X80 鋼JCOE 制管過程應變強化規律及其影響因素研究

陳小偉

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

在油氣輸送用直縫埋弧焊管制造過程中， 由于加工硬化導致材料的拉伸性能發生較大變化，尤其對于X80 鋼， 制管后屈服強度和屈強比明顯升高[1-6]。 鋼板拉伸性能必須依據鋼管拉伸性能要求和制管過程拉伸性能的變化規律確定， 然而實踐表明， 不同生產廠家制造的X80 鋼板， 甚至同一廠家不同批次的鋼板， 經過相同的制管工藝后拉伸性能變化差異很大。 這就使得在確定鋼板拉伸性能要求時存在實質的困難， 經常出現確定的鋼板拉伸性能要求不能滿足鋼管拉伸性能要求的現象。 比如鋼板拉伸性能符合要求但制管后不合格， 或者鋼板拉伸性能不符合要求但制管后合格。 因此， 深入研究X80 鋼制管過程中應變強化規律及其影響因素， 有助于從設計源頭對材料性能及其變化規律進行掌控， 提高開發效率和性能合格率。

1 試驗材料及方法

選用不同制造商制造的6 種X80 鋼級22 mm厚熱軋鋼板， 這些鋼板在成分設計、 組織設計及拉伸性能方面存在差異。 6 種鋼的化學成分見表1， 其中A、 B、 C 為高Nb 鋼， D、 E、 F 為低Nb 鋼， 以對比不同Nb 含量X80 鋼制管過程中屈服強度及屈強比的變化規律。

制管前， 選取鋼板試樣進行了力學性能試驗， 鋼板的理化性能符合相關標準的要求。 在JCOE 直縫埋弧焊管生產線上采用相同的工藝對6 種鋼板進行Φ1 219 mm×22 mm 直縫埋弧焊管的生產， 擴徑率目標值為0.8%。 制管后， 在與鋼板取樣對應的鋼管上取樣進行拉伸性能試驗，拉伸試樣采用棒狀試樣， 拉伸性能試驗按ASTM A370 標準在WE-1000 液壓萬能試驗機上完成。

表1 試驗用X80 鋼的化學成分

2 X80 鋼制管前后拉伸性能變化規律

2.1 高Nb 鋼制管前后拉伸性能變化情況

3 種高Nb 鋼板、 鋼管拉伸性能及其對比見表2。 由表2 可以 看出， A、 B、 C 三種高Nb鋼板經相同制管工藝制管后， 屈服強度和屈強比均有較大幅度的升高。 其中A 鋼板制管后屈服強度平均升高96 MPa， B 鋼板制管后屈服強度平均升高66 MPa， C 鋼板制管后屈服強度平均升高89 MPa。 抗拉強度升高較小， 均值范圍在24～42 MPa， 因此造成屈強比較大幅度的升高。 對比可見， A 鋼板和C 鋼板制管后屈服強度和屈強比的升高較B 鋼板制管后的升高幅度更明顯。

表2 3 種高Nb 鋼板、鋼管拉伸性能及變化情況

3 種高Nb 鋼制管后屈服強度、 抗拉強度及屈強比均有明顯的升高， 尤其是A 鋼和C 鋼屈服強度、 屈強比上升最明顯， B 鋼居中。 為更清晰地分析鋼板性能與制管過程中屈服強度、 屈強比升高的關系， 分別建立3 種鋼板制管后屈服強度升高值與鋼板屈服強度的關系及屈強比的增加值與鋼板屈服強度的關系， 如圖1～圖3 所示。

圖1 A 鋼板與鋼管拉伸性能變化的關系

從圖1～圖3 可以看出， 對于同一批鋼板，制管過程中屈服強度、 屈強比的升高值隨著鋼板屈服強度、 屈強比的升高而減小； 鋼管屈服強度、 屈強比有趨同趨勢。 不同鋼在制管前后的屈服強度、 屈強比變化情況也有明顯的不同。 當鋼板屈服強度小于580 MPa 時， A、 B 鋼管-鋼板屈服強度的增量相當， 但C 鋼增量略低； 而當鋼板屈服強度小于580 MPa 時， A 鋼仍表現出較強的屈服強度的增加， 而B 鋼增量減小。

圖2 B 鋼板與鋼管拉伸性能變化的關系

圖3 C 鋼板與鋼管拉伸性能變化的關系

2.2 低Nb 鋼制管前后的性能變化

鋼板經相同制管工藝制管后， 屈服強度、 屈強比均有較大幅度的升高。 其中D 鋼板制管后屈服強度平均升高106 MPa， E 鋼板制管后屈服強度平均升高105 MPa， F 鋼板制管后屈服強度平均升高29 MPa。 抗拉強度升高較小， 均值在-2～21 MPa， 因此造成屈強比較大幅度的升高。對比可見， D、 E 鋼板制管后屈服強度和屈強比的升高要較F 鋼板制管后的升高幅度更明顯。

表3 3 種低Nb 鋼板、鋼管拉伸性能及變化情況

由上述結果可見， 所研究的6 種鋼無論是高Nb 鋼還是低Nb 鋼， 均存在制管后屈服強度及屈強比顯著升高的現象。 甚至部分低Nb 鋼所表現出的特性比高Nb 鋼更加嚴重。

3 制管過程中屈服強度升高的原因及其影響因素

3.1 制管過程屈服強度升高的原因

JCOE 制管過程中， 材料形變強化和包辛格效應綜合作用的結果導致屈服強度升高。 鋼板在JCO 成型過程中發生彎曲變形， 中性層到內表面承受壓縮變形， 中性層到外表面為拉伸變形， 且越到內外表面變形越大， 如圖4 所示。 另外， 由于成型過程材料的延展， 加劇了外表面的拉伸變形和內表面的壓縮變形[7-8]。

圖4 JCO 成型過程中鋼板應變圖（板厚22 mm）

另一個關鍵因素是機械擴徑。 對Φ1 219 mm×22 mm 鋼管， 經過JCO 成型及0.8%左右的機械擴徑后， 鋼管外表面發生了2.8%左右的拉伸應變， 而內表面發生了0.9%左右的壓縮應變。

研究表明， 呈現明顯屈服現象的鋼具有較高的包申格效應， 而對沒有明顯屈服現象的鋼， 則具有較低的包申格效應[4,9]。 本試驗所用X80 鋼的組織均為針狀鐵素體型（或低碳貝氏體） 顯微組織， 這種組織是奧氏體在連續轉變過程中所形成的多相復合組織， 包括多邊形鐵素體、 準多邊形鐵素體、 粒狀貝氏體、 貝氏體以及M/A 組元，這些組織軟硬程度不同， 在拉伸變形過程中持續發生應變強化[10-13]。

不同的變化幅度與不同材料的應力-應變行為及加工硬化能力存在差異有關， 影響材料應力-應變行為的因素很多。 文獻[4] 指出， 材料的加工硬化能力與強度有關， 而化學成分和制造工藝共同決定材料的屈服強度， 顯微組織又是材料制造過程所有要素相互作用的最終體現。 因此， 要弄清不同材料性能變化， 應結合鋼板的性能、 材料成分及組織進行系統分析。

3.2 鋼板拉伸性能對鋼管屈服強度增量的影響

表4 給出了6 種試驗材料拉伸性能各項指標的平均值以及制管后各項指標的變化量， 圖5 為不同鋼板屈服強度平均值與制管后屈服強度變化平均值之間的關系。

由表4 和圖5 可以看出， 不同種類的鋼板制管后屈服強度的變化與鋼板屈服強度之間沒有明顯規律性。 可見， 無法依據不同鋼板屈服強度水平判定制管后屈服強度變化的相對幅度，屈服強度不是決定材料制管過程屈服強度變化的主要因素。

表4 不同種類鋼板、鋼管拉伸性能及其制管后變化量的平均值

圖5 鋼板屈服強度對管-板屈服強度變化的影響

圖6 為不同鋼板抗拉強度和屈服強度平均值之差與制管后屈服強度平均值變化量之間的關系。 由圖6 可見， 除了個別鋼板外 （圖中C 鋼板）， 對于不同種類的鋼板， 制管后屈服強度變化與某種鋼板抗拉強度、 屈服強度平均值之差存在一定的規律性。 制管后屈服強度的上升值隨著鋼板抗拉強度、 屈服強度差的增加而增加。

圖6 鋼板抗拉強度與屈服強度差對管-板屈服強度差的影響

3.3 材料化學成分對鋼管拉伸性能的影響

鋼的成分是影響其性能的一個重要因素。 由表1 可見， 不同材料的w（C）均為0.04%～0.07%，符合正常制造過程中C 含量的波動范圍， 可認為在同一水平。 w（Mn）為1.70%～1.86%， 波動在10%范圍內， 可基本認為具有相同的Mn 含量水平。 6 種材料合金元素的主要差別在于Mo、 Ni、Cr、 Cu 及Nb 元 素。 其 中 按Nb 含 量 可 分 為 高Nb 鋼 （A 鋼板、 B 鋼板、 C 鋼） 和普通Nb 含量鋼（D 鋼板、 E 鋼板、 F 鋼）。 對高Nb 鋼可分為高Nb、 無Mo 的Ni-Cr-Cu 體系 （A 鋼和B 鋼），高Nb、 少量Mo 的Ni-Cr-Cu 體系 （C 鋼）， 以及低Nb、 高Mo 的Ni-Cu 體系 （D 鋼板、 E 鋼板、 F 鋼）。

3.3.1 Nb 對鋼管拉伸性能的影響

圖7 為不同Nb 含量鋼板制管后屈服強度上升情況， 其中A 鋼板、 B 鋼板、 C 鋼板屬于高Nb 鋼， D 鋼板、 E 鋼板、 F 鋼板屬于普通低Nb含量鋼。 可以看出， 兩種低Nb 鋼D 鋼板和E 鋼板制管后屈服強度上升的幅度明顯大于高Nb鋼， 而另一種低Nb 鋼F 鋼板制管后屈服強度上升幅度低于低Nb 鋼。 Nb 不應該是造成制管后屈服強度、 屈強比超標的決定因素。

圖7 Nb 含量對管-板屈服強度差的影響

3.3.2 其他合金元素對管-板屈服強度的影響

圖8 為主要合金元素Mo、 Ni、 Cr 含量與制管后屈服強度變化的關系。 從圖8 可以看出， 合金元素含量與制管后屈服強度的變化量之間沒有明顯的規律性。

圖8 主要合金含量對管-板屈服強度差的影響

3.3.3 碳當量Ceq 對屈服強度上升的影響

從單一成分看， Nb、 Ni、 Cr、 Cu 等成分并沒有反映出其對管-板性能變化的影響， 這主要因為對鋼鐵材料， 合金元素是相互影響的， 而這種綜合的影響很難估計。 因此， 借鑒碳當量Ceq來觀察成分的綜合影響。

圖9 給出了不同種材料碳當量Ceq 與制管后屈服強度差的關系。 從圖9 可以看出， A 鋼板Ceq 僅為0.38%， 屈服強度上升達96 MPa， 與Ceq 為0.44%的D 鋼板、 Ceq 為0.45%的E 鋼板制管后屈服強度上升處于同一水平（上升值分別為106 MPa、 105 MPa）。 Ceq 為0.41%的F 鋼板制管后屈服強度上升最少， 僅為29 MPa。 整體上看， 制管后屈服強度升高值與Ceq 之間沒有明顯規律。

圖9 Ceq 對管-板屈服強度差的影響

3.3.4 制管后屈服強度變化與材料顯微組織的關系

圖10 為6 種鋼板典型顯微組織照片。 從圖10 可以看出， 材料顯微組織均屬于針狀鐵素體型組織， 主要由針狀鐵素體、 準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、 多邊形鐵素體和M/A 組元等相組成[14-15]。 但不同材料顯微組織的各組元構成比例、分布、 晶粒尺寸等方面存在差異。

A 鋼 板、 C 鋼 板、 D 鋼 板、 E 鋼 板 具 有 相似的顯微組織， 主要由針狀鐵素體、 準多邊形鐵素體、 粒狀貝氏體和M/A 組元構成。 其中，針狀鐵素體晶粒非常細小， 而且相互間呈交錯咬合分布； 粒狀貝氏體主要由多邊形鐵素體和分布其上的點狀M/A 組元構成， M/A 組元尺寸非常細小， 均分布在鐵素體基體上。 這種組織整體上表現為晶粒尺寸細小， 晶粒度可達12.5級以上。 從晶粒尺寸看， A 鋼板、 C 鋼板顯微組織中， 粒狀貝氏體的多邊形鐵素體基體數量及尺寸大于D 鋼板和E 鋼板， D 鋼板和E 鋼板包含更多的針狀鐵素體組織， 具有更細的晶粒尺寸。

圖10 6 種鋼的金相組織形貌

從制管后屈服強度變化規律來看， A 鋼板和C 鋼板屈服強度分別升高了96 MPa 和89 MPa，D 鋼板和E 鋼板制管后屈服強度分別升高了106 MPa 和105 MPa。 表明具有這種組織類型的鋼板， 制管過程中屈服強度大幅升高， 同時， 晶粒尺寸越細小， 升高幅度越大。

B 鋼板、 F 鋼板具有接近的針狀鐵素體顯微組織， 主要由少量細小多邊形鐵素體、 準多邊形鐵素體、 少量粒狀貝氏體和M/A 組元構成。 與A 鋼板、 C 鋼板、 D 鋼板、 E 鋼板的顯微組織相比， 針狀鐵素體晶粒尺寸明顯增加， 塊狀鐵素體數量較多， 鐵素體基體上的M/A 組元數量較少，且M/A 組元的尺寸較大。 尤其是F 鋼板中鐵素體尺寸大， 長寬比降低； B 鋼板中鐵素體尺寸較小， 數量較多， 多邊形鐵素體含量最少。

從制管后屈服強度變化與顯微組織的關系看， D 鋼板和E 鋼板含有數量最多、 尺寸最小的粒狀貝氏體， 主要為針狀鐵素體， 其制管后屈服強度升高最明顯， 分別為106 MPa 和105 MPa；A 鋼板和C 鋼板含有較多的塊狀鐵素體組織，同時還有一定的多邊形鐵素體和少量粒狀貝氏體等組織， 晶粒尺寸較大， 制管后屈服強度上升明顯， 分別為96 MPa 和89 MPa， 僅次于D 鋼板、 E 鋼板； B 鋼板中塊狀鐵素體晶粒尺寸進一步增大， 同時含有少量粒狀貝氏體， 制管后屈服強度上升較明顯， 為66 MPa； F 鋼板中針狀鐵素體晶粒尺寸最大， 含有大量的多邊形鐵素體和塊狀鐵素體， 制管后屈服強度上升最少， 僅為29 MPa。

結果表明， 材料制管后屈服強度的變化與顯微組織之間存在顯著的關系。 具有類似A 鋼板、C 鋼板、 D 鋼板、 E 鋼板顯微組織的鋼板， 制管后屈服強度大幅度升高； 而具有類似B 鋼板、 F 鋼板顯微組織的鋼板， 制管后屈服強度的升高幅度較小。 這主要與組織中的針狀鐵素體中不同形態鐵素體的含量以及晶粒的尺寸有關。 組織中低溫轉變組織含量越多， 尺寸越小， 制管后屈服強度上升越明顯； 組織中多邊形鐵素體和塊狀鐵素體含量越多， 晶粒尺寸適中， 制管后屈服強度升高幅度越小。

4 結 論

（1） 6 種X80 鋼制造的Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管制管前后材料的屈服強度、 抗拉強度及屈強比均發生了變化， 尤其是屈服強度和屈強比變化顯著， 這種變化因材料的不同而不同。

（2） 對同一材料， 制管過程屈服強度、 屈強比的增量隨鋼板屈服強度、 屈強比的升高而降低， 對于不同材料， 鋼板的屈服強度與制管后屈服強度的變化量之間無明顯的規律。 對于不同材料， 制管后屈服強度變化與鋼板屈服強度、 抗拉強度平均值之差存在一定的規律性。

（3） 合金元素對制管過程中的屈服強度、屈強比的變化無決定性影響； 但合金元素可通過影響顯微組織對屈服強度、 屈強比變化產生顯著影響。

（4） 顯微組織是影響制管前后屈服強度、屈強比變化的關鍵因素， 以細小針狀鐵素體為主的組織， 制管過程屈服強度和屈強比升高較多， 以多邊形鐵素體、 塊狀鐵素體及粒狀貝氏體為主的組織， 制管過程屈服強度和屈強比升高較小。