史立強(qiáng)， 牛 輝編譯

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

0 前 言

使用高強(qiáng)管線(xiàn)鋼可以實(shí)現(xiàn)氣體的高壓傳輸，從而降低氣體管線(xiàn)的運(yùn)輸成本。由于長(zhǎng)距離的輸氣管道穿過(guò)偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)不連續(xù)的凍土層，在這種情況下大變形管線(xiàn)鋼要基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。本研究描述了大變形高強(qiáng)度X80和X100管線(xiàn)鋼基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的過(guò)程。

大變形管線(xiàn)鋼首先要具備一定的止裂性能。基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)有兩個(gè)臨界應(yīng)變極限，一個(gè)是拉伸應(yīng)變極限；另一個(gè)是壓縮應(yīng)變極限。對(duì)于拉伸應(yīng)變極限，當(dāng)環(huán)焊部分的管線(xiàn)接觸到彎曲壓力時(shí)需要一個(gè)防止管線(xiàn)鋼破裂的臨界應(yīng)變值，應(yīng)考慮到環(huán)焊部分的尺寸缺陷和錯(cuò)邊，因此必須有一個(gè)拉伸應(yīng)變極限。在縱向上環(huán)形焊縫與母材的高強(qiáng)匹配可以有效的實(shí)現(xiàn)高的拉伸應(yīng)變極限。所以要求母材在熱時(shí)效前后有很窄的強(qiáng)度區(qū)間。另一方面，對(duì)于臨界應(yīng)變極限，當(dāng)管線(xiàn)受到彎曲時(shí)需要一個(gè)防止管線(xiàn)屈曲的臨界應(yīng)變。壓縮應(yīng)變極限與母材的加工硬化率 （n）、屈強(qiáng)比 （Y/T）及均勻延伸率 （UEL）有關(guān)系。出于這種考慮，為獲得高的抗壓極限需要母材具有高n、低屈強(qiáng)比和高的均勻延伸率。為了滿(mǎn)足上述基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的要求，需要抗大變形管線(xiàn)鋼。新日鐵公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X60到X100大變形管材。以下重點(diǎn)描述X80和X100大變形管線(xiàn)鋼材的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

1 大變形高強(qiáng)管線(xiàn)鋼的合金化設(shè)計(jì)及工藝過(guò)程

大變形管線(xiàn)鋼需要基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，就需要具有高拉伸應(yīng)變極限和高壓縮應(yīng)變極限。據(jù)報(bào)道，雙相微觀組織的形成可以改善鋼管的可變形性和止裂性能。鐵素體和貝氏體/馬氏體雙相微觀組織或貝氏體和馬氏體奧氏體 （M/A）雙相微觀組織可以改善可變形性，例如，應(yīng)力比的平衡，將應(yīng)力比率定義為應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)的流變應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之比。當(dāng)貝氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相微觀組織的時(shí)候抗拉強(qiáng)度有著顯著的改善，當(dāng)微觀組織轉(zhuǎn)變成雙相組織的時(shí)候屈強(qiáng)比會(huì)降低。

雙相微觀組織、帶狀組織和M/A組織的形成對(duì)低溫韌性是不利的。對(duì)于帶狀組織，由于分離的出現(xiàn)會(huì)明顯降低吸收功。當(dāng)鋼材具有許多M/A組織時(shí)，導(dǎo)致脆化區(qū)的形成從而韌脆轉(zhuǎn)變溫度 （DBTT）急劇下降。相反，當(dāng)硬的第二相是彌散分布時(shí)，其吸收的能量與貝氏體組織接近。因此，良好的彌散雙相微觀組織能有效提高材料的塑性變形行為和低溫韌性。有文獻(xiàn)表明，熱機(jī)械軋制工藝 （TMCP）可獲得彌散的雙相組織。若要形成雙相微觀組織，在TMCP過(guò)程中有一些條件，如延遲淬火處理 （DLQ）、弱加速冷卻工藝（MAC）以及在（α+β）區(qū)的臨界點(diǎn)之間軋制的兩相區(qū)軋制工藝（DPP）。有觀點(diǎn)認(rèn)為，弱加速冷卻工藝可以得到很好的雙相彌散組織，從而提高低溫韌性、技術(shù)準(zhǔn)備和成本收益，因而被采納。

2 X80大變形高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼管

X80大變形高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的工業(yè)生產(chǎn)是基于管線(xiàn)鋼材料的變形能力和低溫韌性之間達(dá)到良好平衡設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的。工業(yè)上已經(jīng)生產(chǎn)了壁厚為15 mm，16 mm和22 mm管線(xiàn)鋼。轉(zhuǎn)爐冶煉出300 t連鑄坯進(jìn)行再加熱，經(jīng)過(guò)控制軋制和弱加速冷卻制成15 mm，16 mm和22 mm厚的鋼板，隨后進(jìn)行UOE成型制管。下面對(duì)壁厚為15 mm和22 mm的X80管線(xiàn)鋼管進(jìn)行其力學(xué)性能的研究，并研究鋼管在熱時(shí)效前后的力學(xué)性能和DWTT性能。

2.1 熱時(shí)效前后管體縱向的力學(xué)性能

圖1（a）是15 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管熱時(shí)效前后管體縱向應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。試樣取自距焊縫90°位置，進(jìn)行再加熱溫度為220℃和240℃，保持5 min，然后空冷。當(dāng)熱時(shí)效溫度為240℃時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)呈圓屋頂曲線(xiàn)，屈服強(qiáng)度定義為載荷下總應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)的應(yīng)力值。圖1（b）是15 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管的熱時(shí)效溫度對(duì)其屈強(qiáng)比和均勻延伸率的影響。隨著熱時(shí)效溫度的增加，其屈強(qiáng)比也隨之漸漸增加。當(dāng)熱時(shí)效溫度為240℃時(shí)，屈強(qiáng)比為0.86～0.88，使其小于0.90很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)，可以使均勻延伸率達(dá)到6.5%或者更高。圖1（c）為熱時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)力比的影響。壓縮應(yīng)變極限與 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0有 關(guān) ，將 σ0.5/σ2.0定 義 為0.5%的屈服應(yīng)力與2.0%的屈服應(yīng)力的比值，將σ1.0/σ5.0定義為1.0%的屈服應(yīng)力與5.0%的屈服應(yīng)力的比值。當(dāng)熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)，可獲得 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0為0.93或更低。結(jié)果表明，15 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后表現(xiàn)出良好的可變形性。

圖2（a）所示為22 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管在熱時(shí)效前后管體縱向應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。當(dāng)熱時(shí)效溫度為240℃時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)呈圓屋頂。屈服強(qiáng)度定義為低于荷載的0.5%。圖2（b）所示是22 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼的熱時(shí)效溫度對(duì)屈強(qiáng)比和均勻延伸率的影響。隨著熱時(shí)效溫度的增加，其屈強(qiáng)比也隨之漸漸增加。屈強(qiáng)比會(huì)隨著熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)達(dá)到0.80～0.82，使其低于0.85很容易達(dá)到。當(dāng)熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃后，均勻延伸率可以達(dá)到7%或更高。圖2（c）是熱時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)力比的影響。當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可達(dá)0.90或者更低， 從而表明經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后的22 mm厚X80管線(xiàn)鋼管具有良好的可變形性。

圖1 15mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管縱向試樣力學(xué)性能

圖2 22mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管縱向試樣力學(xué)性能

2.2 微觀組織

研究大變形X80管線(xiàn)鋼管的微觀組織是為了確定其是否由雙相組織構(gòu)成。圖3所示是壁厚為15 mm以及22 mm的X80管線(xiàn)鋼管壁厚中部的掃描電鏡 （SEM）照片。兩種管材都是由良好的鐵素體＋貝氏體雙相組織構(gòu)成，鐵素體的平均晶粒尺寸為5 μm。這種貝氏體是由貝氏體鐵素體和微量的M/A組成。大變形管線(xiàn)鋼經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后能夠形成良好的鐵素體貝氏體雙相組織，從而可以得到優(yōu)越的DWTT剪切面積。

圖3 不同壁厚X80管線(xiàn)鋼管壁厚中部掃描電鏡照片

2.3 落錘撕裂試驗(yàn) （DWTT）性能

圖4 不同壁厚X80管線(xiàn)鋼管的DWTT轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

研究鋼管的DWTT壓制缺口 （PN－DWTT）性能是為了進(jìn)一步研究X80管線(xiàn)鋼管的止裂性能。圖4所示為壁厚為15 mm和22 mm的X80管線(xiàn)鋼管的DWTT轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)其DWTT斷口形貌分析可知，15 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管在-50℃時(shí)可以實(shí)現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%，22 mm壁厚X80管線(xiàn)鋼管在-40℃下可以實(shí)現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%。當(dāng)斷裂剛剛發(fā)生在凹槽下時(shí)，DWTT的斷裂形貌立刻從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。在這些DWTT試樣中有少量的分離溝形成。

3 X100大變形高強(qiáng)管線(xiàn)鋼管

目前，已經(jīng)可以生產(chǎn)厚度為14 mm，16 mm及20 mm的X100管線(xiàn)鋼板。一個(gè)LD轉(zhuǎn)爐可以融化300 t連續(xù)鋼錠，對(duì)其進(jìn)行再加熱和控制軋制、弱加速冷卻得出14 mm，16 mm和20 mm厚的鋼板，隨后進(jìn)行UOE成型制管。下面對(duì)壁厚為16 mm和20 mm的X100管線(xiàn)鋼管的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并研究鋼管在熱時(shí)效前后的力學(xué)性能和DWTT性能。

3.1 熱時(shí)效前后管體縱向的力學(xué)性能

圖5（a）是16 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管熱時(shí)效前后管體縱向的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。取樣是據(jù)焊縫位置90°管母試樣，再加熱到220℃和240℃，保溫5 min，然后空冷。在熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)其應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)呈圓屋頂。屈服強(qiáng)度定義為荷載下應(yīng)變量為0.5%時(shí)的值。圖5（b）是熱時(shí)效溫度對(duì)壁厚16 mm的X100管線(xiàn)鋼管屈強(qiáng)比和均勻延伸率的影響曲線(xiàn)。屈強(qiáng)比隨著熱時(shí)效溫度的增加而逐漸增加。當(dāng)熱時(shí)效溫度為240℃時(shí)屈強(qiáng)比為0.82～0.85，使其小于0.90很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)熱時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)，均勻延伸率達(dá)到5%或者更高。圖5（c）是熱時(shí)效溫度對(duì)屈強(qiáng)比的影響。當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到240℃時(shí)， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可達(dá)0.92或者更低。結(jié)果表明，壁厚為16 mm的X100管線(xiàn)鋼管經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后表現(xiàn)出優(yōu)越的可變形性。

圖5 壁厚16 mm X100管線(xiàn)鋼管縱向試樣力學(xué)性能

圖6（a）是20 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管管體縱向熱時(shí)效前后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。在熱時(shí)效溫度達(dá)240℃時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)呈圓屋頂。圖6（b）是熱時(shí)效溫度對(duì)20 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管屈強(qiáng)比和均勻延伸率的影響。屈強(qiáng)比隨著熱時(shí)效溫度的增加而逐漸增加。當(dāng)熱時(shí)效溫度為240℃時(shí)，屈強(qiáng)比為0.82～0.86，使其小于0.90很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)熱時(shí)效溫度達(dá)240℃時(shí)，可以使均勻延伸率達(dá)5%或者更高。圖6（c）是熱時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)力比的影響。當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)240℃時(shí)， 使 σ0.5/σ2.0和σ1.0/σ5.0低于0.93。結(jié)果表明，20 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后表現(xiàn)出優(yōu)越的可變形性。

圖6 壁厚20 mm X100管線(xiàn)鋼管縱向試樣力學(xué)性能

3.2 微觀組織

研究抗大變形X100管線(xiàn)鋼管的微觀組織是為了確定其是否形成了雙相組織。圖7分別是壁厚為16 mm和20 mm的X100管線(xiàn)鋼管壁厚中部的掃描電鏡照片。兩種鋼管都是由良好的鐵素體貝氏體雙相組織構(gòu)成。鐵素體平均晶粒尺寸為5 μm。這種貝氏體由貝氏體鐵素體和微量的M/A組成。大變形管線(xiàn)鋼經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后形成良好的鐵素體貝氏體雙相組織，從而可以得到優(yōu)越的DWTT剪切面積。

圖7 不同壁厚X100管線(xiàn)鋼管壁厚中部掃描電鏡照片

3.3 落錘撕裂試驗(yàn)性能

研究鋼管的DWTT壓制缺口試樣 （PNDWTT）性能是為了研究X100管線(xiàn)鋼管的止裂性能。圖8分別是壁厚為16 mm和20 mm的X100管線(xiàn)鋼管的DWTT轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)其DWTT斷口形貌分析可知，16 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管在-50℃時(shí)可以實(shí)現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%，20 mm壁厚X100管線(xiàn)鋼管在-40℃下可以實(shí)現(xiàn)DWTT剪切面積大于85%。當(dāng)斷裂剛剛發(fā)生在凹槽下時(shí)DWTT的斷裂形式立刻從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。在這些DWTT試樣中有少量的分離溝形成。

圖8 管線(xiàn)鋼管的DWTT轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

表1 大變形X80和X100管線(xiàn)鋼管的力學(xué)性能

基于應(yīng)力－應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的大變形X80和X100管線(xiàn)鋼管的力學(xué)性能見(jiàn)表1。當(dāng)熱時(shí)效前或溫度達(dá)到240℃時(shí)，X80和X100管線(xiàn)鋼管的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)為圓屋頂狀，屈強(qiáng)比會(huì)低于0.9。其中X80管線(xiàn)鋼管的均勻延伸率可以達(dá)到6%或更高，X100管線(xiàn)鋼管會(huì)達(dá)到5%或更高。X80和X100管線(xiàn)鋼管的 σ0.5/σ2.0會(huì)低于0.94， σ1.0/σ5.0低于0.93。就低溫韌性來(lái)講，X80和X100管線(xiàn)鋼管在-40℃時(shí)其DWTT剪切面積會(huì)大于85%。因此，X80和X100管線(xiàn)鋼經(jīng)過(guò)熱時(shí)效后可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的可變形性和低溫韌性。

4 結(jié) 論

（1）雙相組織有效改善了管材的可變形性，細(xì)小彌散的雙相組織也有效地提高了塑性變形能力和低溫韌性。因此，應(yīng)用細(xì)小彌散的雙相組織可以制造具有優(yōu)越低溫韌性的抗大變形管線(xiàn)鋼。

（2）目前已生產(chǎn)的X80和X100管線(xiàn)鋼管，在熱時(shí)效后具有優(yōu)越的可變形性和低溫韌性。