B+F雙相X80管線鋼模擬海水環境中慢應變拉伸各向異性研究

馬靜 王申豪 張雙杰 范利鋒

摘 要：為研究B+F雙相X80管線鋼各向異性對安全服役的影響，采用金相掃描電鏡觀察、慢應變拉伸法和電化學極化法，在模擬海水環境中，與軋制方向呈0°，45°，90° 3種不同角度試樣的B+F雙相X80管線鋼的慢應變拉伸和極化行為進行了分析。結果表明：雙相X80管線鋼組織由多邊形鐵素體和板條狀貝氏體組成，鐵素體和貝氏體含量近似為1∶1;在模擬海水環境慢拉伸條件下，B+F雙相X80管線鋼與軋制方向呈不同角度試樣的屈服強度隨取樣角度的增大明顯降低，說明海水對B+F雙相X80管線鋼具有明顯的應力腐蝕作用;與軋制方向呈0°試樣的X80管線鋼的慢應變拉伸應力與應變曲線呈圓頂狀，屈服強度和抗拉強度均最高，屈強比為0.81，均勻伸長率為134%，可以滿足使用要求;與軋制方向呈90°試樣的雙相X80管線鋼的自腐蝕電位最負，自腐蝕電流最大，耐海水腐蝕性能最差;與軋制方向呈45°試樣的雙相X80管線鋼的自腐蝕電位最正，耐蝕性最優。研究B+F雙相X80管線鋼在模擬海水中的慢應變拉伸各向異性，可提高其安全服役性，對大變形管線鋼的實際生產具有一定的借鑒價值。

關鍵詞：金屬材料工程;雙相管線鋼;各向異性;慢應變拉伸;極化行為;海水腐蝕

中圖分類號：TG1421 ? 文獻標識碼：A ? doi：10.7535/hbkd.2020yx05009

Abstract： In order to study the effect of anisotropy on the safe service of B+F dual-phase X80 pipeline steel， the slow strain tensile and polarization behaviors of hot rolled ferrite + bainite dual-phase X80 pipeline steel at three angles（0°， 45° and 90°） with rolling direction were analyzed by metallography， scanning electron microscopy， slow strain tensile test and electrochemical polarization method in simulated seawater. The result shows that the dual-phase X80 pipeline steel is composed of polygonal ferrite and lath bainite， and the content ratio of ferrite and bainite is about 1∶1. The slow tension yield strength of X80 pipeline steel with different angles from rolling direction decreases significantly with the increase of sampling angle in simulated seawater environment， which indicates that seawater has obvious stress corrosion to X80 pipeline steel; the slow strain tensile stress-strain curve of B+F dual-phase X80 pipeline steel parallel to rolling direction（0°） shows dome shape， the yield strength and tensile strength are the highest， the yield strength ratio is 0.81， and the uniform elongation is 13.4%， which can meet the application requirement; the self-corrosion potential of B+F dual-phase X80 pipeline steel perpendicular to the rolling direction（90°） is the most negative and the self-corrosion current is the largest， which indicates the seawater corrosion resistance is the worst; the corrosion resistance of dual-phase pipeline steel in the direction of 45° from the rolling direction in simulated seawater is the best due to the most positive self-corrosion potential. The research on the slow strain tensile anisotropy of B+F dual-phase X80 pipeline steel in simulated seawater environment can improve its safe service， and has some reference value for the actual production of large deformation pipeline steel.

Keywords：metal materials and engineering; dual-phase pipeline steel; anisotropy; slow strain tensile; polarization behavior; seawater corrosion

X80管線鋼具有很高的強韌性，可以長效、安全、經濟地長距離輸送，近些年在油氣運輸中需求量不斷增加[1-3]。油氣輸送管線在鋪設以及服役過程中，不可避免地會穿越地震多發區、不連續凍土區和疏松黃土區等地質活動復雜地帶，會因外部非正常載荷干擾而產生屈曲、拉裂和擠毀等大變形失效[4-5]。貝氏體+鐵素體（B+F）雙相大變形管線鋼由軟相鐵素體（F）和硬相貝氏體（B）組成。軟相F提供良好的塑性變形能力，而硬相B提供足夠的強度，兩相協調變形可使管線鋼獲得低屈強比和高均勻伸長率，滿足大變形的要求[6-8]。

在管線鋼生產過程中，與軋制方向呈不同角度方向的組織和性能存在差異，這就造成了各向異性。管線鋼管有直管彎曲和螺旋彎曲2種彎管生產方式，彎管方式不同，管線鋼的承受應力情況差異很大，一般油氣輸送管道內所受徑向應力大于軸向應力，且在復雜環境下服役時往往承受著多個方向的應力與應變作用[9-12]。張海等[10]、宗毳等[13]研究了與軋制方向呈不同角度管線鋼的各向異性，但所研究的管線鋼顯微組織為粒狀貝氏體（針狀鐵素體），雙相B+F大變形管線鋼的各向異性研究未見報道，因此研究B+F雙相管線鋼的各向異性具有重要意義。中國具有遼闊的海水資源，石油和天然氣儲量豐富，生產油氣過程中的設備和管道必然會受到海水的應力腐蝕。王燦[14]和WU等[15]分別研究了X65和X70管線鋼在模擬海水環境下的應力腐蝕行為，而X80管線鋼的應力腐蝕研究甚少。應力腐蝕的研究評定方法較多，其中常用方法為慢應變速率實驗法，應變速率范圍通常為1×10-7～1×10-3 s-1，可以快速確定延性材料在腐蝕環境中的應力腐蝕敏感性。本文擬采用熱軋生產的B+F雙相X80管線鋼，研究與軋向呈不同角度方向的管線鋼在模擬海水中的慢應力拉伸行為和極化行為。

1 材料與方法

選用熱軋處理態的B+F雙相X80管線鋼板材，使用HBKD-CL-009直讀光譜儀測定其成分，見表1。分別選取與軋制方向呈0°，45°和90°進行組織觀察和硬度測定。采用德國蔡司顯微鏡觀察管線鋼的組織，采用TMVS-1型維氏硬度計測量X80管線鋼的硬度，載荷為9.8 N，保持時間10 s，每個試樣測9點，取平均值。

慢應變拉伸試樣按GBT 228—2002進行線切割，試樣尺寸如圖1所示。將線切割好的板狀B+F雙相X80管線鋼試樣兩面用SiC砂紙打磨至1.7 μm，然后拋光至鏡面。采用YYF-50型慢應變速率應力腐蝕實驗機對試樣進行拉伸，應變速率為1.33×10-6 s-1，模擬海水溶液成分如下：NaCl 27 g/L，MgSO4 3 g/L，MgCl2 2 g/L，CaCl2 1 g/L。拉伸后的試樣采用TESCAN VEGA3鎢絲掃描電子顯微鏡進行斷口觀察。

將試樣打磨拋光后采用聚四氟乙烯包裹露出1 cm2的面積進行極化曲線測量。極化曲線測試采用北京中腐防蝕工程技術有限公司生產的PS-268A型電化學分析儀，電解液與慢應變拉伸模擬海水溶液相同，輔助電極采用石墨電極，參比電極采用飽和甘汞電極。

2 實驗結果與分析

由B+F雙相X80管線鋼的化學成分可知X80為低碳微合金鋼，Nb含量為0.518%（質量分數，下同），微量Nb的加入有助于增強鋼的固溶強化和碳化物強化;Si的存在可以明顯提高鋼的彈性極限和屈服極限;Mn含量為1.5%，可以提高鋼的淬透性。

2.1 金相組織分析

與軋制方向呈不同角度的B+F雙相X80管線鋼的金相組織如圖2所示。由圖2可知：X80管線鋼的金相組織由白色鐵素體和黑色貝氏體組成，鐵素體呈多邊形，貝氏體呈板條狀。與軋制方向平行（0°）方向性最為明顯，鐵素體和貝氏體被拉成長條狀，晶粒較為粗大;與軋制方向垂直（90°）方向鐵素體晶粒細小，近似呈等軸狀，貝氏體板條更細。經圖像分析可得，鐵素體含量為46.7%～55.2%，鐵素體和貝氏體含量近似為1∶1。B+F雙相X80管線鋼試樣0°方向維氏硬度稍高，為228.4 HV;45°方向維氏硬度居中，為220.4 HV;90°方向維氏硬度略低，為207.7 HV。各方向硬度的差異與相分布、相含量的波動有關，鐵素體含量較高的方向其硬度相對較低，貝氏體含量較高的方向其硬度較高。

2.2 力學性能分析

與軋制方向呈不同角度試樣的X80管線鋼在模擬海水中的慢應變-應力曲線如圖3所示。在慢應變拉伸下，平行于軋制方向試樣應力-應變曲線呈現圓頂狀，沒有明顯的屈服點;而與軋制方向呈45°和90°試樣呈現出明顯的屈服平臺，上屈服點和下屈服點較為接近。屈服現象是低碳鋼所特有的力學性能特點。這是由于鋼中的C，N原子形成的柯氏氣團對位錯的釘扎作用，當位錯掙脫了柯氏氣團的釘扎時，可以在較小的應力作用下維持進一步的塑性變形。X80管線鋼的屈服對其在海水使用環境中的應用是不利的，在受到一定應力的情況下，持續的塑性變形不利于尺寸穩定。X80管線鋼化學成分中本身的含碳量較低，只有0.093%，加入一定含量強碳化物形成元素Ti，Nb，Mo等合金元素，其主要作用在于這些元素與C和N的親和力較強，可以形成碳氮化物，將C和N固定下來，從而消除屈服現象。

與軋制方向呈不同角度的X80管線鋼強度對比如圖4所示。在慢拉伸應力作用下，X80管線鋼的屈服強度相對于X80級別對應的552 MPa明顯降低，與軋制方向呈0°試樣的屈服強度最高，為531 MPa，45°試樣其次，90°試樣的屈服強度最低，為491 MPa。與軋制方向呈0°試樣的抗拉強度最高，45°與90°試樣的抗拉強度較低，非常相近。

與軋制方向不同角度的X80管線鋼塑性對比如圖5所示。0°試樣的斷后延伸率最低為24%，90°試樣的延伸率最高為26.5%，45°試樣的延伸率略低于90°試樣的斷后延伸率，這與強度結果是一致的。不同方向的均勻伸長率在12%～14.5%之間，均大于大變形8%的最低要求。總體而言，X80管線鋼各方向塑性均較高。

通常認為，在基于應變設計的大變形管道中，縱向拉伸性能很大程度上決定著管道的形變能力?？勾笞冃喂芫€鋼在滿足高強度的同時還應具備應變-應力曲線為無屈服平臺型（圓屋頂狀）、低屈強比（≤0.85） 、高均勻伸長率（≥8%）等特點[16-18]。因此在海水環境下，平行于軋制方向應力-應變曲線符合圓屋頂狀特征，屈強比為0.81，均勻伸長率為13.4%，可以滿足使用要求。

2.3 斷口形貌分析

X80管線鋼慢應力拉伸后的斷口形貌如圖6所示。X80管線鋼的0°，45°，90°拉伸試樣在慢應力拉伸狀態仍表現為韌性斷裂，相對于原始試樣斷面，宏觀斷口均發生了明顯頸縮，斷口分纖維區、放射區和剪切唇3個區域。纖維區位于板面的中心，是斷裂裂紋萌生和慢速擴展區域，與主應力垂直。與軋向呈0°試樣斷口纖維區存在較大較深的裂紋，說明該方向鐵素體和貝氏體較為粗大，且分布不均勻，在承受應力發生變形時變形程度不同從而形成裂紋然后發生擴展;與軋向呈45°試樣纖維區存在較多的孔洞，該方向的晶粒較為細小，在應力的作用下受力均勻，發生了更為均勻的變形;90°試樣纖維區最小。

放射區是裂紋快速擴展的區域，是脆性斷裂的表現。與軋制方向呈不同角度的X80管線鋼試樣放射區均呈“八”字形，放射方向與板面平行，表明裂紋沿板面平行方向擴展。0°試樣放射區最大，說明該方向強度較高，塑性較差;90°試樣放射區最小，因此該方向強度較低，塑性最好。剪切唇與放射區相毗鄰，表面光滑，與拉應力方向成45°角，是典型的剪切斷裂。90°試樣的剪切唇面積最大，0°試樣剪切唇面積最小。

纖維區和剪切唇的面積占比越大，材料的塑性和韌性越好。90°試樣斷口的纖維區和剪切唇面積最大，代表材料脆性大小的放射區面積比較小，說明垂直于軋制方向的X80管線鋼韌性和塑性最好;0°試樣的斷口放射區面積最大，剪切唇和纖維區面積最小，說明平行于軋制方向的X80管線鋼強度最大，延伸率最小，韌性塑性最低。

韌窩越大代表材料韌性塑性越好，微觀斷口如圖7所示。由圖7可知，0°試樣的微觀斷口較為平坦，韌窩小而多，大韌窩很少，尺寸均勻，小韌窩平均直徑約為3.57 μm，表明塑性、韌性最差，延伸率最小;45°試樣韌窩大而深，大韌窩平均直徑為10.29 μm，小韌窩較少，表明韌性、塑性和斷后延伸率較0°試樣有所提高;90°試樣的微觀斷口形貌中韌窩尺寸最大，平均直徑為16.01 μm，表明韌性和塑性最高，延伸率較大。這與拉伸性能和斷口的宏觀形貌分析[19-21]是一致的。

2.4 極化曲線分析

與軋制方向呈不同角度的X80管線鋼在模擬海水中的極化曲線如圖8所示，對曲線進行塔菲爾直線擬合，得到自腐蝕電位和自腐蝕電流密度，見表2。

3個角度的X80管線鋼的自腐蝕電流較為接近，均在1×10-3數量級，自腐蝕電位差別較大，與軋制方向呈45°試樣的自腐蝕電位最正，該方向最不易發生腐蝕;90°試樣的自腐蝕電位最負，腐蝕電流最大，說明垂直于軋制方向腐蝕傾向較高，更容易發生腐蝕。其原因在于該方向晶粒更為細小，鐵素體和貝氏體的電極電位不同，形成了數量眾多的腐蝕微電池，因此耐蝕性較差。

3 結 論

1）本研究對B+F雙相X80管線鋼在模擬海水環境中慢應變拉伸的各向異性進行了研究，對提高其安全服役性能具有一定的指導作用。

2）熱軋態B+F雙相X80管線鋼由多邊形鐵素體和板條貝氏體組成，鐵素體和貝氏體含量近似為1∶1，維氏硬度為207.7～228.4 HV。

3）在模擬海水慢拉伸條件下，與軋制方向呈不同角度的B+F雙相X80管線鋼隨著取樣角度的增大，屈服強度顯著下降，說明海水對B+F雙相X80管線鋼具有明顯的應力腐蝕作用。

4）在慢應力拉伸條件下，與軋制方向平行方向（0°）的雙相管線鋼應力-應變曲線呈現出圓屋頂狀，屈服強度和抗拉強度最高，屈強比為0.81，均勻伸長率為13.4%，可以滿足使用要求。

5）在模擬海水中，B+F雙相X80管線鋼垂直于軋制方向（90°）的自腐蝕電位最負，自腐蝕電流最大，耐海水腐蝕性能最差;與軋制方向呈45°方向的自腐蝕電位最正，耐蝕性最優。

6）本研究結果針對的是1.33×10-6 s-1應變速率下的慢應變拉伸，與具體使用狀態有所差異。未來可對更多應變速率下慢應變拉伸行為的各向異性進行深入研究，盡可能真實地模擬管線鋼的服役狀態。

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