1、 1 文献综述 管道运输对于促进石油天然气行业的发展具有重要意义。而发展具有高强度、较高 耐蚀性、良好焊接性的管线钢是管道运输的基础。近年油气勘探越来越深入到环境气候 恶劣的沙漠及海洋地区，对管线钢的性能提出了更高的要求，并因此开发了一系列具有 抗大应变性能的高等级管线钢。 然而伴随着管线钢的大量应用，应力腐蚀开裂（SCC）问题日益凸显，每年给石油 天然气行业带来巨大经济损失。导致应力腐蚀开裂的最主要因素是材料表面残余拉应 力，而超声波表面滚压加工（USRP）作为国内新兴技术能够极大程度的消除表面残余 拉应力，并在材料表面引入残余压应力层。因此针对超声表面滚压加工（USRP）对于 管线钢残余应
2、力影响的研究就十分必要。 实际超声表面滚压加工设备费用较高，测试残余应力方法和步骤也较为繁杂，而通 过有限元数值模拟分析研究残余应力被证明是行之有效的方法，因此采用商业软件 ABAQUS 进一步对 USRP 过程进行有限元数值模拟是一种更为实用有效的办法。 一、 管线钢的发展情况 1.1 管线钢发展趋势 二十一世纪石油天然气工业飞速发展，管线钢的需求量急剧增加，预计未来 10 到 15 年，我国共需各类油气输送干线用钢管约 1000104t3。随着海上油气田、极地油气 田等腐蚀环境油气田的开发，对管线钢的强疲劳性能、韧性、耐蚀性能、抗断裂性能、 焊接性能和强度等性能提出了更高的要求。管线钢的发
3、展在国际上正引起越来越多的重 视。 随着钢铁冶金技术的进步，微合金成分设计、纯净钢冶炼技术以及 TM-CP 轧制技 术使得高性能管线钢的快速发展成为可能2。如今管线钢的设计和生产流程均采用了先 进的计算机控制技术。其发展方向主要有高强度、高韧性管线钢、超纯净管线钢、易焊 管线钢和高抗蚀管线钢1。 1 高强度、高韧性管线钢 主要包括针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢和超细晶粒钢。针状铁素体钢出现于 70 年代，含碳量低于 0.06%，主要成分为 C-Mn-Nb-Mo，其组织为针状铁素体，具有较高 的屈服强度和抗裂纹扩展性能。超低碳贝氏体钢主要成分为 C-Mn-Nb-Mo-B-Ti，组织为 完全贝氏体，
4、具有优良的低温韧性和焊接性，屈服强度可达 700800MPa。超细晶粒钢 2 的有效晶粒尺寸为 13m，具有较强的强韧性。 2 超纯净管线钢 超纯净管线钢含有较少的非金属夹杂物，S、P 等杂质含量远低于其他钢种，避免 了层状撕裂、氢致开裂、热裂纹等缺陷的产生。 3 易焊管线钢 易焊管线钢具有优良的焊接性，可分为焊接无裂纹钢和焊接高热输入钢。其中焊接 无裂纹钢的碳含量约为 0.1%，甚至达到 0.01%。较低的含碳量降低了淬硬性，从而抑制 了冷裂纹的产生。 4 高抗蚀管线钢 高抗蚀管线钢具有较强的抗应力腐蚀和抗氢致裂纹的能力 1.2 高等级管线钢发展状况 为降低管线工程的建设成本，满足特殊环境下
5、管线运输的要求，各国开始针对高等 级管线钢进行设计研究。TMCP、HTP、HOP 等技术的进步推动了高等级管线钢的发展。 目前的高等级管线钢种类主要包括超高强度管线钢、抗大应变管线钢、抗 H2S 管线钢和 海底管线用钢2。 1 超高强度管线钢 目前的超高强度钢主要包括 X100 和 X120 钢。通过提高钢的强度可以显著降低钢 管的壁厚，从而降低运输费用，极大节约经济成本。X100 钢的成分特点为低碳、高锰， 同时含有一定量的铌，具有较高的强度、韧性和良好的焊接性。X120 管线钢的成分在 低碳的同时还加入了硼，采用 TMCP 钢，通过 IDQ（轧制后淬火）获得，具有高强度的 同时还具有高韧性
6、。 2 抗大应变管线钢 在一些地震多发和高寒地区，管线钢极易发生塑性变形。基于此问题，提出了新的 设计管线钢概念 “应变设计法” 。 对管线钢的纵向性能提出了更高的要求。 APIX65X100 抗应变管线钢采用了 HOP（在线热处理工艺）技术代替了传统 TMCP 技术，其显微组 织是铁素体和贝氏体双相显微组织，该组织具有较低的屈强比，从而提高了应变硬化性 能。 3 抗 H2S 管线钢 在酸性环境中管线钢容易发生应力腐蚀开裂（SSCC） 、内部氢致裂纹（HIC）等破 坏。抗 H2S 管线钢具有较高的纯净度，夹杂物含量低，其显微组织为铁素体和贝氏体， 3 因此具有较好的抗 HIC 性能和高韧性。 4 海底管线用钢 海洋环境下的管道运输要求管线钢同时具有高的横向和纵向强度。其中常用钢种为 X65 钢级壁厚管线钢，采用低碳设计，具有高强度和高韧性。 二、 管线钢的应力腐蚀开裂情况 油气管道由于应力腐蚀开裂每年给石油天然气产业带来巨大经济损失， 随着我国油 气管道建设的不断增加，研究如何解决管道应力腐蚀开裂问题十分必要。 2.1 应力腐蚀开裂形成机理 应力腐蚀开
