熱處理工藝對X100管線用無縫鋼管組織性能的影響

黃電源，張軼倫，昝啟飛

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001）

熱處理工藝對X100管線用無縫鋼管組織性能的影響

黃電源，張軼倫，昝啟飛

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001）

采用不同淬火和回火工藝，進行X100鋼級管線用無縫鋼管的系列熱處理試驗，研究淬火溫度和回火溫度對其組織性能的影響。試驗結果表明：X100鋼級管線用無縫鋼管在930℃淬火時能夠完全奧氏體化，并獲得針狀鐵素體和板條貝氏體組織；隨著回火溫度的變化，試驗管的組織和性能呈一定規律；采用930℃淬火+ 620℃回火熱處理工藝，試驗管可獲得晶粒細小且分布均勻的針狀鐵素體，綜合性能最佳。

管線用無縫鋼管；X100鋼級；淬火；回火；組織；性能；針狀鐵素體

隨著石油天然氣行業的深入發展，在確保油氣輸送管道安全性和可靠性的前提下，降低管道的建設成本是行業發展的必然趨勢，管線鋼管的升級換代也將朝著具有高強度、高韌性以及優良焊接性能的低碳貝氏體管線鋼發展［1-3］。2013年，美國石油協會API Spec 5L《管線鋼管規范》標準換版更新，新標準中對應管線用無縫鋼管的最高鋼級由X80升級為X100［4］。據測算，X100鋼級管線鋼的應用可使長距離油氣輸送管線鋼管成本節約5%～12%［5］，極大地降低工程造價，減少施工量。

目前，國內外各鋼鐵企業對X100鋼級的板材研究較多，其生產通常采用控軋控冷工藝（TMCP）或高溫軋制工藝（HTP）［6］，而X100鋼級管線用無縫鋼管的生產工藝不同于板材，API Spec 5L—2013標準要求產品必須進行淬火+回火的熱處理，其工藝參數將顯著影響產品的組織和性能。因此，本文以衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）工業化生產的高強度X100鋼級管線用無縫鋼管為研究對象，通過系列淬火和回火熱處理試驗，重點分析淬火溫度、回火溫度對試驗管組織和性能的影響，以期為確定合理的淬火和回火工藝提供試驗依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為華菱衡鋼試生產的Ф323.85 mm× 28.58 mm規格X100鋼級管線用無縫鋼管，其化學成分見表1。該鋼管的成分設計是在充分考慮API Spec 5L—2013標準要求低碳和低碳當量以及調質熱處理工藝的基礎上，以低C含Mn鋼為基礎，輔以微合金Nb元素強化，并適當添加Cr、Mo等合金元素。在Cr和Mn并存時，Mo能降低或抑制鋼的高溫回火脆性程度［7］，獲得高強高韌性能。Ф323.85 mm×28.58 mm規格X100鋼級管線用無縫鋼管的生產流程為：鐵水→電爐煉鋼→爐外精煉→弧形連鑄→連鑄圓管坯→環形爐加熱→穿孔→連軋→再加熱→定徑→冷床冷卻→定尺鋸切→成品鋼管。

表1 X100鋼級管線用無縫鋼管的化學成分（質量分數）%

1.2 試驗方法

在實際生產中，采用淬火+回火的調質熱處理工藝，才能使X100鋼級管線用無縫鋼管的性能達到API Spec 5L—2013標準及客戶的要求。依據X100鋼級試驗管的化學成分及熱處理工藝理論公式［8］：Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+ 5w（Cr）+14w（Mo）+18w（Si），確定試驗管的奧氏體化溫度Ac3為872℃。因此，將試驗管置于箱式電阻爐中分別加熱到870℃、900℃、930℃、950℃、980℃和1 000℃，均保溫70 min以充分加熱，淬火在浸入式水槽（槽內配備噴水均勻攪拌系統）中進行，介質為工業用水，冷卻速度大于40℃/s。淬火試驗完成后，對每個淬火試樣進行打磨、拋光、侵蝕處理，使用ZISS Axio Imager.M1m型光學顯微鏡觀察微觀組織，隨后用FV-700數字式維氏硬度計進行硬度測試，每個試樣的中部分別測取3點并取其平均值。

從930℃淬火的鋼管上截取6段長300 mm的X100鋼級試驗管，在箱式電阻爐中進行回火試驗，回火溫度分別為560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃，回火時間為90 min。

回火熱處理試驗完成后，參照ASTM A 370—2014《鋼制品力學試驗的標準試驗方法和定義》對回火后的試驗管進行組織和性能檢測。拉伸試驗采用Φ12.5 mm圓棒試樣，在電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗。沖擊試驗在配有低溫槽的沖擊試驗機上進行，沖擊試樣為橫向V型缺口的全尺寸試樣（10 mm×10 mm×55 mm），試驗溫度分別為-40℃和-60℃。金相試樣經研磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，使用ZISS Axio Imager.M1m型光學顯微鏡進行微觀組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 淬火溫度的影響

X100鋼級試驗管在不同淬火溫度下的微觀組織如圖1所示。從圖1可以看出：6個淬火溫度下的晶粒均較為細小，晶粒度超過9級，其主要原因是X100鋼級試驗用鋼進行了良好的微合金化設計，Nb、V、Ti元素可以形成碳、氮化物，通過質點釘扎晶界機制阻止了奧氏體晶粒的粗化過程［9］。

在870℃和900℃溫度下淬火，試驗管的微觀組織主要以殘余奧氏體和板條貝氏體為主，同時夾雜有少量準多邊形鐵素體和多邊形鐵素體；同時，晶粒大小均勻性比較差，部分奧氏體晶粒保留非等軸狀態，組織中存在一定量的鐵素體相。由于奧氏體化溫度較低，存在一定量的未溶碳化物，阻礙了奧氏體晶粒的長大，奧氏體晶粒長大不充分。因此，在淬火快速冷卻過程中，奧氏體晶粒內部形成針狀鐵素體、板條貝氏體等混合組織。

當淬火溫度高于930℃時，試驗管中軋制狀態的組織特征則完全消失，獲得了以針狀鐵素體和板條貝氏體為主的微觀組織，同時夾雜有少量的準多邊形鐵素體［10］，針狀鐵素體晶粒大小比較均勻。隨著淬火溫度的升高，微合金元素的擴散能力增強，導致晶界的遷移加速，原始奧氏體晶粒充分長大，奧氏體穩定性增加，產生粗大的貝氏體鐵素體等非平衡組織。

X100鋼級試驗管在不同淬火溫度下的硬度如圖2所示。從圖2可以看出：試驗管的淬火硬度在950℃時達到最高，淬火溫度在此基礎上升高或降低，其淬火硬度都有下降趨勢。在870℃和900℃淬火，由于加熱溫度偏低，材料未能完全奧氏體化，而保留下來部分的鐵素體。鐵素體是一種塑性相，隨著其在組織中含量的增加，會增加材料的塑韌性，但也會導致材料強度的下降；因此，試驗管在870℃和900℃淬火時，其硬度相對較低。而在930℃和950℃淬火時，試驗管得到了以針狀鐵素體和板條貝氏體為主的微觀組織，板條貝氏體的出現造成晶粒細化，材料淬火硬度明顯上升。隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸增大，相變后的貝氏體鐵素體板條束尺寸增大［11］，從而導致在980℃和1 000℃淬火時，試驗管的淬火硬度降低。

圖1 X100鋼級試驗管在不同淬火溫度下的微觀組織

圖2 X100鋼級試驗管在不同淬火溫度下的硬度

圖3 X100鋼級試驗管在不同回火溫度下的力學性能和沖擊性能

2.2 回火溫度的影響

X100鋼級試驗管在不同回火溫度下的力學性能和沖擊性能如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著回火溫度的升高，試驗管的屈服強度、抗拉強度以及屈強比均發生明顯降低；在640℃溫度以下回火，其變化趨勢比較平緩；當回火溫度在640℃以上時，強度數據變化較為劇烈；在回火溫度同樣升高20℃的情況下，屈服強度和抗拉強度分別降低了141 MPa和130 MPa。因此，在640℃及以上溫度回火時，X100鋼級試驗管的屈服強度指標低于標準對X100鋼級要求的下限值；而在600℃以下溫度回火，試驗管的屈服強度指標高于標準對X100鋼級要求的上限值。

從圖3還可以看出：不同回火溫度下，試驗管在-40℃的低溫沖擊性能均高于-60℃的低溫沖擊性能，并且隨著回火溫度的升高，沖擊性能明顯改善；回火溫度在620℃以下時，由于回火溫度相對較低，貝氏體組織仍然保留了板條貝氏體的組織特征，沖擊功相對較低，但隨回火溫度的升高，沖擊性能提升速度較快；當回火溫度在620℃以上時，-40℃和-60℃沖擊吸收功均達到了200 J以上，但上升速度較為平緩。可見，X100鋼級試驗管在回火溫度為620℃時具有最佳的綜合性能。

X100鋼級試驗管在不同回火溫度下的微觀組織如圖4所示?；鼗饻囟容^低時（560℃），試驗管中的合金元素會導致材料在回火過程中組織分解和轉變速度減慢，回火抗力增加，回火穩定性增強，從而使試驗管的強度隨回火溫度的升高而下降的程度減弱［12］。回火溫度較低時，貝氏體分解不完全，此時仍處在貝氏體回火的第一階段，所以試驗管強度較高，但沖擊性能差；隨著回火溫度升高，軟化效果比較明顯，貝氏體分解加速，在相同時間內有更多的貝氏體分解［13］，并且貝氏體板條逐漸合并到一起，過渡到完全粒狀貝氏體，這種組織可以鈍化裂紋尖端，阻礙裂紋擴展，因此材料強度下降，但沖擊性能提高。當回火溫度上升至620℃時，貝氏體組織基本分解完全，并形成平行排列的鐵素體板條束，此時回火溫度繼續升高對于沖擊性能的改善并不明顯，但由于碳化物會聚集長大，溫度越高，聚集越強烈［14］，因此材料的強度明顯下降。

圖4 X100鋼級試驗管在不同回火溫度下的微觀組織

3 結論

（1）基于API Spec 5L—2013標準要求設計的X100鋼級管線用無縫鋼管鋼種，采用調質熱處理工藝，產品的力學性能完全能滿足標準要求。

（2）X100鋼級試驗管在930℃時已經能夠完全奧氏體化，并獲得針狀鐵素體和板條貝氏體組織；在930℃淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，X100鋼級試驗管的強度逐漸降低，低溫沖擊性能逐漸提升，930℃淬火和620℃回火可以使X100鋼級試驗管獲得最佳綜合性能。

（3）回火溫度的升高，可以促進貝氏體的分解速度和程度；但當回火溫度高于貝氏體完全分解所需溫度時，回火溫度的升高對改善沖擊性能的作用并不大，反而造成強度的大幅降低。

［1］張偉衛，熊慶人，吉玲康，等．國內管線鋼生產應用現狀及發展前景［J］.焊管，2011，34（1）：5-8．

［2］肖英杰，孫常全．X100/X120管線鋼的研發和生產［J］．焊管，2010，33（5）：67-71．

［3］許瑩.衡陽華菱鋼管有限公司Φ720 mm周期軋管機組成功生產X100Q管線管［J］.鋼管，2013，42（6）：4.

［4］美國石油學會.API Spec 5L—2013管線鋼管規范［S］. 2013.

［5］王路兵，任毅，張鵬程，等．高級別管線鋼X100的試驗研究［J］．鋼鐵，2008，43（1）：80-84．

［6］王國棟.控軋控冷技術的發展及在鋼管軋制中應用的設想［J］.鋼管，2011，40（2）：1-8.

［7］孫珍寶.合金鋼手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1984：75.

［8］崔忠圻.金屬學與熱處理［M］．北京：機械工業出版社，1989：243．

［9］李鶴林，郭生武，馮耀榮，等．高強度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜［M］．北京：石油工業出版社，2001：3-10．

［10］牛靖，劉迎來，齊麗華，等．奧氏體化溫度對X80管線鋼組織和力學性能的影響［J］.材料熱處理學報，2010，31（5）：96-101．

［11］黃少文，陳愛嬌，霍孝新，等．高鋼級X100管線鋼的韌性和顯微組織［J］.金屬熱處理，2014，39（10）：96-100．

［12］黃少文，周平，霍孝新．回火熱處理對X100管線鋼組織和沖擊斷裂行為的影響［J］．材料熱處理學報，2013，34（增刊）：122-127．

［13］楊浩，李玉藏，曲錦波．EQ70海洋平臺用鋼回火后的組織與性能［J］.金屬熱處理，2015，40（2）：131-134．

［14］李立科，鄭茂盛，孫利軍，等．熱處理對X80管線鋼組織性能的影響［J］.焊管，2010，33（4）：18-21．

Influence by Heat Treatment on Microstructure and Properties of X100 Seamless Steel Linepipe

HUANG Dianyuan，ZHANG Yilun，ZAN Qifei
（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421001，China）

A series of heat treatment tests are conducted to the X100 seamless steel linepipe via different quenching and tempering processes in a bid to study the influence by quenching and tempering temperatures on the microstructure and properties thereof.The test results show that the said pipe can be fully austenitized，and both the acicular ferrite and lath bainite structures can be obtained as well when the quenching temperatures reaches at 930℃and above.Along with the change of the tempering temperature，the microstructure and properties of the X100 steel pipe as tested present certain regularities.After quenched at 930℃and tempered at 620℃，acicular ferrites as in fine grains and uniformly distributed are obtained in the tested pipe，and the pipe also has the best comprehensive performance.

seamless steel linepipe；X100 grade；quenching；tempering；microstructure；property；acicular ferrite

TG156；TG113.25

B

1001-2311（2016）04-0023-04

2016-05-05）

黃電源（1982-），男，碩士，工程師，從事管線用無縫鋼管的熱處理工藝、新品種開發和技術創新工作。