大變形管線鋼的研究和開發(fā)*

高惠臨，張驍勇

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065）

0 前 言

近年來，為了適應(yīng)管道的大位移環(huán)境，在管道材料方面進(jìn)行了大變形管線鋼的研制和開發(fā)[1-8]。所謂大變形管線鋼是一種為適應(yīng)管道大位移服役環(huán)境，在拉伸、壓縮和彎曲載荷下具有較高極限應(yīng)變能力和延性斷裂抗力的管道材料，可適應(yīng)需承受位移控制載荷的耐受大變形管道，如通過地震帶、沉陷帶、凍土帶和滑坡帶等容易產(chǎn)生地層移動的地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的管道、海洋管道和具有大跨距的懸空管道等。大變形管線鋼在滿足高強(qiáng)度、高韌性的前提下具有較低的屈強(qiáng)比、較高的均勻伸長率和形變強(qiáng)化指數(shù)，因而這種管線鋼既可滿足管線高壓、大流量輸送的強(qiáng)度要求，又可滿足防止裂紋起裂和止裂的韌性要求，同時(shí)又具有防止管線因大應(yīng)變而引起的屈曲、失穩(wěn)和延性斷裂的極限變形能力。因此，大變形管線鋼是管道工程發(fā)展的迫切需要，也是傳統(tǒng)油氣輸送管線鋼的一種重要補(bǔ)充和發(fā)展，是目前國內(nèi)外管道工程界和冶金界最活躍的研究領(lǐng)域之一。

大變形油氣輸送管線鋼是近年來興起的新一代管線鋼，其發(fā)展歷史不長。雖然1981年就有雙相鋼在管線中應(yīng)用的報(bào)道[9]，然而真正的大變形管線鋼出現(xiàn)在21世紀(jì)初。繼1995年日本神戶7.2級地震之后，1999年在土耳其的伊茲米特發(fā)生了7.4級地震和在臺灣南投發(fā)生了7.4級地震，這些地震災(zāi)害對埋地管線的損傷引起了人們的注意，直接促進(jìn)了大變形管線鋼的發(fā)展。2000年日本NKK公司的貝氏體+鐵素體（B+F）大變形管線鋼在地震區(qū)首次應(yīng)用[10]。2002年一種HOP裝置在日本JFE公司安裝，首次開發(fā)出了貝氏體+馬氏體/奧氏體（B+M/A）大變形管線鋼[4,11]。之后，在加拿大、美國阿拉斯加等地穿越凍土地區(qū)管線建設(shè)的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了大變形管線鋼的發(fā)展[6-8]。在西氣東輸二線工程之前，我國尚不具備大變形管線鋼的生產(chǎn)能力，西氣東輸二線工程所需的大變形鋼管全部進(jìn)口。近幾年由于西氣東輸三線和中緬管線等工程的推動，我國大變形管線鋼的研究和開發(fā)有了明顯的進(jìn)展。

1 大變形管線鋼產(chǎn)生的工程背景

1.1 管道服役環(huán)境的需要

表1 地震及地層運(yùn)動中的地層應(yīng)變與管道應(yīng)變

從最初的工業(yè)管道至今，油氣管線建設(shè)已經(jīng)歷了兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。早期的管線離中心城市較近，地理環(huán)境和社會依托條件都較優(yōu)越。如今，新發(fā)現(xiàn)的油田大都在邊遠(yuǎn)地區(qū)和地理、氣候條件惡劣的地帶。隨著油氣輸送管線向極地、海洋和地質(zhì)非穩(wěn)定區(qū)域的延伸，油氣管線面臨著滑坡、泥石流、大落差地段、移動地層、洋流、凍土和地震等大位移環(huán)境的威脅。表1顯示了在地震及地層運(yùn)動中引起的地層應(yīng)變與管道應(yīng)變[2]。由于地層移動等原因引起管線局部屈曲和斷裂問題，已成為在地震及地層運(yùn)動等大位移環(huán)境中油氣管線失效的主要形式。

為適應(yīng)管道的這種大位移環(huán)境，大變形管線鋼應(yīng)運(yùn)而生。大變形管線鋼的基本要求是在拉伸、壓縮和彎曲載荷下具有抵抗屈曲、失穩(wěn)和延性斷裂的較高極限應(yīng)變能力，以適應(yīng)需承受位移控制載荷的大變形管道。大變形管線鋼的極限應(yīng)變能力可以采用運(yùn)行管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法確定，例如加拿大的Machennie Valley輸氣管道的設(shè)計(jì)拉伸極限應(yīng)變?yōu)?%～2%，彎曲極限應(yīng)變?yōu)?%～1.5%；俄羅斯薩哈林島至日本的海底輸氣管道的極限拉伸應(yīng)變?yōu)?%；海洋管道在敷設(shè)過程中極限軸向應(yīng)變?yōu)?%～3%；我國管道設(shè)計(jì)規(guī)范SY/T 0450―2004中規(guī)定相當(dāng)于X80鋼材的拉伸極限應(yīng)變?yōu)?%。通過地震及地層運(yùn)動中的管道可以參考表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行管道極限應(yīng)變的設(shè)計(jì)。

1.2 高強(qiáng)度管線鋼發(fā)展的需要

研制和開發(fā)大變形管線鋼的另一個(gè)重要原因是高強(qiáng)度管線鋼發(fā)展的必然需求。在過去10～20年內(nèi)，隨著石油和天然氣長輸管線向高壓、大直徑方向的發(fā)展，通過微合金化、超純凈冶煉和現(xiàn)代控軋控冷技術(shù)的實(shí)施，管線鋼的強(qiáng)韌性水平得到了很大提高。經(jīng)過20余年的發(fā)展，X80管線鋼已逐步成為一種適用于高壓、大輸量管道的成熟鋼種。X100和X120管線鋼也相繼研制成功，正在進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。在研制和開發(fā)這種高級別管線鋼的實(shí)踐中，人們注意到，采用控軋控冷技術(shù)制造的以針狀鐵素體為組織特征的微合金化高強(qiáng)度管線鋼，其屈服強(qiáng)度的增幅明顯大于抗拉強(qiáng)度的增幅，因而這種以針狀鐵素體為組織特征的管線鋼有較高的屈強(qiáng)比（如圖1所示）。當(dāng)管線鋼從X65發(fā)展到X100時(shí)，管線鋼的屈強(qiáng)比從0.80增加至 0.90～0.93 或以上[1，8，12]。過高的屈強(qiáng)比導(dǎo)致鋼管的環(huán)向應(yīng)變減小，從而對管道結(jié)構(gòu)在大位移環(huán)境中的安全服役造成危害（研究[1,12]表明，當(dāng)管道累積塑性應(yīng)變超過2%時(shí)，要求管線鋼的屈強(qiáng)比不應(yīng)超過0.85，否則損害管道服役安全）。與此同時(shí)，屈強(qiáng)比的增加使得材料的均勻伸長率和形變強(qiáng)化指數(shù)降低（如圖2和圖3所示[1]）。另外，鋼管的變形能力隨著鋼管結(jié)構(gòu)尺寸D/t的增加而降低。由于高強(qiáng)度管線鋼的使用，鋼管的管壁減薄，進(jìn)一步限制了管線鋼管的極限塑性變形能力。因此，以雙相組織為組織特征，以較低屈強(qiáng)比、高的均勻伸長率和形變強(qiáng)化指數(shù)為性能特征的大變形管線鋼的興起已成為普通高強(qiáng)度管線鋼的重要補(bǔ)充和發(fā)展，是管道結(jié)構(gòu)安全服役，尤其是在大位移環(huán)境中應(yīng)變控制載荷下的安全服役的必然趨勢。

圖1 不同強(qiáng)度級別管線鋼的屈強(qiáng)比

圖2 管線鋼均勻伸長率與屈強(qiáng)比的關(guān)系

圖3 管線鋼形變強(qiáng)化指數(shù)與屈強(qiáng)比的關(guān)系

2 大變形管線鋼的性能特征

普通管線鋼關(guān)注的是屈服強(qiáng)度等少量的性能參數(shù)，而大變形管線鋼則有更多的性能要求，主要有：

2.1 拱形或連續(xù)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖4為管線鋼在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，有呂德斯伸長型（luders elongation型）和拱形（round house型）兩種形態(tài)。與一般管線鋼不同，大變形管線鋼具有典型的拱型或連續(xù)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，其特點(diǎn)是：①無明顯物理屈服點(diǎn)和屈服伸長；②應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈平滑的拱型，表現(xiàn)為連續(xù)屈服現(xiàn)象，表明材料有低的包申格效應(yīng)；③呈現(xiàn)高的應(yīng)變硬化傾向，表明材料有高的形變強(qiáng)化能力和低的屈強(qiáng)比；④在應(yīng)力－應(yīng)變曲線的最大載荷附近有一個(gè)平坦區(qū)，覆蓋了較高的應(yīng)變范圍，表明材料有大的均勻形變能力。

圖4 管線鋼兩種應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 特定的性能指標(biāo)

大變形管線鋼的主要性能特征是在保證高強(qiáng)韌性的同時(shí)，要求滿足某些特定的塑性變形性能指標(biāo)，如具有低的屈強(qiáng)比（Rt0.5/Rm≤0.85），高的均勻伸長率（AU≥8%）和高的形變強(qiáng)化指數(shù)（n≥0.12）等。

圖5為鋼管環(huán)向應(yīng)變與管線鋼屈強(qiáng)比的關(guān)系，圖6為鋼管屈曲應(yīng)變與管線鋼形變強(qiáng)化指數(shù)的關(guān)系。從圖5和圖6可以看出[1,11,13]，當(dāng)管線鋼的屈強(qiáng)比增加或形變強(qiáng)化指數(shù)減小時(shí)，管道結(jié)構(gòu)所允許的環(huán)向應(yīng)變或屈曲應(yīng)變減小。研究表明，在單軸加載條件下，當(dāng)管線鋼管的屈強(qiáng)比超過0.93時(shí)，其均勻應(yīng)變率很快降低到理論值以下。由此可見，過高的屈強(qiáng)比以及過低的形變強(qiáng)化指數(shù)損傷了材料的均勻形變?nèi)萘亢拖拗屏瞬牧系臉O限塑性變形能力。

圖5 鋼管環(huán)向應(yīng)變與管線鋼屈強(qiáng)比的關(guān)系

圖6 鋼管屈曲應(yīng)變與管線鋼形變強(qiáng)化指數(shù)的關(guān)系

2.3 焊接高匹配能力

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度管道要求采用焊縫的高強(qiáng)匹配。這是由于在地震和永久凍土等大位移環(huán)境中，對管道的基本要求是在拉伸、壓縮和彎曲狀態(tài)下避免屈曲、失穩(wěn)和延性斷裂的極限應(yīng)變能力。采用高強(qiáng)匹配可避免裂紋在焊縫產(chǎn)生而導(dǎo)致管線過早失效。為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度管線鋼的高匹配，對管線鋼屈服強(qiáng)度的上限偏差、焊接材料和工藝的選擇以及現(xiàn)場焊接施工提出了更嚴(yán)格的要求。大變形管線鋼通常要求焊接匹配度為1.05～1.10。

2.4 縱向拉伸性能

環(huán)向強(qiáng)度決定了管道的承壓能力，縱向強(qiáng)度不直接影響承壓能力。因而在普通管道的應(yīng)力設(shè)計(jì)中，通常只對橫向拉伸性能提出要求。

然而，基于應(yīng)變的大變形管道需同時(shí)考慮管道承受輸送壓力和承受由于大位移環(huán)境而發(fā)生變形的問題，所以需要同時(shí)重視鋼管的環(huán)向和縱向的應(yīng)力－應(yīng)變性能。通常認(rèn)為，在基于應(yīng)變的大變形管道中，縱向拉伸性能控制著管道的形變能力。

2.5 抗應(yīng)變時(shí)效能力

應(yīng)變時(shí)效是油、氣鋼管在制造、施工和運(yùn)行過程中的一個(gè)特殊問題，尤其是鋼管防腐涂層的帶溫作業(yè)加速了應(yīng)變時(shí)效過程，使管線鋼的屈強(qiáng)比升高，塑性水平和變形能力降低。應(yīng)變時(shí)效產(chǎn)生的原因主要?dú)w結(jié)于管線鋼固溶于α-Fe中的C和N等間隙原子在位錯(cuò)等晶體缺陷處的富聚和對位錯(cuò)的釘軋作用。研究表明，B+M/A大變形管線鋼在HOP過程中，由于位錯(cuò)密度的降低和碳化物的析出，使管線鋼管的抗應(yīng)變時(shí)效能力明顯提高。

3 大變形管線鋼的組織特征和增塑機(jī)制

現(xiàn)代普通高強(qiáng)度管線鋼的組織為針狀鐵素體（或稱為貝氏體）。典型針狀鐵素體的光學(xué)顯微組織如圖7所示。針狀鐵素體對材料性能的貢獻(xiàn)首先歸結(jié)于其多位向的析出形態(tài)。在一個(gè)原奧氏體晶粒內(nèi)可形成多個(gè)不同的取向、具有大角度晶界的板條束。由于針狀鐵素體尺寸參差不齊，彼此交錯(cuò)分布，使材料具有較小的有效晶粒尺寸。同時(shí)，在針狀鐵素體內(nèi)具有細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)。從奧氏體向針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變過程是一種共格切變過程，轉(zhuǎn)變過程中局部地區(qū)位錯(cuò)發(fā)生偏聚、纏結(jié)而成為亞晶。正由于針狀鐵素體的亞晶結(jié)構(gòu)和內(nèi)部較高密度的可動位錯(cuò)，使針狀鐵素體具有良好的強(qiáng)韌性。然而，這種單一針狀鐵素體的組織形態(tài)使普通管線鋼不具備大變形的能力。

圖7 普通管線鋼的光學(xué)顯微組織

與普通管線鋼的組織結(jié)構(gòu)不同，大變形管線鋼的主要組織特征是雙相組織。雙相大變形管線鋼不同于傳統(tǒng)的管線鋼，也不同于一般意義上的雙相鋼。它通過低碳、超低碳的多元微合金化設(shè)計(jì)和特定的控制軋制和加速冷卻技術(shù)，在較大的厚度范圍內(nèi)分別獲得B+F和B+M/A雙相組織。圖8（a）為B+F大變形管線鋼典型的SEM顯微組織，圖8（b）為B+M/A大變形管線鋼典型的SEM顯微組織。在B+F雙相組織中，黑色基體為F，白色塊狀為B；在B+M/A雙相組織中，黑色基體為B，白色塊狀為M/A。由于SEM放大倍數(shù)的限制，難以分辨B的板條。

圖8 大變形管線鋼的SEM顯微組織

在B+F雙相組織中，F(xiàn)為軟相，B為硬相；在B+M/A雙相組織中，B為軟相，M/A為硬相。通常，在雙相組織中，軟相保證屈服強(qiáng)度，硬相提供抗拉強(qiáng)度，軟相和硬相間的協(xié)調(diào)作用賦予材料高的形變能力。

B+F和B+M/A雙相組織對變形能力的作用可用位錯(cuò)塞積模型進(jìn)行分析。在外加應(yīng)力的驅(qū)動下，由于晶粒取向不同，與外力取向差小的軟相首先滑移，并隨后開動相鄰晶粒中的位錯(cuò)源或使不動位錯(cuò)變?yōu)榭蓜游诲e(cuò)，產(chǎn)生變形初期的屈服延伸。當(dāng)位錯(cuò)遇到強(qiáng)度較高的硬相時(shí)，軟相處產(chǎn)生的應(yīng)力集中達(dá)到硬相形變所需應(yīng)力，將使得硬相發(fā)生屈服，并使得軟相應(yīng)力集中得到釋放，推遲了頸縮的形成，使斷裂不易發(fā)生。因此，由于硬相強(qiáng)度高而使得材料流變應(yīng)力增加，在進(jìn)一步的變形過程中由硬相提供抗拉強(qiáng)度，致使材料的屈強(qiáng)比降低。同時(shí)斷裂前的相對變形量較大，表現(xiàn)為均勻伸長率增加[14]。因而雙相組織具備了大變形的能力，可以防止地震和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害對管道造成的損害。圖9[11]為普通管線鋼與大變形管線鋼的屈曲應(yīng)變曲線。從圖9可以看出，與普通管線鋼相比，B+F和B+M/A雙相組織的大變形管線鋼具有高的屈曲應(yīng)變。

圖9 普通管線鋼與大變形管線鋼的屈曲應(yīng)變對比

4 大變形管線鋼的形成原理和方式

4.1 B+F大變形管線鋼

B+F大變形管線鋼可以通過圖10所示的方法獲取[1]，具體如下：

（1）適度加速冷卻方法（MAC，mild accelerated cooling）。如圖10曲線（1）所示，在管線鋼TMCP的加速冷卻過程中，冷卻速率曲線先后穿越F和B相變區(qū)。通過冷卻速率的選擇和控制，在適度的冷卻速率下獲取B+F雙相組織。

（2）雙相區(qū)加速冷卻方法（DPAC，dual phase accelerated cooling）。如圖 10曲線（2）所示， 在管線鋼TMCP的加速冷卻過程中，加速冷卻的開始溫度（始冷溫度）位于（Ar3～Ar1）雙相區(qū)。通過始冷溫度的選擇和控制，可以獲取不同體積分?jǐn)?shù)的B+F雙相組織。

（3）延遲加速冷卻方法（DAC，delayed accelerated cooling）。如圖10曲線（3）所示，在管線鋼TMCP的加速冷卻過程中，加速冷卻的開始溫度（始冷溫度）位于（Ar1～BS）溫度區(qū)間。通過始冷溫度的選擇和控制，可以獲取不同體積分?jǐn)?shù)的B+F雙相組織。

圖10 B+F大變形管線鋼的形成方式

在采用雙相區(qū)加速冷卻方法和延遲加速冷卻方法時(shí)，為獲得B+F雙相組織，加速冷卻的開始溫度（始冷溫度）應(yīng)低于Ar3。圖11[11]表示始冷溫度對雙相組織體積分?jǐn)?shù)的影響。當(dāng)始冷溫度高于Ar3時(shí)，B的體積分?jǐn)?shù)為100%，為單相組織；當(dāng)加速冷卻的始冷溫度低于Ar3，開始形成B+F雙相組織。控制始冷溫度與Ar3的差值，可獲取具有不同體積分?jǐn)?shù)的B+F，從而有效地控制材料的變形性能。圖12為屈強(qiáng)比和形變強(qiáng)化指數(shù)與貝氏體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖12可以看出，在B+F雙相組織中，隨著貝氏體體積分?jǐn)?shù)的增加，材料的屈強(qiáng)比降低，形變強(qiáng)化指數(shù)增加。

在采用MAC，DPAC和DAC等工藝方法形成的B+F雙相組織中，由于奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的切變過程和體積膨脹，誘發(fā)鄰近貝氏體周圍的鐵素體產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)。同時(shí)，由于預(yù)先析出的鐵素體對原奧氏體的分割作用，促使貝氏體板條更加短小細(xì)密。這種較高位錯(cuò)密度F和細(xì)小B的雙相組織結(jié)構(gòu)賦予材料高的強(qiáng)韌特性和大的變形能力。一種X100管線鋼采用傳統(tǒng)TMCP，MAC，DPAC和DAC等不同工藝后的力學(xué)性能見表2。由此可見，與普通管線鋼相比，經(jīng)MAC，DPAC和DAC工藝獲得的管線鋼有更優(yōu)良的變形能力。

圖11 始冷溫度對貝氏體體積分?jǐn)?shù)的影響

圖12 屈強(qiáng)比和形變強(qiáng)化指數(shù)與貝氏體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

表2 B+F雙相組織X100管線鋼與普通X100管線鋼的力學(xué)性能對比

4.2 B+M/A大變形管線鋼

在線配分(HOP，heating on-line partitioning)技術(shù)是本世紀(jì)初由日本JFE公司開發(fā)出的一種新的工藝方法。通過在線配分處理，管線鋼可獲得B+M/A復(fù)相組織，從而使管線鋼獲得大變形能力。

圖13是應(yīng)用HOP技術(shù)生產(chǎn)B+M/A大變形管線鋼的原理圖。該技術(shù)包括3步工藝過程：①在TMCP的加速冷卻過程中，在貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度與終止溫度之間停止加速冷卻，使部分未發(fā)生相變的過冷奧氏體保留；②加速冷卻后，應(yīng)用在線加熱裝置進(jìn)行在線配分處理，在配分處理過程中，貝氏體中的C擴(kuò)散配分至未轉(zhuǎn)變的奧氏體，使C在未轉(zhuǎn)變的奧氏體中富聚，促使未轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性提高；③在線加熱后空冷，在空冷過程中，富C過冷奧氏體大多未發(fā)生轉(zhuǎn)變，少量轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成細(xì)小均勻的M/A組元。在線配分的最終組織為B+M/A，其中M/A的體積分?jǐn)?shù)由材料的成分、加速冷卻過程和在線加熱條件決定。研究表明，當(dāng)M/A體積分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，可獲得屈強(qiáng)比0.80以下的大變形管線鋼。

圖13 HOP技術(shù)原理圖[15]

圖14是管線鋼的傳統(tǒng)TMCP與HOP工藝對比示意圖。采用傳統(tǒng)的TMCP工藝時(shí)，鋼板經(jīng)歷控軋、加速冷卻至貝氏體轉(zhuǎn)變終止溫度后空冷。而采用HOP工藝時(shí)，鋼板控軋、加速冷卻至貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度與終止溫度之間后，立即通過感應(yīng)線圈進(jìn)行快速熱處理，通過控制相變可獲得較多的M/A組元，同時(shí)有較多的殘余奧氏體形成和碳化物析出，使得管線鋼具有優(yōu)異的變形性能和較高的抗應(yīng)變時(shí)效性能，這是傳統(tǒng)TMCP工藝不能達(dá)到的。實(shí)際生產(chǎn)過程還表明，通過HOP工藝可使鋼板在厚度方向、縱向和橫向獲得均勻的力學(xué)性能，使得大規(guī)模生產(chǎn)鋼板的力學(xué)性能分散度更小。

圖14 傳統(tǒng)TMCP與HOP工藝的對比

在采用HOP技術(shù)形成B+M/A雙相組織時(shí)，通過終冷溫度、配分溫度和加速冷卻速度的調(diào)整和控制，可以獲得不同形態(tài)和不同體積分?jǐn)?shù)的M/A，從而有效地控制材料的變形性能。圖15為屈強(qiáng)比與M/A體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線，圖16為形變強(qiáng)化指數(shù)與M/A體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。從圖15和圖16可以看出，隨著M/A體積分?jǐn)?shù)的增加，材料的屈強(qiáng)比降低，形變強(qiáng)化指數(shù)增加。

圖15 屈強(qiáng)比與M/A體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖16 形變強(qiáng)化指數(shù)與M/A體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

表3 B+M/A組織X80管線鋼與普通X80管線鋼的力學(xué)性能對比

管線鋼經(jīng)HOP工藝后所形成的多位向的貝氏體和貝氏體基體上分布著細(xì)小的M/A組元，保證了材料具有較高的強(qiáng)度。同時(shí)，由于殘余奧氏體的形成和貝氏體基體的回火軟化，使得材料具有了良好的塑性變形能力。一種X80管線鋼采用傳統(tǒng)TMCP工藝和HOP工藝后的力學(xué)性能見表3。由表3可見，與普通管線鋼相比，經(jīng)HOP工藝獲得的大變形管線鋼有更優(yōu)良的變形能力。

綜上所述，HOP技術(shù)可使管線鋼獲得優(yōu)良的大變形能力。然而，這種等溫配分技術(shù)必須在控軋、控冷的生產(chǎn)線上配備在線加熱裝置，從而增加了生產(chǎn)的難度和產(chǎn)品的成本。鑒于此，正在研制和開發(fā)一種新的HOP技術(shù)，即利用管線鋼板卷在控軋、控冷卷取過程中的余熱進(jìn)行非等溫的在線卷取連續(xù)冷卻配分。

在線卷取連續(xù)配分的原理如圖17所示。管線鋼經(jīng)控軋后加速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（Bs）和終止溫度（Bf）之間的卷取溫度， 產(chǎn)生適量的貝氏體和奧氏體。隨后以卷取冷卻速度進(jìn)行緩慢冷卻至室溫的非等溫配分處理。在卷取連續(xù)緩慢冷卻過程中，貝氏體中的碳向奧氏體擴(kuò)散，使未轉(zhuǎn)變奧氏體富碳。富碳奧氏體在繼續(xù)冷卻中形成M/A組元，最終獲取B+M/A雙相組織。

圖17 在線卷取連續(xù)配分工藝

在利用管線鋼板卷在控軋、控冷的卷取余熱進(jìn)行非等溫的連續(xù)冷卻配分過程中，碳配分的終冷溫度和配分溫度這兩個(gè)重要參數(shù)由卷取溫度來表征和控制。卷取溫度既是終冷溫度，通過卷取溫度的控制，獲取貝氏體和配分前的奧氏體；同時(shí)卷取溫度又作為初始配分溫度，在卷取連續(xù)冷卻配分過程中實(shí)現(xiàn)碳的在線配分。已有的研究表明，卷取的余熱足以保證碳自貝氏體向奧氏體的擴(kuò)散和碳在奧氏體中的均勻化[16]，滿足了在卷取過程中產(chǎn)生B+M/A雙相組織的要求。

5 結(jié) 論

（1）大變形管線鋼產(chǎn)生的工程背景是基于管道的大位移環(huán)境和高強(qiáng)度管線鋼發(fā)展的需要。

（2）大變形管線鋼的主要性能特征是在保證高強(qiáng)韌性的同時(shí)，具有連續(xù)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線、特定的性能指標(biāo)、焊接高匹配能力、優(yōu)良的縱向拉伸性能和抗應(yīng)變時(shí)效能力。

（3）大變形管線鋼的組織特征為B+F和B+M/A雙相組織。

（4）通過適度加速冷卻、雙相區(qū)加速冷卻和延遲加速冷卻方法，可以獲取B+F大變形管線鋼。細(xì)小的B和較高位錯(cuò)密度的F賦予材料高的強(qiáng)韌特性和大的變形能力。

（5）通過在線配分技術(shù)，可以獲取B+M/A大變形管線鋼。多位向的貝氏體和細(xì)小的M/A組元，保證了材料具有較高的強(qiáng)度；殘余奧氏體的形成和貝氏體基體的回火軟化，使得材料具有良好的韌性和塑性變形能力。

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