關(guān)于X65M 管線鋼沖擊斷口分離的控制與分析

王 軍 管劉輝

（安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司）

0 前言

隨著科技的發(fā)展、時代的進步,人們對石油、天然氣等一些能源資源需求量越來越大，石油、天然氣的運輸安全問題也越來越引起大家的關(guān)注。管道運輸因具有運輸效率高、成本低的特點而被全世界廣泛應(yīng)用，作為油氣管道運輸?shù)闹饕d體，對其各項性能指標(biāo)的要求越來越嚴格，要求其在具有較高強度的同時還具有優(yōu)良的韌性[1]。檢驗管線鋼強度、塑性常采用拉伸試驗、夏比沖擊試驗、落錘沖擊試驗和冷彎試驗等方法，在斷口處出現(xiàn)分離現(xiàn)象，一方面導(dǎo)致管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，在低溫環(huán)境下使用，沿斷口分離方向裂紋擴展更容易，一旦起裂，裂紋較深長度較大[2]；另一方面降低了管道的承載能力，減少管線鋼使用壽命，對于管線鋼危害較為嚴重；典型的沖擊斷口分離形貌如圖1[3]所示。

筆者通過對X65M 管線鋼熱軋過程工藝進行調(diào)整，分析其對沖擊斷口的分離影響作用，目的是降低X65M 管線鋼斷口分離比率，提高其機械性能和抗裂紋性能，降低管線鋼開裂事故發(fā)生。

1 試驗材料與方法

試驗鋼采用國內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)的11.1 mm規(guī)格的X65M 管線鋼熱軋卷（制管前），依據(jù)GB/T229—2007 國家標(biāo)準，通過夏比沖擊試驗來分析斷口分離現(xiàn)象，因制管焊接工藝采用螺旋埋弧焊，取樣方向選擇沿軋制方向的45 方向，對應(yīng)制管后的橫向取樣位，試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣缺口為V 型缺口，深為 2.00 mm。在 Axiovert25 型蔡司顯微鏡下對試驗鋼進行金相組織觀察，沖擊試驗后斷口在 S-3400N 型掃描電鏡進行宏觀和微觀斷口掃描和分析，同時配合使用VUESTL2 X 射線能譜儀對斷口內(nèi)夾雜或析出物進行成分分析。其化學(xué)成分見表1。

試驗鋼在1 780 mm 熱連軋軋機進行軋制。相關(guān)資料表明[4,5]，沖擊斷口分離與材料中心偏析及中心缺陷存一定的關(guān)聯(lián)性[6]；且根據(jù)目前生產(chǎn)實踐，軋制過程采用粗軋大壓下量及高溫軋制的方法對原始鑄坯中心偏析和中心疏松等缺陷有良好的改善作用，更有利于鑄坯中心疏松焊合以及減輕C、S、Mn、P 等元素偏析元素的集中分布，以此盡可能降低原始板坯中心缺陷對材料機械性能影響。基于此，加熱采用統(tǒng)一的加熱工藝，加熱溫度為1 250 ℃，保溫時間為320 min，通過調(diào)整熱連軋軋制工藝（增加粗軋道次壓下率、提高精軋進出口溫度）來對應(yīng)分析X65M 試驗鋼沖擊斷口分離的程度，本次試驗熱軋工藝參數(shù)見表2。

表2 X65M 管線鋼軋制工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖擊斷口

在-65 ℃、-35 ℃、-20 ℃溫度下，對1#試驗鋼、2# 試驗鋼、3# 試驗鋼分別進行了三組沖擊試驗,試驗鋼的沖擊斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 沖擊斷口形貌（續(xù)）

從圖2 可以看出，1#試驗鋼在-65 ℃斷口分離最為嚴重，斷口分離多出現(xiàn)在試樣厚度方向的中心區(qū)域，分離裂紋多為單條狀，長度為8 mm，寬度2.5 mm，深度為2 mm 左右，按照中國石油天然氣集團公司管材研究所評級方法[1]為Ⅳ級，分離級別最高；在-35 ℃、-20 ℃斷口分離依舊存在，隨著溫度的升高，斷口分離稍有改善，但分離裂紋仍然較長較深，-35 ℃長度為8 mm，寬度為2.5 mm，深度為1.6 mm 左右，斷口分離級別為Ⅳ級；-20 ℃長度為6.5 mm，寬度為2.4 mm，深度為1.8 mm 左右，斷口分離級別為Ⅳ級。對比1#試驗鋼，2#試驗鋼粗軋模式采用0+5 模式，精軋溫度提高20 ℃，斷口分離明顯得到改善，裂紋長度平均值降低到3.2 mm，寬度平均值降低到2.2 mm，深度平均值降低到1.3 mm。在低溫（-65 ℃）下斷口分離出現(xiàn)比例較高，達到80%左右，在-20 ℃斷口分離比例降低到45%左右。與1#試驗鋼相比，3#試驗鋼粗軋模式采用1+3 模式，精軋溫度提高40 ℃，平均道次壓下量由原來的29%增加到44%，斷口分離比例最低，為 20%左右；沖擊斷口很少出現(xiàn)較長、較深的裂紋，斷口分離評級為Ⅱ級。從宏觀表現(xiàn)可以看出，斷口分離在低溫下出現(xiàn)概率比較大，多為較長、較寬的裂紋，斷口分離評級高。隨著溫度的升高，斷口分離程度減少，斷口分離評級降級，而隨著沖擊溫度的降低，斷口分離程度增加[7]。通過增大粗軋壓下量和提高軋制工藝溫度來改善X65M 管線鋼C、Mn、S 等元素的中心偏析、中心疏松等缺陷，使得材料中心缺陷位置更加致密，偏析帶分布更加均勻，增強了基體中心處的結(jié)合力[7,8]；以此降低中心偏析、中心疏松等缺陷在沖擊斷裂過程產(chǎn)生的中心裂紋生成及擴張，從而降低沖擊斷口分離比例。在-20 ℃時，斷口分離比例由80%下降到20%以下，斷口分離評級明顯降低，在-65 ℃時分離評級由Ⅳ級降低到Ⅱ級。

2.2 金相組織

試驗鋼沖擊斷口處沿剖面宏觀組織形貌和對應(yīng)的中心顯微組織如圖3 所示。

圖3 裂紋的顯微組織形貌

從圖3 可以看出，1#試驗鋼為原始工藝初軋模式，采用1+5 道次模式，精軋溫度800～980 ℃，沖擊斷口分離起裂紋位置與實驗鋼的中心偏析帶位置相對應(yīng)，斷口分離基本發(fā)生在偏析帶位置[9]，并且中心偏析等缺陷帶分布更為集中。2#試驗鋼，初軋模式采用0+5 道次模式，精軋溫度8 20～1 000 ℃，斷口中心存在明顯裂紋，開口位置與中心偏析帶位置對應(yīng)，中心偏析等缺陷帶分布有所改善，優(yōu)于1#實驗鋼，但仍有明顯中心開裂。3#試驗鋼，調(diào)整初軋模式（1+3 模式）并提高終軋溫度到8 40～1 020 ℃，斷口處組織均勻性更好，未有分離裂紋的出現(xiàn)，說明熱軋過程采用粗軋大壓下和高溫軋制對實驗鋼的中心缺陷及裂紋開裂有明顯的改善[10,11]，中心組織更加均勻，偏析帶明顯減輕。

2.3 沖擊功曲線

沖擊斷口分離對試驗鋼沖擊韌性有直接影響，隨著斷口分離評級的升高，沖擊功有明顯降低趨勢；試驗鋼在不同沖擊溫度下的沖擊功變化曲線如圖4 所示。

圖4 沖擊功曲線變化

從圖4 可以看出，2#試驗鋼和3#試驗鋼的沖擊功明顯高于1#實驗鋼的，在-20～-45 ℃，3#試驗鋼的沖擊功為290～300 J，2#試驗鋼的沖擊功為220～240 J，1#試驗鋼的沖擊功為160～220 J。在-55 ℃溫度下，實驗鋼的沖擊功都相對較低，3#試驗鋼因斷口分離比例降低，其沖擊功明顯高于2#實驗鋼和1#試驗鋼的，3#試驗鋼平均約為220 J，2#試驗鋼平均約為200 J,1#試驗鋼平均約為160 J；試驗鋼沖擊試驗溫度越低，越接近其韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此沖擊功下降更為明顯[12,13]；通過以上分析斷口分離對X65M 管線鋼的沖擊功有明顯不利影響，減輕斷口分離的材料其沖擊功明顯提升。

3 結(jié)論

（1）調(diào)整X65M 管線鋼熱軋工藝，將粗軋模式由1+5 調(diào)整到1+3 模式，精軋溫度提高40 ℃，平均道次壓下量由原來的29%增加到44%，斷口分離比例由原來的80%降低到20%左右，沖擊斷口很少出現(xiàn)較長、較深的裂紋，斷口分離評級明顯降低，在-65 ℃時分離評級由Ⅳ級降低到Ⅱ級。

（2）調(diào)整X65M 管線鋼熱軋工藝，在降低斷口分離比例的同時，改善了X65M 管線鋼的沖擊功。在-20-45 ℃沖擊試驗范圍，沖擊功由160～220 J提高到290～300 J；在-55 ℃沖擊功由160 J 提高到220 J。

（3）通過增大熱軋壓下量和提高軋制工藝溫度，改善X65M 管線鋼中心偏析及中心疏松等缺陷，使得材料中心缺陷位置更加致密，偏析帶分布更加均勻，增強基體沿厚度中心位置的結(jié)合力；以此降低中心偏析、中心疏松等缺陷在沖擊斷裂過程產(chǎn)生的中心裂紋生成及擴張，明顯降低了X65M沖擊斷口分離比例，由81%降低到20%左右。