Nb 含量對X70 鋼級直縫埋弧焊管組織及強韌性的影響

何小東，張永青，HAN David，陳越峰，楊耀彬

（1. 中國石油集團工程材料研究院有限公司·石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，陜西 西安 710077；2. 國際焊接研究中心，陜西 西安 710077；3. 中信金屬股份有限公司，北京 100004）

管道輸送是石油和天然氣最高效、經(jīng)濟的運輸方式，尤其是X70 鋼級及以上的大直徑長輸管道。在20 世紀80年代早期，人們就采用加入Nb 來設(shè)計新一代高強度低合金鋼[1]，充分利用Nb 的固溶和析出行為，結(jié)合熱機械軋制（Thermo-mechanical Controlled Process，TMCP）工藝，達到細化晶粒、控制相變和析出強化的效果，從而獲得高強度高韌性的鋼材，如X70、X80 管線鋼。而對于X70 鋼級及以上的高鋼級管線鋼，其成分設(shè)計大都是低碳（超低碳）的Mn-Nb-Ti 或Mn-Nb-V（Ti）合金體系，同時還加入Mo、Ni、Cu 等元素提高淬透性，并通過TMCP 工藝細化晶粒，得到針狀鐵素體、貝氏體乃至馬氏體組織[2]。因此，Nb 是生產(chǎn)高級別管線鋼必不可少的微合金化元素[3]，它可以起到細化晶粒和沉淀強化的作用。當同時加入Mo 與Nb 時，Mo 在控軋過程中可抑制奧氏體再結(jié)晶，進而促進奧氏體顯微組織的細化[4]。而且，已有研究表明，晶粒大小、析出相分布、位錯密度及位錯形態(tài)等微觀結(jié)構(gòu)對X80 管線鋼的強度、韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度有明顯的影響[5]。

近20年來，我國在高鋼級管線鋼開發(fā)及工程應(yīng)用方面取得了巨大進步。西氣東輸二線管道工程的成功建設(shè)使我國從X70 管道建設(shè)的“追跑者”成為了X80管道的“領(lǐng)跑者”。雖然，X70、X80 高級別管線鋼已在我國西氣東輸一線、二線和中俄東線等天然氣管道工程中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，但不可否認的是，國內(nèi)早期的X70 和X80 管線鋼仍有大部分依賴于國外進口[6-14]。2000年，以西氣東輸一線為工程背景，我國開展了高鋼級X70 管線鋼的研究和開發(fā)。西氣東輸一線天然氣管道工程全長4 000 km，焊管用量約為156.7 萬t，其中60.7 萬t螺旋縫埋弧焊管用X70 卷板由國內(nèi)廠家提供，而能生產(chǎn)X70 鋼級寬厚板及X70 鋼級直縫埋弧焊管的廠家較少，約85%的直縫埋弧焊管依賴國外進口。2003年，我國開始X80 管線鋼的研制，并于2004年在西氣東輸管道工程冀寧支線建設(shè)了長度為7.8 km 的X80 試驗段。2007年，國內(nèi)X80 鋼級寬厚鋼板、卷板和焊管的試制工作全面展開，并在西氣東輸二線工程得到大規(guī)模的應(yīng)用，國產(chǎn)化率達到90%[15]。但是，壁厚25.4 mm 以上的X80 鋼級直縫埋弧焊管仍以進口為主。因此，我國對X70鋼級及以上管線鋼的研究和應(yīng)用歷史較短，在大直徑、厚壁高鋼級管道化學(xué)成分設(shè)計、軋制工藝和組織性能等相互之間的影響規(guī)律尚待進一步完善和系統(tǒng)研究。

本文針對不同Nb 含量的X70 直縫埋弧焊管，采用拉伸、夏比沖擊和落錘撕裂試驗測試了其強度和韌性，并采用金相顯微鏡和透射電鏡分析了管體的微觀組織，探討了X70 直縫埋弧焊管的成分、組織和強韌性的關(guān)系，以期為X70 管線鋼的成分設(shè)計、軋制工藝和制管焊接工藝的進一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為Φ1 219 mm×22 mm X70 鋼級直縫埋弧焊管，其實測化學(xué)成分見表1。表1 中，XG20、XG22 和XG23 分別代表不同成分的樣品編號，其成分設(shè)計主要合金元素為C、Mn、Cr，以及極少量的Mo、Ni、Cu 和Nb、V、Ti 微合金元素。XG20 和XG23 鋼管成分設(shè)計的Nb 含量為0.075%，但XG23 鋼管的C 含量為0.058%，略高于XG20鋼管的C 含量0.048%；而XG22 鋼管成分設(shè)計的Nb 含量為0.046%，C 含量為0.053%。XG20、XG22 和XG23 鋼管母材的S、P、N 元素含量極低，冷裂紋敏感系數(shù)（CEPcm）范圍為0.150%～0.162%，具有良好的焊接性。試驗用X70 直縫埋弧焊管均采用低碳微合金控軋管線鋼板經(jīng)JCOE 成型后，再進行內(nèi)、外多絲埋弧焊接。

表1 X70 鋼級直縫埋弧焊鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

分別在埋弧焊接頭和距焊縫180°位置管體橫向制備矩形拉伸試樣，試樣寬度為38.0 mm，標距為50 mm，采用SHT4106 材料試驗機，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》測試鋼管的拉伸性能。在距焊縫90°管體橫向和埋弧焊接頭取樣，制取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的V 型缺口夏比沖擊試樣，并采用PIT752D-2 沖擊試驗機，依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行系列溫度夏比沖擊試驗。同時，在距焊縫90°管體橫向制備尺寸為305 mm×76.2 mm×22 mm 的落錘撕裂試驗（Drop-weight Tear Test，DWTT）試樣，借助HIT50KP大能量擺錘沖擊試驗機依據(jù)SY/T 6476—2017《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》測試DWTT 試樣斷裂過程中的力-位移曲線和斷裂吸收能量及斷口的剪切面積百分比。用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡和JEM-2100F 高分辨透射電子顯微鏡分析了鋼管的微觀組織特征。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 強度及韌性

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的拉伸性能對比如圖1 所示。由圖1（a）可知，X20、XG22和XG23 圓棒和矩形試樣表現(xiàn)為連續(xù)屈服，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線為“拱頂”型。圖1（b）所示為管體橫向矩形試樣拉伸性能對比，結(jié)果表明，XG20、XG22和XG23 的拉伸屈服強度Rt0.5、抗拉強度Rm、屈強比和斷后伸長率（圖1c）均滿足API Spec 5L—2019《管線鋼管規(guī)范》要求，且XG20、XG23 的屈服強度和抗拉強度均高于XG22。圖1（d）表明，3 種Nb含量的X70 鋼級埋弧焊焊接接頭的抗拉強度大小關(guān)系與管體橫向的抗拉強度大小關(guān)系一致，即XG23XG20 XG22，其值均滿足API Spec 5L 要求，且試樣均在母材處斷裂。

圖1 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的拉伸性能對比

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的夏比沖擊吸收能量對比如圖2 所示。結(jié)果表明，X70 鋼級直縫埋弧焊管管體橫向和焊接接頭熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量和斷口剪切面積百分比均符合API Spec 5L 要求。由圖2（a）可知，XG20、XG22 和XG23 管體橫向在-70 ℃以上的平均沖擊吸收能量均高于290 J，具有優(yōu)良的沖擊韌性，其韌-脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）低于-80 ℃；但在-70～20 ℃，XG20 和XG23 管體橫向的平均夏比沖擊吸收能量略高于XG22，且在-80 ℃以上時XG23 管體橫向的沖擊吸收能量保持相當穩(wěn)定的水平。由圖2（b）可知，-80℃時，XG20 外焊道熱影響區(qū)仍具有較好的沖擊韌性，其沖擊吸收能量平均值大于100 J；在-10 ℃以上，XG20 外焊道熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量高于XG22 和XG23。按50%上平臺能計算韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，XG20 鋼管埋弧焊接頭熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度為-74 ℃，XG22 鋼管埋弧焊接頭熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度為-56 ℃，XG23 鋼管埋弧焊接頭熱影響區(qū)的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度為-51 ℃。因此，較高Nb 含量的XG20 埋弧焊管的熱影響區(qū)具有更好的低溫韌性，而較高Nb 含量的XG23 熱影響區(qū)的低溫韌性與較低Nb 含量的XG22 的熱影響區(qū)低溫韌性相近，這可能與XG23 鋼管較高的C 含量和原始組織狀態(tài)有關(guān)。

圖2 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的夏比沖擊吸收能量對比

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的DWTT韌-脆轉(zhuǎn)變曲線如圖3 所示。結(jié)果表明，XG20、XG22 和XG23 鋼管在-5 ℃下的DWTT 斷口剪切面積百分比符合API Spec 5L 要求。同時，XG20 和XG23 鋼管的DBTT分別為-44 ℃和-37 ℃，而XG22鋼管的DBTT為-30 ℃。因此，XG20 和XG23 鋼管的DBTT低于XG22。這也表明，XG20 和XG23 鋼管具有更好的低溫韌性。XG20、XG22 和XG23 鋼管在典型溫度-5 ℃和-30 ℃下的DWTT 斷口形貌如圖4～6 所示。表明，在-5 ℃時，3 種Nb 含量的X70 鋼級直縫埋弧焊管管體DWTT 斷口的剪切面積百分比相近。但是，當試驗溫度降低至-30 ℃，Nb 含量較高的XG20 和XG23 管體的DWTT 斷口的平均剪切面積百分比明顯高于Nb 含量較低的XG22 管體。

圖3 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的DWTT 韌-脆轉(zhuǎn)變曲線

圖4 XG20 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

圖5 XG22 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

圖6 XG23 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管典型溫度下DWTT 的力-位移曲線如圖7 所示。在20 ℃時，XG20 和XG23 落錘撕裂試驗過程中啟裂能略高于XG22，而XG22 的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展能大于XG20 和XG23；試驗溫度為-5 ℃時，XG22 的總的吸收能量和裂紋穩(wěn)態(tài)擴展能大于XG20 和XG23；但溫度降低至-20 ℃時，XG20 和XG23 試樣缺口根部啟裂后裂紋能夠穩(wěn)態(tài)擴展，而XG22 啟裂后迅速失穩(wěn)擴展。因此，Nb 含量較高的XG20 和XG23 鋼管的低溫斷裂韌性好于Nb 含量較低的XG22 鋼管。

圖7 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管典型溫度下DWTT 的力-位移曲線

2.2 微觀組織分析

金相分析表明，XG20、XG23 管體表面附近、壁厚1/4 處和壁厚中心的顯微組織為B粒+PF+MA，平均晶粒度均為11.5 級，夾雜物為0.5 級；而XG22 的表面附近和壁厚中心的顯微組織以PF+B粒為主，壁厚1/4 處為B粒+PF，平均晶粒度均為11.0級，夾雜物為0.5 級。不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體壁厚中心的顯微組織如圖8 所示。

圖8 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體壁厚中心的顯微組織

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM）組織形貌如圖9 所示。結(jié)果表明，在XG20鐵素體尺寸較大，很少以長的板條狀存在，位錯數(shù)量也較少；M/A 島多以規(guī)則的塊狀存在，長條狀的M/A 島數(shù)量較少；小顆粒析出相主要位于晶粒內(nèi)部，少量處于晶界處。XG22 管體組織的晶粒內(nèi)部有著高密度的位錯，同時晶粒內(nèi)部分布著一些析出相，析出相的平均間距 500 nm；同時，也可以清楚看到位錯的形態(tài)，以及主要分布在晶內(nèi)的析出顆粒，其平均尺寸在30 nm 左右。XG23 管體有較多的板條貝氏體存在，晶內(nèi)位錯密度較高，M/A 島多以條狀分布在基體中，其組織形態(tài)更接近于X80鋼級管線鋼。

圖9 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的TEM 組織形貌

2.3 討論與分析

由于XG20、XG22 和XG23 鋼管的化學(xué)成分和顯微組織存在一定差異；因此，含Nb 較高的XG20 和XG23 管體的強度和韌性高于XG22 管體的，但XG22 管體的斷后伸長率大于XG20 和XG23 管體的。在0 ℃以上進行落錘撕裂試驗時，XG22 鋼管管體的變形能力較大，其沖擊吸收能量高于XG20 和XG23；溫度低于0 ℃時，XG22 鋼管的DWTT 吸收能量迅速降低，并且裂紋擴展過程中可能出現(xiàn)脆性失穩(wěn)。

一般情況下，位于晶界的析出相有釘扎晶界的作用，內(nèi)部的析出相對于晶粒長大的阻礙作用有限，但對阻礙位錯的運動則有顯著地貢獻，在變形過程中，析出相可以與位錯發(fā)生相互作用。對于XG20 鋼管，析出相對晶界的釘扎起到了一定的強化作用。與XG20 相比，XG22 鋼管中的析出相數(shù)量接近，且晶界處分布較少；因此，析出相對晶界的釘扎作用更弱。XG23 析出相數(shù)量減少，且主要分布于晶內(nèi)，但軋制過程的形變強化引入的位錯數(shù)量較多，且XG23 中板條界也較多，平均寬度較小，可以有效阻礙位錯的運動，形成位錯胞或位錯纏結(jié)，從而使其強度提高。

3 結(jié) 論

（1） 隨著Nb 含量的升高，X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的顯微組織由PF+B粒為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐訠粒為主，平均晶粒尺寸也更細小；在其他成分相同情況下，C、Nb 含量，組織類型、析出相及位錯密度對X70 鋼級管線鋼的強韌性具有重要影響。

（2） 對于Nb 含量為0.046%和0.075%的X70鋼級直縫埋弧焊管，管體橫向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的“拱頂”型，屈服強度、抗拉強度、屈強比和斷后伸長率均滿足API Spec 5L 要求。但含Nb較高的X70 鋼級直縫埋弧焊管管體橫向的屈服強度和抗拉強度均高于含Nb 較低的X70 鋼級；Nb含量相同時，C 含量越高，其屈服強度和抗拉強度也越高。

（3） 對于Nb 含量較高的X70 鋼級直縫埋弧焊管，其管體橫向的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度更低，具有更好的低溫沖擊韌性，鋼管啟裂后不易失穩(wěn)擴展。但Nb 含量較低的X70 鋼級鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變曲線具有更高的上平臺能。

（4） 對于X70 鋼級直縫埋弧焊管，Nb 含量較高、C 含量較低的鋼管（XG20）的熱影響區(qū)具有更好的低溫韌性，其韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低于Nb含量較低的X70 鋼級鋼管（XG22）。

致謝：感謝巴西礦冶公司（Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao）對本項目的支持。