工工藝參數(shù)</p><p>　　綜合考慮試件的材質、加工質量要求以及加工效率等因素選擇相應的工藝參數(shù)情況如下：</p><p>　　機床主軸轉速，一般在 1

32、00～600r/min 的范圍內；</p><p>　　工作頭進給量，一般在 0.5～50mm/min 的范圍內；</p><p>　　3) 施加靜壓力，一般在 10～1000N 的范圍內；</p><p>　　4) 加工往返次數(shù)，一般 1～12 次；</p><p>　　5) 工作頭輸出端振幅，一般在 5~25 微米的范圍內；</p&

33、gt;<p>　　6) 加工系統(tǒng)輸出振動頻率，一般為20KHz</p><p>　　7) 工作頭硬質合金球直徑，一般在 2~30mm 的范圍內；</p><p>　　8) 工作頭硬質合金球表面粗糙度，一般0.01~0.02μm；</p><p>　　9) 加工過程使用冷卻液冷卻和潤滑</p><p>　　殘余應力有限元數(shù)值模擬&

34、lt;/p><p>　　6.1 有限元數(shù)值模擬概況</p><p>　　工程實際問題由于其幾何形狀復雜或存在非線性情況，不能通過解析法求得準確結果。相對于解析法，數(shù)值解對方程組限制較少，更易于得到接近實際情況的結果。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)學、力學和計算機技術的結合使得實際問題可以通過數(shù)值模擬技術解決。目前，數(shù)值模擬已成為理論分析和科學試驗之外最主要的科學研究手段?，F(xiàn)有的數(shù)值模擬方法主要包括有

35、限單元法、有限差分法和有限體積法，其中應用最為廣泛的還是有限元法[13]。</p><p>　　有限元法是將問題的求解域劃分為一系列僅靠節(jié)點連接的單元。通過選定的函數(shù)關系和單元節(jié)點量可以得到單元內部點的待求量。由于單元形狀簡單，易于用平衡關系或能量關系建立節(jié)點量之間的方程式。各單元方程“組集”在一起后可以形成總體代數(shù)方程組，計入邊界條件后即可求解方程組。單元劃分越細，計算結果越精確。</p><

36、;p>　　二十一世紀計算機技術高速發(fā)展，其應用遍布各個研究領域，也因此開發(fā)出解決各類工程實際問題的商業(yè)軟件，針對數(shù)值模擬的軟件主要有：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ASKA等。有限元軟件具有強大的前處理和后處理程序，使用方便、計算精度高。通過有限元數(shù)值模擬解決工程實際問題可以極大的節(jié)約設計成本，減少設計和分析的循環(huán)周期，模擬實驗過程并分析實驗結果，同時還能在產品制造前提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，增加產品和工程的可靠性[12]。

37、 </p><p>　　6.2 殘余應力的有限元數(shù)值模擬</p><p>　　超聲表面滾壓加工（USRP）能夠提高材料疲勞強度并抑制應力腐蝕開裂（SCC）的主要原因是在材料表面引入了殘余壓應力層。因此測量被加工材料表面殘余應力對于研究USRP具有重要意義，然而通過實驗方法如X射線衍射法測量殘余應力步驟繁瑣，消耗時間且成本較高。</p><p>　　有限元數(shù)值模擬軟

38、件越來越多的用于滾壓加工過程殘余應力的分析，并取得了較大成果。天津大學王東坡等人使用有限元軟件ABAQUS建立了一個三維有限元模型（FEM）來模擬40Cr的USRP處理過程，并分析了表面塑性變形、應力和應變的模擬結果以評估納米化表面層的形成[14]。其研究表明有限元的數(shù)值模擬結果與實驗測試結果一致，有力的證明了這種有限元仿真能夠有效的預測USRP工藝結果，并得出表面層的納米層尺寸、殘余應力及加工硬化與工藝處理參數(shù)之間的聯(lián)系。王生武等人采

39、用有限元軟件建立了連續(xù)多圈滾壓工藝的有限元數(shù)值仿真模型，并分析了滾壓變形和殘余應力分布情況[15]。劉福超等采用ABAQUS有限元分析軟件開發(fā)了更接近于實際的滾壓模擬模型，并利用采用該模型研究了滾壓力的大小、滾針直徑、表面摩擦系數(shù)等對于殘余應力分布規(guī)律的影響[16]。W. Bouzid Sa¨? · K.Sa¨通過有限元數(shù)值模擬研究了AISI 1042鋼的滾球滾壓過程中表面粗糙度的變化，并預測了殘余應力的分

40、布情況[17]。數(shù)值模擬結果與實驗結果一致，進一步證明有限元數(shù)值模擬能夠有效的分析USRP對管線鋼殘余應力的影響。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 高惠臨,董玉華,周好斌. 管線鋼的發(fā)展趨勢與展望[J]. 焊管. 1999(03)</p><p>　　[2] 鄭磊,傅俊巖. 高等級管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀[

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