王自信，李忠響

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

安全、經(jīng)濟(jì)地將天然氣輸送到消費(fèi)市場(chǎng)，一直是天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一［1-4］。采用更高壓力和更高強(qiáng)度的管道是降低天然氣長(zhǎng)距離輸送成本的有效途徑［5］。X90 鋼作為目前應(yīng)用前景廣泛的超高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼［6-8］，為制造出滿(mǎn)足要求的鋼管，總結(jié)其制管前后的強(qiáng)韌性差異是必要的。

制管的成型過(guò)程會(huì)對(duì)材料性能造成影響，使鋼管與卷板的性能存在差異，這種差異是包申格效應(yīng)和形變強(qiáng)化綜合作用造成的，而這兩方面的影響大小與卷板化學(xué)成分、組織密切相關(guān)。針對(duì)這種差異，筆者在某公司X90 鋼級(jí)Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋縫埋弧焊接鋼管的試制過(guò)程中對(duì)卷板制管前后的性能變化進(jìn)行了分析，以便確定卷板的性能數(shù)據(jù)，使生產(chǎn)出的鋼管滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 試驗(yàn)材料

采用某鋼廠試制的鋼級(jí)X90、厚度16.3 mm 熱軋卷板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。X90 鋼級(jí)卷板的顯微組織如圖1 所示，主要為粒狀貝氏體組織［9-10］。

表1 X90 鋼級(jí)卷板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 X90 鋼級(jí)卷板的顯微組織

2 試驗(yàn)方案

在制管前后，按照X90 鋼級(jí)鋼管的試制標(biāo)準(zhǔn)，在卷板及鋼管管體對(duì)應(yīng)位置，分別取拉伸、沖擊試樣。其中卷板為矯平后取樣，鋼管為水壓試驗(yàn)后取樣。

卷板拉伸試樣自卷板寬度1/2 位置處取樣，方向?yàn)閷?duì)應(yīng)鋼管橫向，采用圓棒試樣，試樣標(biāo)距為50 mm，直徑為12.7 mm。鋼管橫向拉伸試樣從距焊縫180°處截取，采用圓棒試樣，試樣標(biāo)距為50 mm，直徑為8.9 mm。卷板V 型缺口夏比沖擊試樣從卷板寬度1/4 處截取，方向?qū)?yīng)鋼管橫向；鋼管橫向夏比V 型缺口沖擊試樣從距焊縫90°處截取，尺寸為10 mm×10 mm×50 mm，V 型缺口垂直于卷板/鋼管表面，試驗(yàn)溫度分別為-20 ℃和-10 ℃［11-15］。

對(duì)上述試樣按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)后，對(duì)卷板和鋼管的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 制管后拉伸性能變化

表2 為卷板、鋼管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，制管后屈服強(qiáng)度上升-8~47 MPa，平均上升15 MPa；抗拉強(qiáng)度上升-37~85 MPa，平均上升23 MPa；屈強(qiáng)比降低-0.04~0.04，平均降低0.01，考慮到數(shù)據(jù)修約，屈強(qiáng)比平均值基本沒(méi)有變化。

表2 制管前后的拉伸性能變化

3.1.1 制管前后屈服強(qiáng)度的變化

圖2 所示為制管前后屈服強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)，按卷板屈服強(qiáng)度升序排列。從圖2 可以看出：制管后屈服強(qiáng)度整體呈升高趨勢(shì)，在卷板屈服強(qiáng)度較低時(shí)的平均升高幅度要大于卷板屈服強(qiáng)度較高時(shí)的平均升高幅度。卷板屈服強(qiáng)度在625～650 MPa 時(shí)，制管后屈服強(qiáng)度平均升幅為23 MPa；卷板屈服強(qiáng)度在650～670 MPa 時(shí)，制管后屈服強(qiáng)度平均升幅為9 MPa；卷板屈服強(qiáng)度在高于670 MPa 時(shí)，制管后屈服強(qiáng)度不再升高，個(gè)別值已低于卷板屈服強(qiáng)度。

圖2 制管前后屈服強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)

3.1.2 制管前后抗拉強(qiáng)度的變化

圖3 所示為制管前后抗拉強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)，按卷板抗拉強(qiáng)度升序排列。從圖3 可以看出：與屈服強(qiáng)度一致，抗拉強(qiáng)度整體亦呈升高趨勢(shì)，且卷板抗拉強(qiáng)度較低時(shí)平均升高幅度要大于卷板抗拉強(qiáng)度較高時(shí)的平均升高幅度?？估瓘?qiáng)度在705～760 MPa時(shí)，制管后抗拉強(qiáng)度平均升幅為47 MPa；卷板抗拉強(qiáng)度在760～800 MPa 時(shí)，制管后抗拉強(qiáng)度平均升幅為12 MPa；卷板抗拉強(qiáng)度在高于800 MPa時(shí)，制管后抗拉強(qiáng)度不再升高。與屈服強(qiáng)度對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)制管后抗拉強(qiáng)度平均升幅要高于屈服強(qiáng)度的升幅。

圖3 制管前后抗拉強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)

3.1.3 制管前后屈強(qiáng)比的變化

圖4 所示為制管前后屈強(qiáng)比的變化曲線(xiàn)，圖5所示為卷板的強(qiáng)度與屈強(qiáng)比關(guān)系曲線(xiàn)，均按照卷板屈強(qiáng)比升序排列。從圖4 可以看出：制管前后屈強(qiáng)比變化規(guī)律較明顯，呈現(xiàn)出前高后低的現(xiàn)象，即當(dāng)卷板屈強(qiáng)比較低時(shí)制管后屈強(qiáng)比升高，卷板屈強(qiáng)比較高時(shí)屈強(qiáng)比降低。此批卷板的屈強(qiáng)比以0.86 為界，低于0.86 的制管后升高，高于0.86 的制管后降低。結(jié)合圖5 可看出：卷板屈強(qiáng)比的高低與抗拉強(qiáng)度相關(guān)性較大，屈強(qiáng)比低的抗拉強(qiáng)度較高，制管后屈服強(qiáng)度升幅比抗拉強(qiáng)度大，使制管后屈強(qiáng)比升高；而卷板屈強(qiáng)比高的剛好與之相反，抗拉強(qiáng)度偏低，對(duì)應(yīng)的制管后抗拉強(qiáng)度升高幅度比屈服強(qiáng)度大，從而使屈強(qiáng)比降低。

圖4 制管前后屈強(qiáng)比的變化曲線(xiàn)

圖5 卷板的強(qiáng)度與屈強(qiáng)比關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 制管前后沖擊韌性的變化

表3 為X90 鋼級(jí)卷板和鋼管分別在-20 ℃和-10 ℃下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，圖6 所示為制管前后沖擊韌性變化曲線(xiàn)，按卷板沖擊功升序排列。從表3 及圖6 可以看出：盡管鋼管沖擊試驗(yàn)溫度升高了10 ℃，但總體上制管后沖擊功呈降低趨勢(shì)，最高降低42 J，平均降低18 J。

4 結(jié)果分析及建議

4.1 形變強(qiáng)化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

一般對(duì)管線(xiàn)鋼制管后性能的影響有兩個(gè)因素，一是包申格效應(yīng)，二是形變強(qiáng)化［16］。包申格效應(yīng)是指當(dāng)金屬在一個(gè)方向塑性變形后，再反向變形時(shí)其屈服強(qiáng)度下降。形變強(qiáng)化是指隨著塑性變形量的增加，金屬流變也增加的現(xiàn)象［17］。當(dāng)卷板制成螺旋縫焊管時(shí)，材料發(fā)生了彎曲塑性變形，受到了形變強(qiáng)化的作用，而X90 鋼級(jí)卷板和鋼管拉伸試樣為圓棒試樣，圓棒試樣在加工過(guò)程中不允許展平，避免了包申格效應(yīng)的影響，只受形變強(qiáng)化的影響，從而造成制管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高而韌性下降。

表3 X90 鋼級(jí)卷板和鋼管的沖擊試驗(yàn)結(jié)果J

圖6 制管前后沖擊韌性的變化曲線(xiàn)

4.2 顯微組織對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

X90 鋼級(jí)管線(xiàn)鋼的顯微組織以粒狀貝氏體為主（圖1），這樣的組織內(nèi)部含有高密度的可移動(dòng)位錯(cuò)，且其間分布著大量M/A 組元，這種組織的管線(xiàn)鋼在受到拉伸應(yīng)力時(shí)顯示出明顯連續(xù)屈服的特征，有較高的形變強(qiáng)化能力?？梢哉f(shuō)形變強(qiáng)化對(duì)制管后強(qiáng)韌性變化量是由材料的顯微組織決定的，而顯微組織是由化學(xué)成分和軋制工藝決定的；所以不同工藝生產(chǎn)出的高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼制管后強(qiáng)韌性的變化幅度是不同的，需要卷板生產(chǎn)廠和制管廠共同合作研究，以保證鋼管的性能滿(mǎn)足要求。

4.3 建 議

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制管后屈服強(qiáng)度平均上升15 MPa，抗拉強(qiáng)度平均上升23 MPa，卷板強(qiáng)度越高，制管后升幅越小。卷板屈服強(qiáng)度在高于670 MPa、抗拉強(qiáng)度在高于800 MPa 時(shí)，制管后強(qiáng)度不再升高。因此，為保證卷板制管后有一定的形變強(qiáng)化容量，使鋼管在投入運(yùn)行后更加安全，在不考慮涂敷熱時(shí)效的情況下，建議控制卷板屈服強(qiáng)度平均值在670 MPa 以下，抗拉強(qiáng)度平均值在800 MPa 以下。根據(jù)夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果，雖然鋼管和卷板試驗(yàn)溫度有10 ℃的溫差，但制管后沖擊功普遍降低，平均降低18 J。從制管后的沖擊功看，由于X90 鋼級(jí)管線(xiàn)鋼強(qiáng)度較高，沖擊韌性相對(duì)較低，存在卷板沖擊功平均值偏低使鋼管沖擊功平均值靠近標(biāo)準(zhǔn)下限的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為保證制管后的沖擊韌性，使鋼管有較好的抗裂韌性，建議卷板沖擊功控制值應(yīng)比鋼管沖擊功要求值高20 J 以上。

5 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明：X90 鋼級(jí)管線(xiàn)鋼制管前后的強(qiáng)韌性有較明顯的變化。

（1） 制管后屈服強(qiáng)度平均上升15 MPa，抗拉強(qiáng)度平均上升23 MPa。為使鋼管在投入運(yùn)行后更加安全，卷板制管后有一定的形變強(qiáng)化容量，在不考慮涂敷熱時(shí)效的情況下，建議控制卷板屈服強(qiáng)度平均值在670 MPa 以下，抗拉強(qiáng)度平均值在800 MPa 以下。

（2） 在鋼管試驗(yàn)溫度比卷板高10 ℃的情況下，受形變強(qiáng)化的影響，鋼管沖擊功平均降低18 J。由于X90 鋼級(jí)管線(xiàn)鋼強(qiáng)度較高，韌性相對(duì)較低，為保證鋼管的沖擊韌性，建議卷板沖擊功控制值應(yīng)比鋼管沖擊功要求值高20 J 以上。

（3） 形變強(qiáng)化對(duì)制管前后強(qiáng)韌性的影響由卷板化學(xué)成分、軋制工藝決定，不同工藝生產(chǎn)出的卷板應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況驗(yàn)證性能變化規(guī)律，使鋼管性能滿(mǎn)足要求。

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