基于應變設計的大變形高強管線鋼的發(fā)展

史立強， 牛 輝編譯

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

0 前 言

使用高強管線鋼可以實現(xiàn)氣體的高壓傳輸，從而降低氣體管線的運輸成本。由于長距離的輸氣管道穿過偏遠地區(qū)時會經過不連續(xù)的凍土層，在這種情況下大變形管線鋼要基于應變設計。本研究描述了大變形高強度X80和X100管線鋼基于應變設計的過程。

大變形管線鋼首先要具備一定的止裂性能。基于應變設計有兩個臨界應變極限，一個是拉伸應變極限；另一個是壓縮應變極限。對于拉伸應變極限，當環(huán)焊部分的管線接觸到彎曲壓力時需要一個防止管線鋼破裂的臨界應變值，應考慮到環(huán)焊部分的尺寸缺陷和錯邊，因此必須有一個拉伸應變極限。在縱向上環(huán)形焊縫與母材的高強匹配可以有效的實現(xiàn)高的拉伸應變極限。所以要求母材在熱時效前后有很窄的強度區(qū)間。另一方面，對于臨界應變極限，當管線受到彎曲時需要一個防止管線屈曲的臨界應變。壓縮應變極限與母材的加工硬化率 （n）、屈強比 （Y/T）及均勻延伸率 （UEL）有關系。出于這種考慮，為獲得高的抗壓極限需要母材具有高n、低屈強比和高的均勻延伸率。為了滿足上述基于應變設計的要求，需要抗大變形管線鋼。新日鐵公司已經開發(fā)了基于應變設計的X60到X100大變形管材。以下重點描述X80和X100大變形管線鋼材的設計和發(fā)展。

1 大變形高強管線鋼的合金化設計及工藝過程

大變形管線鋼需要基于應變設計，就需要具有高拉伸應變極限和高壓縮應變極限。據報道，雙相微觀組織的形成可以改善鋼管的可變形性和止裂性能。鐵素體和貝氏體/馬氏體雙相微觀組織或貝氏體和馬氏體奧氏體 （M/A）雙相微觀組織可以改善可變形性，例如，應力比的平衡，將應力比率定義為應變?yōu)?.5%時的流變應力與抗拉強度之比。當貝氏體組織轉變?yōu)殡p相微觀組織的時候抗拉強度有著顯著的改善，當微觀組織轉變成雙相組織的時候屈強比會降低。

雙相微觀組織、帶狀組織和M/A組織的形成對低溫韌性是不利的。對于帶狀組織，由于分離的出現(xiàn)會明顯降低吸收功。當鋼材具有許多M/A組織時，導致脆化區(qū)的形成從而韌脆轉變溫度 （DBTT）急劇下降。相反，當硬的第二相是彌散分布時，其吸收的能量與貝氏體組織接近。因此，良好的彌散雙相微觀組織能有效提高材料的塑性變形行為和低溫韌性。有文獻表明，熱機械軋制工藝 （TMCP）可獲得彌散的雙相組織。若要形成雙相微觀組織，在TMCP過程中有一些條件，如延遲淬火處理 （DLQ）、弱加速冷卻工藝（MAC）以及在（α+β）區(qū)的臨界點之間軋制的兩相區(qū)軋制工藝（DPP）。有觀點認為，弱加速冷卻工藝可以得到很好的雙相彌散組織，從而提高低溫韌性、技術準備和成本收益，因而被采納。

2 X80大變形高強度管線鋼管

X80大變形高強度管線鋼的工業(yè)生產是基于管線鋼材料的變形能力和低溫韌性之間達到良好平衡設計而產生的。工業(yè)上已經生產了壁厚為15 mm，16 mm和22 mm管線鋼。轉爐冶煉出300 t連鑄坯進行再加熱，經過控制軋制和弱加速冷卻制成15 mm，16 mm和22 mm厚的鋼板，隨后進行UOE成型制管。下面對壁厚為15 mm和22 mm的X80管線鋼管進行其力學性能的研究，并研究鋼管在熱時效前后的力學性能和DWTT性能。

2.1 熱時效前后管體縱向的力學性能

圖1（a）是15 mm壁厚X80管線鋼管熱時效前后管體縱向應力－應變曲線。試樣取自距焊縫90°位置，進行再加熱溫度為220℃和240℃，保持5 min，然后空冷。當熱時效溫度為240℃時應力－應變曲線呈圓屋頂曲線，屈服強度定義為載荷下總應變?yōu)?.5%時的應力值。圖1（b）是15 mm壁厚X80管線鋼管的熱時效溫度對其屈強比和均勻延伸率的影響。隨著熱時效溫度的增加，其屈強比也隨之漸漸增加。當熱時效溫度為240℃時，屈強比為0.86～0.88，使其小于0.90很容易實現(xiàn)。當熱時效溫度達到240℃時，可以使均勻延伸率達到6.5%或者更高。圖1（c）為熱時效溫度對應力比的影響。壓縮應變極限與 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0有 關 ，將 σ0.5/σ2.0定 義 為0.5%的屈服應力與2.0%的屈服應力的比值，將σ1.0/σ5.0定義為1.0%的屈服應力與5.0%的屈服應力的比值。當熱時效溫度達到240℃時，可獲得 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0為0.93或更低。結果表明，15 mm壁厚X80管線鋼管經過熱時效后表現(xiàn)出良好的可變形性。

圖2（a）所示為22 mm壁厚X80管線鋼管在熱時效前后管體縱向應力－應變曲線。當熱時效溫度為240℃時，應力－應變曲線呈圓屋頂。屈服強度定義為低于荷載的0.5%。圖2（b）所示是22 mm壁厚X80管線鋼的熱時效溫度對屈強比和均勻延伸率的影響。隨著熱時效溫度的增加，其屈強比也隨之漸漸增加。屈強比會隨著熱時效溫度達到240℃時達到0.80～0.82，使其低于0.85很容易達到。當熱時效溫度達到240℃后，均勻延伸率可以達到7%或更高。圖2（c）是熱時效溫度對應力比的影響。當時效溫度達到240℃時， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可達0.90或者更低， 從而表明經過熱時效后的22 mm厚X80管線鋼管具有良好的可變形性。

圖1 15mm壁厚X80管線鋼管縱向試樣力學性能

圖2 22mm壁厚X80管線鋼管縱向試樣力學性能

2.2 微觀組織

研究大變形X80管線鋼管的微觀組織是為了確定其是否由雙相組織構成。圖3所示是壁厚為15 mm以及22 mm的X80管線鋼管壁厚中部的掃描電鏡 （SEM）照片。兩種管材都是由良好的鐵素體＋貝氏體雙相組織構成，鐵素體的平均晶粒尺寸為5 μm。這種貝氏體是由貝氏體鐵素體和微量的M/A組成。大變形管線鋼經過熱時效后能夠形成良好的鐵素體貝氏體雙相組織，從而可以得到優(yōu)越的DWTT剪切面積。

圖3 不同壁厚X80管線鋼管壁厚中部掃描電鏡照片

2.3 落錘撕裂試驗 （DWTT）性能

圖4 不同壁厚X80管線鋼管的DWTT轉變曲線

研究鋼管的DWTT壓制缺口 （PN－DWTT）性能是為了進一步研究X80管線鋼管的止裂性能。圖4所示為壁厚為15 mm和22 mm的X80管線鋼管的DWTT轉變曲線。通過對其DWTT斷口形貌分析可知，15 mm壁厚X80管線鋼管在-50℃時可以實現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%，22 mm壁厚X80管線鋼管在-40℃下可以實現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%。當斷裂剛剛發(fā)生在凹槽下時，DWTT的斷裂形貌立刻從脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂。在這些DWTT試樣中有少量的分離溝形成。

3 X100大變形高強管線鋼管

目前，已經可以生產厚度為14 mm，16 mm及20 mm的X100管線鋼板。一個LD轉爐可以融化300 t連續(xù)鋼錠，對其進行再加熱和控制軋制、弱加速冷卻得出14 mm，16 mm和20 mm厚的鋼板，隨后進行UOE成型制管。下面對壁厚為16 mm和20 mm的X100管線鋼管的力學性能進行研究，并研究鋼管在熱時效前后的力學性能和DWTT性能。

3.1 熱時效前后管體縱向的力學性能

圖5（a）是16 mm壁厚X100管線鋼管熱時效前后管體縱向的應力－應變曲線。取樣是據焊縫位置90°管母試樣，再加熱到220℃和240℃，保溫5 min，然后空冷。在熱時效溫度達到240℃時其應力－應變曲線呈圓屋頂。屈服強度定義為荷載下應變量為0.5%時的值。圖5（b）是熱時效溫度對壁厚16 mm的X100管線鋼管屈強比和均勻延伸率的影響曲線。屈強比隨著熱時效溫度的增加而逐漸增加。當熱時效溫度為240℃時屈強比為0.82～0.85，使其小于0.90很容易實現(xiàn)。當熱時效溫度達到240℃時，均勻延伸率達到5%或者更高。圖5（c）是熱時效溫度對屈強比的影響。當時效溫度達到240℃時， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可達0.92或者更低。結果表明，壁厚為16 mm的X100管線鋼管經過熱時效后表現(xiàn)出優(yōu)越的可變形性。

圖5 壁厚16 mm X100管線鋼管縱向試樣力學性能

圖6（a）是20 mm壁厚X100管線鋼管管體縱向熱時效前后的應力－應變曲線。在熱時效溫度達240℃時，應力－應變曲線呈圓屋頂。圖6（b）是熱時效溫度對20 mm壁厚X100管線鋼管屈強比和均勻延伸率的影響。屈強比隨著熱時效溫度的增加而逐漸增加。當熱時效溫度為240℃時，屈強比為0.82～0.86，使其小于0.90很容易實現(xiàn)。當熱時效溫度達240℃時，可以使均勻延伸率達5%或者更高。圖6（c）是熱時效溫度對應力比的影響。當時效溫度達240℃時， 使 σ0.5/σ2.0和σ1.0/σ5.0低于0.93。結果表明，20 mm壁厚X100管線鋼管經過熱時效后表現(xiàn)出優(yōu)越的可變形性。

圖6 壁厚20 mm X100管線鋼管縱向試樣力學性能

3.2 微觀組織

研究抗大變形X100管線鋼管的微觀組織是為了確定其是否形成了雙相組織。圖7分別是壁厚為16 mm和20 mm的X100管線鋼管壁厚中部的掃描電鏡照片。兩種鋼管都是由良好的鐵素體貝氏體雙相組織構成。鐵素體平均晶粒尺寸為5 μm。這種貝氏體由貝氏體鐵素體和微量的M/A組成。大變形管線鋼經過熱時效后形成良好的鐵素體貝氏體雙相組織，從而可以得到優(yōu)越的DWTT剪切面積。

圖7 不同壁厚X100管線鋼管壁厚中部掃描電鏡照片

3.3 落錘撕裂試驗性能

研究鋼管的DWTT壓制缺口試樣 （PNDWTT）性能是為了研究X100管線鋼管的止裂性能。圖8分別是壁厚為16 mm和20 mm的X100管線鋼管的DWTT轉變曲線。通過對其DWTT斷口形貌分析可知，16 mm壁厚X100管線鋼管在-50℃時可以實現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%，20 mm壁厚X100管線鋼管在-40℃下可以實現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%。當斷裂剛剛發(fā)生在凹槽下時DWTT的斷裂形式立刻從脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂。在這些DWTT試樣中有少量的分離溝形成。

圖8 管線鋼管的DWTT轉變曲線

表1 大變形X80和X100管線鋼管的力學性能

基于應力－應變設計的大變形X80和X100管線鋼管的力學性能見表1。當熱時效前或溫度達到240℃時，X80和X100管線鋼管的應力－應變曲線呈現(xiàn)為圓屋頂狀，屈強比會低于0.9。其中X80管線鋼管的均勻延伸率可以達到6%或更高，X100管線鋼管會達到5%或更高。X80和X100管線鋼管的 σ0.5/σ2.0會低于0.94， σ1.0/σ5.0低于0.93。就低溫韌性來講，X80和X100管線鋼管在-40℃時其DWTT剪切面積會大于85%。因此，X80和X100管線鋼經過熱時效后可以實現(xiàn)優(yōu)越的可變形性和低溫韌性。

4 結 論

（1）雙相組織有效改善了管材的可變形性，細小彌散的雙相組織也有效地提高了塑性變形能力和低溫韌性。因此，應用細小彌散的雙相組織可以制造具有優(yōu)越低溫韌性的抗大變形管線鋼。

（2）目前已生產的X80和X100管線鋼管，在熱時效后具有優(yōu)越的可變形性和低溫韌性。