高溫預(yù)回火對(duì)X80螺旋埋弧焊管性能的影響

劉振偉，王志太，孫志剛，孫 宏，謝玉峰，于振寧

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

高溫預(yù)回火對(duì)X80螺旋埋弧焊管性能的影響

劉振偉，王志太，孫志剛，孫 宏，謝玉峰，于振寧

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

為了改善螺旋埋弧焊管生產(chǎn)工藝，摸索出一套可以提高螺旋埋弧焊管綜合力學(xué)性能的制管工藝，從而在制管過程中進(jìn)一步提高管線鋼的力學(xué)性能。通過調(diào)整和改變X80螺旋埋弧焊管制造工藝，檢測(cè)對(duì)比不同工藝下X80螺旋埋弧焊管的力學(xué)等方面性能，獲得最佳的制管工藝。研究發(fā)現(xiàn)，在X80螺旋埋弧焊管制管工序前，對(duì)卷板進(jìn)行650℃高溫預(yù)回火50 min，可提高抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并降低屈強(qiáng)比，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，焊后焊縫質(zhì)量也有所改善，最終X80螺旋埋弧焊管的綜合力學(xué)性能得到改善。

焊管；X80鋼；螺旋埋弧焊管；屈強(qiáng)比；高溫預(yù)回火

隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，對(duì)管線鋼的需求量在不斷增加，高性能管線鋼以低碳或超低碳針狀鐵素體組織為特征，具有強(qiáng)度高、韌性高、包申格效應(yīng)低和焊接性能良好的特點(diǎn)[1]；屈強(qiáng)比升高意味著材料的形變強(qiáng)化幅度相對(duì)減小，形變強(qiáng)化指數(shù)也相應(yīng)減小，這對(duì)于管線安全是有影響的[2]，因此，用戶在管材的選擇上嚴(yán)格限制了屈強(qiáng)比的范圍。目前，國內(nèi)外對(duì)這一指標(biāo)均有較高要求，如APISPEC 5L對(duì)屈強(qiáng)比要求是：X60，X65，X70和 X80鋼級(jí)擴(kuò)徑管屈強(qiáng)比≤0.93。但在實(shí)際生產(chǎn)中，屈強(qiáng)比偏高的問題在高鋼級(jí)管線鋼中普遍存在，特別是薄規(guī)格的管線鋼，這就給管線鋼管的使用安全性能提出了挑戰(zhàn)。近年來，管線鋼的研究熱點(diǎn)集中在高鋼級(jí)管線鋼的制造工藝HTP（high temperature processing），因其減少或取消了昂貴的Mo和V等元素，降低了冶煉及軋制成本，管線建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益較好，因此，世界多國都在加緊研究高鋼級(jí)HTP管線鋼的工藝技術(shù)[3-7]。本試驗(yàn)材料為HTP工藝軋制X80卷板，通過在鋼管生產(chǎn)過程中引入高溫預(yù)回火熱處理工序，調(diào)整螺旋縫埋弧焊管的生產(chǎn)制管工藝，進(jìn)而改善鋼管力學(xué)性能和安全使用性能。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用螺旋埋弧焊管用X80管線鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 X80管線鋼的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

由于螺旋埋弧焊管制造過程中要經(jīng)過拆卷、矯平、成型、管端擴(kuò)徑和靜水壓等應(yīng)變過程，其總的變形量相當(dāng)于本試驗(yàn)中1%預(yù)變形及220℃下回火5min（該工藝簡寫為1%*220℃*5min）模擬鋼管制造完成后220℃下涂層防腐過程，制管過程和防腐過程相當(dāng)于應(yīng)變時(shí)效過程。本試驗(yàn)加入650℃高溫預(yù)回火50min工序，探討該工序的加入對(duì)X80管線鋼力學(xué)性能的影響。將該工序分別加入制管前（1%預(yù)變形220℃回火5min，該工藝簡寫為1%*650℃*50min*200℃*5min）以及制管后（1%預(yù)變形）涂層防腐之前(220℃下回火5min，該工藝可簡寫為650℃*50min*1%*200℃*5min)兩個(gè)工序時(shí)段，對(duì)比高溫預(yù)回火對(duì)X80管線鋼力學(xué)性能的影響，探索最佳制管工藝。

金屬材料的強(qiáng)化機(jī)構(gòu)可分為固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和組織強(qiáng)化等。為了強(qiáng)化金屬，X80管線鋼冶煉過程中經(jīng)常加入微量Nb，V和Ti等合金元素，這些合金元素可以形成C，N的化合物，在軋制或軋后冷卻中析出起到第二相析出強(qiáng)化作用，同時(shí)高溫回火過程中也會(huì)進(jìn)一步析出，起到析出強(qiáng)化效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫回火后環(huán)向與軸向拉伸性能對(duì)比

考慮到X80螺旋埋弧焊管成型角分別為沿著X80卷板軋向60°角（鋼管軸向）和軋向30°角（鋼管環(huán)向），所以各取3組拉伸試樣，拉伸試試樣數(shù)量為正常取樣的3倍，然后求平均值，拉伸性能平均值如圖1所示。

圖1 高溫回火后環(huán)向與軸向拉伸性能對(duì)比

圖1（a）為650℃高溫預(yù)回火50 min對(duì)螺旋埋弧焊管屈服強(qiáng)度的影響。高溫回火后，軸向和環(huán)向屈服強(qiáng)度均有不同程度的提高，環(huán)向增加了25MPa， 軸向增加15MPa； 圖1（b）為650℃高溫預(yù)回火50min后對(duì)螺旋埋弧焊管抗拉強(qiáng)度的影響，環(huán)向和軸向抗拉強(qiáng)度均有不同程度的提高，其中環(huán)向抗拉強(qiáng)度增加更為明顯，約70MPa，軸向增加28MPa；圖1（c）為650℃高溫預(yù)回火50min后對(duì)螺旋埋弧焊管屈強(qiáng)比的影響，環(huán)向屈強(qiáng)比從0.995下降到0.937，軸向也相應(yīng)由0.965降低到0.949。通過對(duì)比以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，650℃高溫預(yù)回火50min后，兩個(gè)方向上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度的提升，抗拉強(qiáng)度提高幅度更為明顯，因此屈強(qiáng)比顯著降低。

2.2 不同回火工序下拉伸性能對(duì)比

以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，正常工序下X80螺旋埋弧焊管屈強(qiáng)比均較高，鋼管的使用安全性能受到巨大挑戰(zhàn)，為了解決該問題，本研究分別在制管前和制管后回火前進(jìn)行650℃下50min回火工藝，均取環(huán)向拉伸試樣（共3組，每組6根棒狀拉伸試樣）作對(duì)比分析，每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值如圖2所示。

圖2 不同回火工序下拉伸性能對(duì)比

從圖2看出，未進(jìn)行高溫預(yù)回火試樣屈服強(qiáng)度保持在660MPa，抗拉強(qiáng)度也保持在660MPa左右，因此未進(jìn)行高溫回火試樣屈強(qiáng)比接近于1；制管前進(jìn)行650℃下50min回火工藝后，屈服強(qiáng)度較未回火試驗(yàn)有所升高，但抗拉強(qiáng)度升高更為明顯，反應(yīng)在屈強(qiáng)比下降到0.94；制管后防腐前進(jìn)行650℃下50min回火工藝后，屈服強(qiáng)度較未高溫預(yù)回火試樣有所降低，抗拉強(qiáng)度較未高溫預(yù)回火試樣有所升高，反應(yīng)在屈強(qiáng)比下降到0.92，與未高溫預(yù)回火試樣相比，屈強(qiáng)比下降了約0.08，極大地提升了鋼管的安全使用性能。制管前后高溫預(yù)回火工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)：從屈強(qiáng)比的角度考慮，在制管之后高溫預(yù)回火會(huì)得到相對(duì)較低的屈強(qiáng)比，但犧牲了強(qiáng)度；從提高強(qiáng)度的角度考慮，制管之前高溫預(yù)回火會(huì)得到相對(duì)較高的強(qiáng)度，但屈強(qiáng)比相對(duì)較高，但與未回火試樣相比屈強(qiáng)比降低，綜合性能較好。

2.3 高溫預(yù)回火對(duì)母材和焊縫沖擊韌性的影響

分別對(duì)管體和焊縫進(jìn)行高溫回火，以便觀察高溫回火對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。選取母材、母材在650℃下回火50min、焊縫金屬和焊縫金屬在650℃下回火50min四種狀態(tài)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣數(shù)量為正常試樣數(shù)量的3倍，即每種狀態(tài)選取了9條V形缺口試樣，然后取平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，-20℃下夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 -20℃下夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，鋼管母材高溫預(yù)回火后-20℃夏比沖擊功略有下降，但仍然在300 J左右，變化不大。焊縫高溫預(yù)回火-20℃夏比沖擊功有一定程度的提高，高溫預(yù)回火在一定程度上提高了焊縫韌性，總體上看，高溫預(yù)回火對(duì)鋼管管體和焊縫夏比沖擊韌性影響不大。

2.4 落錘撕裂性能

落錘撕裂性能檢驗(yàn)也是采用正常檢驗(yàn)數(shù)量的3倍，即每組6塊落錘沖擊試樣，見表2。從性能上看，剪切面積均為100%，高溫預(yù)回火前后鋼管管體均具有較好的抗裂紋擴(kuò)展能力。

表2 不同工藝下的落錘剪切面積對(duì)比

2.5 金相觀察

分別取1%預(yù)變形220℃下回火5 min和650℃高溫預(yù)回火50 min后，1%預(yù)變形220℃下回火5 min的試樣進(jìn)行金相觀察，回火前后母材和焊縫顯微組織對(duì)比如圖4所示。

從圖4中可以看出，回火前后，母材組織沒有發(fā)生本質(zhì)的變化，仍然以針狀鐵素體為主的組織結(jié)構(gòu)；回火前后，焊縫組織也沒有發(fā)生較大變化，回火前后均呈針狀鐵素體為主的組織結(jié)構(gòu)。

圖4 回火前后母材和焊縫顯微組織對(duì)比

2.6 透射電鏡分析

第二相粒子的大小、形貌及分布對(duì)鋼材的性能均有重要影響。為此本研究采用透射電鏡觀察分析試樣中第二相粒子分布、形貌和大小，并進(jìn)行能譜分析。分別取1%預(yù)變形220℃下回火5 min和650℃高溫預(yù)回火50min后1%預(yù)變形220℃下回火5min試樣，碳復(fù)型后用透射電鏡觀察這兩個(gè)工藝下試樣中析出物變化情況，選取了兩種工藝下的典型位置，具體如圖5所示。

從圖5可以看出，650℃下50min高溫預(yù)回火后，析出物數(shù)量明顯增多，析出物尺寸沒有明顯的變化，650℃高溫促進(jìn)了鋼管管體析出物的大量析出。圖5（c）中可以清晰看出，析出物呈現(xiàn)橢圓形，邊界無棱角，呈現(xiàn)圓滑過渡，析出物能譜分析可見，析出物為Nb的碳化物。微合金元素Nb在鋼中的主要作用是：較低溫度下沉淀析出的尺寸非常細(xì)小的微合金碳氮化物產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化效果[8-10]。在本試驗(yàn)中，X80管線鋼管母材高溫回火導(dǎo)致管體強(qiáng)度的提升與650℃下Nb的析出有較大關(guān)系，再次析出的Nb的碳化物起到了沉淀強(qiáng)化的效果。

2.7 硬度檢驗(yàn)

分別取制管前和制管后回火前650℃下50min高溫預(yù)回火試樣進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，并與未高溫預(yù)回火試樣進(jìn)行對(duì)比，硬度檢測(cè)結(jié)果見表3，測(cè)點(diǎn)位置如圖6所示。硬度的高低直接反映出強(qiáng)度的大小，從硬度上看，650℃下50min高溫預(yù)回火后，1%預(yù)變形220℃下回火5min下硬度明顯高于其他兩個(gè)工藝，這與該工藝下的抗拉強(qiáng)度較高有關(guān)。

圖5 透射電鏡下管體析出物情況

表3 不同工藝下鋼管硬度對(duì)比

圖6 硬度測(cè)定點(diǎn)位置

3 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，高溫預(yù)回火工序促進(jìn)了X80螺旋埋弧焊管管體Nb碳化物的大量析出，起到析出強(qiáng)化的作用，進(jìn)而導(dǎo)致鋼管強(qiáng)度明顯提升，高溫預(yù)回火對(duì)X80螺旋埋弧焊管影響規(guī)律如下：

（1）管體環(huán)向和軸向兩個(gè)方向上，650℃高溫預(yù)回火50min在提高強(qiáng)度的同時(shí)，又能顯著降低屈強(qiáng)比，其中環(huán)向趨勢(shì)更為明顯，其屈強(qiáng)比從0.995降至0.92。

（2）從降低屈強(qiáng)比的角度考慮，制管之后高溫預(yù)回火管體具有相對(duì)較低的屈強(qiáng)比，但犧牲了管體的抗拉強(qiáng)度；從提高強(qiáng)度的角度考慮，制管之前高溫預(yù)回火可獲得較高的強(qiáng)度，但屈強(qiáng)比相對(duì)較高。

（3）高溫預(yù)回火對(duì)母材沖擊韌性影響不大，焊縫韌性略有提升。

（4）3種不同工藝下，鋼管金相組織影響不明顯，鋼管硬度差異較大，650℃高溫預(yù)回火50min后1%預(yù)變形220℃下回火5min硬度最高。

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Influence of High-temperature Pre-tem pering on X80 SAWH Pipe Performance

LIU Zhenwei，WANG Zhitai，SUN Zhigang，SUN Hong，XIE Yufeng，YU Zhenning
（CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062650,Hebei,China)

In order to improve SAWH pipe welding technology,a kind of pipemanufacturing process was developed that can improve the comprehensive mechanical properties,thus in the process of the pipe manufacturing further improve the mechanical properties of pipeline steel.Through adjusting and changing the manufacturing process of X80 SAWH pipe,comparing themechanical properties under different processes conditions,the best pipe manufacturing process was obtained.The research results showed that：before X80 SAWH pipe manufacturing,650 ℃ high temperature pre-tempering 50 min for rolled plate,can improve tensile strength and yield strength,reduce the yield ratio.While further study found thatweld quality also can be improved,in the end the comprehensivemechanical properties of X80 SAWH pipe are enhanced.

welded pipe；X80;SAWH pipe;yield ratio;high temperature pre-tempering

TG457.1

B

1001－3938（2015）11-0020-06

劉振偉（1981—），男，畢業(yè)于北京科技大學(xué)，碩士，工程師，長期從事螺旋埋弧焊管的研發(fā)與理化試驗(yàn)工作。

2015－03－18

李紅麗