X65 管線鋼管成分與性能關系的分析研究*

李立豪， 張永清， 韓秀林， 谷 雨， 喬桂英， 肖福仁

（1. 燕山大學材料科學與工程學院亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；2. 河北省金屬產品工藝與性能綜合優化重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；3. 中信微合金化技術中心， 北京 100004； 4. 渤海裝備華油鋼管公司， 河北 青縣 062658；5. 周口師范學院 機械與電氣工程學院， 河南 周口 466000；6. 燕山大學 環境與化學工程學院， 河北 秦皇島 066004）

0 前 言

自20 世紀70 年代初， 微合金Mo-Nb 針狀鐵素體管線鋼的出現[1]， 低C-Mn-Mo-Nb 管線鋼幾乎成為高強韌性管線鋼的基本體系[2-3]。 21 世紀初，Gray 等[4]提出高Nb 管線鋼概念， 其以Nb 替代Mo（無Mo 或低Mo） 而由此具有成本優勢， 顯著推動了低成本高Nb 管線鋼的開發和應用[5-6]， X80 管線鋼也擴展出C-Mn-Cr-Nb、 C-Mn-Mo-Nb、 C-Mn-Cr-Mo-Nb 等體系， 并在西氣東輸等工程等得到廣泛應用[7]， 同時該理念也被應用于X65、 X70 等管線鋼。 由于不同企業裝備及TMCP 工藝的不同，其采用的管線鋼體系也存在一定的差異。 這種成分的差異不僅影響管線鋼板材的性能， 而且顯著影響鋼管的性能。 但到目前為止， 關于不同成分體系對管線鋼管性能影響的研究較少， 進而很難獲得統一成分設計思想。 本研究利用某鋼管廠生產的X65 鋼管數據， 系統分析了鋼管成分及性能，進一步探討了管線鋼成分與性能的關系， 從而提高X65 管線鋼管的穩定性， 保證管線安全運行。

1 試驗材料

本研究選取了6 個鋼廠1 087 批次鋼管， 鋼管的原料生產廠家、 鋼管規格、 批次及化學成分見表1。 由表1 可知， 不同鋼廠及批次所采用的成分體系存在一定差異， A 鋼廠所采用的是傳統Mn-Mo-Nb 系， 而且Nb 含量很低， 平均w（Nb）僅為0.038%； B 鋼廠采用兩種成分體系， 即Mn-Cr-Nb 和Mn-Nb 系， 但Nb 含 量 有 一 定 差異， 隨板厚的增加， Nb 含量呈增加的趨勢， 平均w（Nb）由0.039%分別增加到0.042%和0.054%；C 鋼廠則采用Mn-Nb 系， 平均w（Nb）為0.044%；D 鋼廠因鋼板壁厚較大， 采用Mn-Cr-Nb 系， 且平均w（Nb）為0.049%； E 鋼廠也采用Mn-Cr-Nb 系，但Cr、 Nb 含量較高， 平均w（Cr）、 w（Nb）分別為0.24%和0.056%； F 鋼廠兩種規格鋼管均采用Mn-Cr-Nb 系， 但在Cr、 Nb 含量上略有差異， 一種低Cr-Nb， 平均w（Cr）、 w（Nb）分別為0.11%和0.057%，另一種則采用高Cr-Nb， 平均w（Cr）、 w（Nb）分別為0.26%和0.065%。

表1 X65 原料生產廠家、鋼管規格、批次及化學成分

所選用鋼管產自同一螺旋焊管生產線， 鋼管的性能 （管體、 焊縫） 按GB/T 9711—2017 和API SPEC 5L 等標準進行取樣、 測試。

2 試驗結果與分析

2.1 管體性能

圖1、 圖2 給出了采用不同鋼廠原料生產鋼管管體的屈服強度和沖擊韌性的統計分析結果。由圖可見， A 鋼廠1#鋼管管體的屈服強度主要集中在標準下限， 平均屈服強度為472 MPa； 相反，管體在-20 ℃下的沖擊韌性較好， 平均低溫沖擊功達到360 J。 對B 鋼廠， 雖然2#、 3#鋼均采用Mn-Cr-Nb 系， 但屈服仍集中在標準的下限， 平均屈服強度為479 MPa 和473 MPa， 但韌性則相差較大， 2#鋼0 ℃下的沖擊功僅為142 J， 而3 號鋼在-5 ℃下的沖擊功則到達253 J； 相對采用Mn-Nb 的6#鋼， 其屈服強度和0 ℃下的沖擊韌性均有所提高， 平均屈服強度和沖擊功分別達到480 MPa 和261 J。 對比B 鋼廠三種鋼的化學成分， Nb 含量的差異最大， 這表明微量Nb 含量對鋼的強度和韌性有顯著的影響。 C 鋼廠的4#鋼采用Mn-Nb 系， 但Nb 含量有所增加， 其強度較低， 平均屈服強度僅為462 MPa， 而韌性有所改善， -19 ℃下的沖擊功則達到240 J。 D 鋼廠的5#鋼采用Mn-Cr-Nb 系， 且Nb 含量有所增加， 其強度和低溫韌性均有所改善， 平均屈服強度和-20 ℃下的沖擊功分別達到471 MPa 和322 J。 E 鋼廠的6#鋼采用了與D 鋼廠相同的成分體系， 但Cr、 Nb含量均有所提高， 管體的屈服強度提高， 平均屈服強度為497 MPa， 但其在-20 ℃下的沖擊功略有降低， 平均低溫沖擊功為309 J。 F 鋼廠的8#和9#鋼雖然均采用了Mn-Cr-Nb 系， 但Cr、 Nb 含量有所差異， 通過提高Cr、 Nb 含量， 鋼的強度和韌性均有所改善， 低Cr、 Nb 含量8#鋼的平均屈服強度和-20 ℃下的沖擊功為491 MPa 和299 J； 而高Cr、 Nb 的9#鋼平均屈服強度和-20 ℃下的沖擊功則為493 MPa 和315 J。

圖1 鋼管管體屈服強度統計分析結果

圖2 鋼管管體低溫沖擊功統計分析結果

2.2 焊縫性能

圖3～圖5 為不同鋼管焊縫強度、 熱影響區和焊縫金屬低溫沖擊韌性統計結果。 從結果看， 各批次性能均符合正態分布。 然而對比不同鋼性能分析結果， 焊縫強度、 熱影響區和焊縫金屬低溫沖擊功的變化規律與管體的性能變化規律一致， 但與管體相比， 焊縫抗拉強度增加； 而熱影響區和焊縫金屬的低溫沖擊功明顯降低， 這主要是由于在焊接過程中， 焊縫受到了焊接熱循環的作用， 這也表明管線鋼的化學成分對鋼管性能具有重要影響。

圖3 鋼管焊縫抗拉強度統計分析結果

圖4 鋼管焊接熱影響區低溫沖擊功統計分析結果

圖5 鋼管焊縫金屬低溫沖擊功統計分析結果

2.3 管線鋼組織

圖6 為不同鋼廠及鋼板的金相組織。 所有鋼的組織均為針狀鐵素體， 但不同鋼廠及批次鋼的組織略有差異。 A 鋼廠生產的1#鋼組織主要由均勻的準多邊形鐵素體、 粒狀貝氏體及少量馬氏體/奧氏體島構成； B 鋼廠生產的3#鋼主要為粒狀貝氏體和少量準多邊形鐵素體； C 鋼廠和D 鋼廠生產的4 鋼和5#鋼的組織則為粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體， 而5#鋼的粒狀貝氏體量增加； E 鋼廠生產的7#鋼的組織主要為粒狀貝氏體； F 鋼廠生產的9#鋼組織仍為粒狀貝氏體和粒狀貝氏體構成， 而隨Cr、 Nb 含量增加， 粒狀貝氏體量增加。 這種組織的差異和鋼的成分及軋制工藝有關。

3 討 論

由上述統計分析結果看， 不同鋼廠、 不同批次生產的X65 管線鋼管性能存在較大差異， 為能夠清晰分析影響管體性能的關鍵因素， 圖7 給出了不同鋼廠及批次鋼管性能的平均統計結果。盡管不同鋼廠生產的鋼管規格不同， 其鋼的軋制工藝、 鋼管成型及焊接工藝有所差異， 但除了Mn-Mo-Nb 系具有較低的強度和高韌性之外，Mn-Nb 和Mn-Mo-Nb 系鋼管的性能似乎與鋼的成分有很大的關系。 如Mn-Cr-Nb 系的2#鋼、 3#鋼具有良好的強度和韌性； 而Mn-Cr 系的4#鋼具有強度和韌性略有降低。 而Mn-Cr-Nb 系的5#鋼， 鋼管的強度和韌性均有所提高； 雖然6#鋼仍采用了Mn-Nb 系， 但鋼管的強度和韌性變化不大； 相反， Mn-Cr-Nb 系7#鋼、 8#鋼、 9#鋼強度和韌性均有所提高。 結合鋼的成分看， 所有管線鋼的C、 Mn 含量相差不大， 主要的成分差異為Cr、 Nb， 但對Mn-Nb 系和Mn-Cr-Nb 系鋼， Cr含量并不是影響鋼管性能的決定因素， 如2#鋼、3#鋼、 5#鋼和8#鋼， Cr 含量基本相同， 但5#和8#鋼的強度和韌性明顯高于2#和3#鋼， 同時無Cr 的4#鋼和6#鋼雖然強度略有降低， 但6#鋼的強度和韌性也明顯高于2#鋼、 3#鋼； 另外， 對比Cr 含量相同的5#鋼和8#鋼， 5#鋼的強度低于8#鋼， 但韌性高于8#鋼。

鋼的成分和工藝決定鋼的組織， 從而影響鋼的性能[8]。 對低碳微合金鋼， 微合金元素Nb 對鋼的組織和性能有顯著的影響[9-10]。 由表1 可見， 在不同體系鋼中， 除Mo、 Cr 含量較大外， 其余合金元素中變化最大的主要是微合金元素Nb， 意味著Nb 對鋼管的性能有顯著的影響。 圖8 給出了不同鋼管性能與平均Nb 含量的關系， 由圖8可 見， 除Mn-Mo-Nb 系 的1#鋼 外， Mn-Nb、Mn-Cr-Nb 系鋼的性能與Nb 含量存在一定關系，對Mn-Mo-Nb 系管線鋼， 雖然添加了Mo 元素，但Nb 含量較低， 鋼管管體的屈服強度較低， 但韌性最高， 這表明Mn-Mo-Nb 系管線鋼能夠獲得最佳的強韌性匹配； 而對于Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系管線鋼， 隨著Nb 含量的增加， 鋼的強度和韌性增加， 但當w（Nb）增加到0.055%時， 隨著Nb 含量的增加， 其韌性變化不大。

圖8 不同鋼管性能與平均Nb 含量的關系

焊縫的強度、 熱影響區的韌性也表現出與管體性能相同的規律。 但由于焊接熱循環的作用，焊接接頭強度的分散性減小， 而熱影響區低溫沖擊功分散度增大， 且與鋼管管體相比， 熱影響區的沖擊功顯著降低。 此外， 從結果看， Cr 含量對鋼管的強度和韌性也有一定的影響， 在Nb 含量相近的條件下， 隨Cr 元素的添加及其含量的增大， 對鋼管管體的強度和韌性、 焊縫的強度和熱影響區的韌性均有一定改善作用。 但在高的Cr、Nb 含量的條件下， 合金元素對韌性的影響作用減弱。 然而， 對焊縫金屬， 管線鋼成分對韌性的影響作用不大， 但由現有的數據看， 當w（Nb）=0.050%～0.060%時， 焊縫表現出良好的韌性。

綜上所述， 從Mn-Mo-Nb、 Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系X65 管線鋼管的性能結果看， 傳統Mn-Mo-Nb 系管線鋼具有良好的綜合力學性能。而對于Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系管線鋼， 隨著Nb含量的增加， 鋼管的強度和韌性得到顯著改善。管體和焊縫強度隨Nb 含量的增加幾乎呈線性關系； 隨w（Nb） 增加到0.050%～0.060%時， 管體和熱影響區的韌性得到最大的改善， 進一步增加Nb 含量， 對韌性的影響不大。 同時焊縫金屬的韌性也在w（Nb）為0.050%～0.060%時獲得良好的穩定性。

4 結 論

（1） 不同鋼廠及批次的Mn-Mo-Nb、 Mn-Nb和Mn-Cr-Nb 三種體系X65 管線鋼管均有良好的性能， 均能滿足相關技術規范要求。

（2） 對于傳統Mn-Mo-Nb 系管線鋼管， 在低Mo 和Nb 含量條件下， 雖然鋼管的強度略低，但能夠獲得高的低溫沖擊韌性。

（3） Mn-Nb 及Mn-Cr-Nb 系鋼管管體及焊縫的強度與Nb 含量呈線性關系； 而管體、 熱影響區的低溫沖擊韌性則隨w（Nb）增加到0.05%～0.06%時獲得最大的改善效果； Nb 含量對焊縫金屬的影響不大。