某油建公司L360NB彎管力學性能異常原因分析

李 娜，陳 斌，殷亞運，孫曉棟

（1陜西鐵路工程職業技術學院機電工程系，陜西渭南710043；2洛陽船舶材料研究所，河南洛陽 471039）

隨著石油天然氣能源的開發利用，其輸送管道通常要求高力學性能的管線鋼，而針對長運輸管道的建設需要大量與主干線管道力學性能相匹配的彎管[1-2]。因此，彎管是長輸管道中服役條件較為苛刻，其力學性能決定管道失效與否，整個管道事故中所占的比例最高[3-4]。L360NB是一種新型無縫低碳微合金鋼，主要用于石油和天然氣的運輸，在海底管線、低溫管線中應用較多，屈服強度大于360MPa[5-6]。然而，在加熱彎管的制造過程中，由于彎管不同部位顯微組織存在差異，導致力學性能差異較大，造成彎管失效[7-10]。這就需要進一步研究其失效原因，為后續制造過程提供理論和數據支撐。本文針對某油建公司容器廠煨彎的L360NB彎管力學性能檢驗發現多個彎管力學性能異常，與母材相比強度幾乎升高一倍，沖擊韌性大幅下降，且每個彎管各部位性能差別巨大。為了分析其原因，對彎管不同部位進行了取樣并測試拉伸性能及硬度，觀察其金相組織，研究結果為煨彎工藝的改進提供一定參考。

1 試驗材料與方法

選取已經失效的L360NB彎管，其化學成分見表1。

表1 L360NB管線鋼的化學成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of pipe line steel L360NB (wt.%)

采用電子萬能試驗機測試失效L360NB管線鋼的拉伸性能，根據ASTM-2013標準選定拉伸試樣的尺寸，拉伸速率設置為1mm/min，每組測試3個平行試樣并取其平均值評價接頭性能。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能試驗結果

材料的屈服強度是試樣受拉伸發生屈服現象時的屈服極限，即抵抗微量塑性變形的應力；抗拉強度是試樣受拉斷裂前所能承受的最大工程應力，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力；硬度是試樣局部抵抗硬物壓入其表面的能力。基于此，針對已經失效的L360NB彎管，截取其不同部位進行力學性能試驗，分析該彎管不同部位的拉伸性能和硬度測試結果。表2為已失效的L360NB彎管不同部位與其對應的試件編號。

表2 已失效的L360NB管線鋼不同部位試件編號Table 2 The specimen number of different parts of failed pipe line steel L360NB

已失效的L360NB彎管力學性能測試結果如圖1～圖3所示，由測試結果可知，直管段試件A的各項力學性能指標正常，滿足L360NB的要求。將試件按硬度順序排列為：A＜B＜G＜F＜E＜C＜D，按強度順序排列為：A＜B＜G＜F＜C＜E＜D，延伸率的順序與強度順序相反。強度和硬度順序只有試件C和E的順序顛倒，其余均一致。

圖1 已失效的L360NB管線鋼不同部位試樣屈服強度和抗拉強度Fig. 1 The yeild and tensile strength of the different strengths of the different parts of failed pipe line steel L360NB

圖3 已失效的L360NB管線鋼不同部位試樣硬度值Fig. 3 The hardness values of the different parts of failed pipe line steel L360NB

2.2 組織表征結果

試件A是尚未彎管的直管，其性能與組織代表母管,顯微組織如圖4所示，可以看出組織呈現帶狀組織的特征，為珠光體和鐵素體組織。試件B組織與試件A類似，顯微組織如圖5示，顯微組織仍為珠光體和鐵素體，也有帶狀組織，表明起彎點組織變化不明顯。試件C、D、E組織均為馬氏體，試件C組織如圖6所示，試件D組織如圖7所示，試件E組織如圖8所示。試件F組織主要由貝氏體組成，如圖9所示。試件G的組織如圖10所示，顯微組織仍為珠光體和鐵素體，且已無帶狀組織，表明原先的珠光體和鐵素體在加熱時已轉變成奧氏體，冷卻下來轉變成等軸的珠光體和鐵素體。

圖4 試件A的光鏡顯微組織 400×Fig. 4 Optical microstructure of specimen A 400×

圖5 試件B的光鏡顯微組織 400×Fig. 5 Optical microstructure of specimen B 400×

圖6 試件C的光鏡顯微組織 400×Fig. 6 Optical microstructure of specimen C 400×

圖7 試件D的光鏡顯微組織 400×Fig. 7 Optical microstructure of specimen D 400×

圖8 試件E的光鏡顯微組織 400×Fig. 8 Optical microstructure of specimen E 400×

圖9 試件F的光鏡顯微組織 400×Fig. 9 Optical microstructure of specimen F 400×

圖10 試件G的光鏡顯微組織 400×Fig. 10 Optical microstructure of specimen G 400×

2.3 討論與分析

已失效的L360NB彎管力學性能差異較大，主要是由于顯微組織差異性較大，對照各試件顯微組織可知，凡是強度高的試件，金相組織均為硬度很高的馬氏體組織；凡是組織為與母材類似的珠光體+鐵素體，其強度與母材差別不大；試件F主要為貝氏體組織，強度介于前兩組試件之間。L360NB彎管在服役過程中，由于其工藝特點，組織轉變受下列因素影響：

(1) 根據油建公司提供，煨彎時直管通過感應圈中頻加熱達到980℃，煨彎過程邊加熱邊噴水冷卻。盡管加熱溫度已到奧氏體區，平衡組織本應是單相奧氏體，但快速加熱使組織轉變滯后，可能僅達到奧氏體+鐵素體區，所以高頻、中頻淬火通常屬于亞穩奧氏體淬火，即使快速冷卻，得到馬氏體組織，可能仍保留少許未轉變成奧氏體的鐵素體，在本次金相觀察中見到過這種情況。

(2) 鋼線管與感應圈的同心度在煨管時不易保證，鋼線管煨彎過程橢圓度逐漸加大，各部位與感應圈的距離在不斷變化，受熱不均勻程度加劇，最后獲得的組織也會有差異，導致性能不均勻。

(3) 同時有形變作用存在，有些類似形變熱處理。現代鋼材控軋技術使鋼的性能大幅提高，近半數的鋼線管為控軋產品。鋼線管煨彎時的形變量有限，各個試件的形變量均低于20%，達不到同時保持鋼的塑韌性不降低，強度大大提高的效果。且小于20%的形變量反會加速晶界遷移，促使晶粒長大，晶粒長大會使得性能惡化。此外，鋼管煨彎時各部位形變量是不同的，對其最終性能不均勻是有影響的。

(4) 影響最大的因素仍然是煨管的工藝參數：感應加熱溫度，冷卻速度，推進速度以及煨管后的回火，最后獲得什么組織，主要由工藝參數決定。

綜上所述，煨管后其強度、塑韌性取決于獲得的顯微組織，因形成馬氏體組織使強度可以達到很高的水平，但是彎管各部性能又很不均勻。需要提出的是，煨管后要進行590℃的消應力退火，實際上也是一次高溫回火，但其著眼點是去除殘余應力，而非改善組織。從組織觀察看，雖然也能看到有回火處理的痕跡，但強度高的試件，其組織基本上仍維持馬氏體原貌。如能調整回火溫度，保溫時間，達到消除馬氏體，使其轉變成回火索氏體，則綜合性能均得以改善，殘余應力也可得到消除。

3 結論

(1) L360NB彎管力學性能差異較大，彎管部分試件強度過高是因為其組織是硬脆的馬氏體，組織與母材差異越小，其強度與母材差異也越小。

(2) L360NB彎管受熱程度不均勻以及各個部位形變量不同，造成彎管各部組織、性能不同。

(3) 建議可以從調整回火溫度著手，制定完善的回火工藝，消除馬氏體組織，以達到改善組織和性能的目的。