黃電源，張軼倫，昝啟飛

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001）

熱處理工藝對(duì)X100管線用無縫鋼管組織性能的影響

黃電源，張軼倫，昝啟飛

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽421001）

采用不同淬火和回火工藝，進(jìn)行X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管的系列熱處理試驗(yàn)，研究淬火溫度和回火溫度對(duì)其組織性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管在930℃淬火時(shí)能夠完全奧氏體化，并獲得針狀鐵素體和板條貝氏體組織；隨著回火溫度的變化，試驗(yàn)管的組織和性能呈一定規(guī)律；采用930℃淬火+ 620℃回火熱處理工藝，試驗(yàn)管可獲得晶粒細(xì)小且分布均勻的針狀鐵素體，綜合性能最佳。

管線用無縫鋼管；X100鋼級(jí)；淬火；回火；組織；性能；針狀鐵素體

隨著石油天然氣行業(yè)的深入發(fā)展，在確保油氣輸送管道安全性和可靠性的前提下，降低管道的建設(shè)成本是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，管線鋼管的升級(jí)換代也將朝著具有高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)良焊接性能的低碳貝氏體管線鋼發(fā)展［1-3］。2013年，美國石油協(xié)會(huì)API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)換版更新，新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)管線用無縫鋼管的最高鋼級(jí)由X80升級(jí)為X100［4］。據(jù)測(cè)算，X100鋼級(jí)管線鋼的應(yīng)用可使長(zhǎng)距離油氣輸送管線鋼管成本節(jié)約5%～12%［5］，極大地降低工程造價(jià)，減少施工量。

目前，國內(nèi)外各鋼鐵企業(yè)對(duì)X100鋼級(jí)的板材研究較多，其生產(chǎn)通常采用控軋控冷工藝（TMCP）或高溫軋制工藝（HTP）［6］，而X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管的生產(chǎn)工藝不同于板材，API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品必須進(jìn)行淬火+回火的熱處理，其工藝參數(shù)將顯著影響產(chǎn)品的組織和性能。因此，本文以衡陽華菱鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱華菱衡鋼）工業(yè)化生產(chǎn)的高強(qiáng)度X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管為研究對(duì)象，通過系列淬火和回火熱處理試驗(yàn)，重點(diǎn)分析淬火溫度、回火溫度對(duì)試驗(yàn)管組織和性能的影響，以期為確定合理的淬火和回火工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為華菱衡鋼試生產(chǎn)的Ф323.85 mm× 28.58 mm規(guī)格X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管，其化學(xué)成分見表1。該鋼管的成分設(shè)計(jì)是在充分考慮API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)要求低碳和低碳當(dāng)量以及調(diào)質(zhì)熱處理工藝的基礎(chǔ)上，以低C含Mn鋼為基礎(chǔ)，輔以微合金Nb元素強(qiáng)化，并適當(dāng)添加Cr、Mo等合金元素。在Cr和Mn并存時(shí)，Mo能降低或抑制鋼的高溫回火脆性程度［7］，獲得高強(qiáng)高韌性能。Ф323.85 mm×28.58 mm規(guī)格X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管的生產(chǎn)流程為：鐵水→電爐煉鋼→爐外精煉→弧形連鑄→連鑄圓管坯→環(huán)形爐加熱→穿孔→連軋→再加熱→定徑→冷床冷卻→定尺鋸切→成品鋼管。

表1 X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，才能使X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管的性能達(dá)到API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)及客戶的要求。依據(jù)X100鋼級(jí)試驗(yàn)管的化學(xué)成分及熱處理工藝?yán)碚摴剑?］：Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+ 5w（Cr）+14w（Mo）+18w（Si），確定試驗(yàn)管的奧氏體化溫度Ac3為872℃。因此，將試驗(yàn)管置于箱式電阻爐中分別加熱到870℃、900℃、930℃、950℃、980℃和1 000℃，均保溫70 min以充分加熱，淬火在浸入式水槽（槽內(nèi)配備噴水均勻攪拌系統(tǒng)）中進(jìn)行，介質(zhì)為工業(yè)用水，冷卻速度大于40℃/s。淬火試驗(yàn)完成后，對(duì)每個(gè)淬火試樣進(jìn)行打磨、拋光、侵蝕處理，使用ZISS Axio Imager.M1m型光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織，隨后用FV-700數(shù)字式維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)試樣的中部分別測(cè)取3點(diǎn)并取其平均值。

從930℃淬火的鋼管上截取6段長(zhǎng)300 mm的X100鋼級(jí)試驗(yàn)管，在箱式電阻爐中進(jìn)行回火試驗(yàn)，回火溫度分別為560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃，回火時(shí)間為90 min。

回火熱處理試驗(yàn)完成后，參照ASTM A 370—2014《鋼制品力學(xué)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》對(duì)回火后的試驗(yàn)管進(jìn)行組織和性能檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)采用Φ12.5 mm圓棒試樣，在電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)在配有低溫槽的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試樣為橫向V型缺口的全尺寸試樣（10 mm×10 mm×55 mm），試驗(yàn)溫度分別為-40℃和-60℃。金相試樣經(jīng)研磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，使用ZISS Axio Imager.M1m型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火溫度的影響

X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同淬火溫度下的微觀組織如圖1所示。從圖1可以看出：6個(gè)淬火溫度下的晶粒均較為細(xì)小，晶粒度超過9級(jí)，其主要原因是X100鋼級(jí)試驗(yàn)用鋼進(jìn)行了良好的微合金化設(shè)計(jì)，Nb、V、Ti元素可以形成碳、氮化物，通過質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界機(jī)制阻止了奧氏體晶粒的粗化過程［9］。

在870℃和900℃溫度下淬火，試驗(yàn)管的微觀組織主要以殘余奧氏體和板條貝氏體為主，同時(shí)夾雜有少量準(zhǔn)多邊形鐵素體和多邊形鐵素體；同時(shí)，晶粒大小均勻性比較差，部分奧氏體晶粒保留非等軸狀態(tài)，組織中存在一定量的鐵素體相。由于奧氏體化溫度較低，存在一定量的未溶碳化物，阻礙了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，奧氏體晶粒長(zhǎng)大不充分。因此，在淬火快速冷卻過程中，奧氏體晶粒內(nèi)部形成針狀鐵素體、板條貝氏體等混合組織。

當(dāng)淬火溫度高于930℃時(shí)，試驗(yàn)管中軋制狀態(tài)的組織特征則完全消失，獲得了以針狀鐵素體和板條貝氏體為主的微觀組織，同時(shí)夾雜有少量的準(zhǔn)多邊形鐵素體［10］，針狀鐵素體晶粒大小比較均勻。隨著淬火溫度的升高，微合金元素的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，導(dǎo)致晶界的遷移加速，原始奧氏體晶粒充分長(zhǎng)大，奧氏體穩(wěn)定性增加，產(chǎn)生粗大的貝氏體鐵素體等非平衡組織。

X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同淬火溫度下的硬度如圖2所示。從圖2可以看出：試驗(yàn)管的淬火硬度在950℃時(shí)達(dá)到最高，淬火溫度在此基礎(chǔ)上升高或降低，其淬火硬度都有下降趨勢(shì)。在870℃和900℃淬火，由于加熱溫度偏低，材料未能完全奧氏體化，而保留下來部分的鐵素體。鐵素體是一種塑性相，隨著其在組織中含量的增加，會(huì)增加材料的塑韌性，但也會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度的下降；因此，試驗(yàn)管在870℃和900℃淬火時(shí)，其硬度相對(duì)較低。而在930℃和950℃淬火時(shí)，試驗(yàn)管得到了以針狀鐵素體和板條貝氏體為主的微觀組織，板條貝氏體的出現(xiàn)造成晶粒細(xì)化，材料淬火硬度明顯上升。隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸增大，相變后的貝氏體鐵素體板條束尺寸增大［11］，從而導(dǎo)致在980℃和1 000℃淬火時(shí)，試驗(yàn)管的淬火硬度降低。

圖1 X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同淬火溫度下的微觀組織

圖2 X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同淬火溫度下的硬度

圖3 X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同回火溫度下的力學(xué)性能和沖擊性能

2.2 回火溫度的影響

X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同回火溫度下的力學(xué)性能和沖擊性能如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比均發(fā)生明顯降低；在640℃溫度以下回火，其變化趨勢(shì)比較平緩；當(dāng)回火溫度在640℃以上時(shí)，強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化較為劇烈；在回火溫度同樣升高20℃的情況下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別降低了141 MPa和130 MPa。因此，在640℃及以上溫度回火時(shí)，X100鋼級(jí)試驗(yàn)管的屈服強(qiáng)度指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X100鋼級(jí)要求的下限值；而在600℃以下溫度回火，試驗(yàn)管的屈服強(qiáng)度指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X100鋼級(jí)要求的上限值。

從圖3還可以看出：不同回火溫度下，試驗(yàn)管在-40℃的低溫沖擊性能均高于-60℃的低溫沖擊性能，并且隨著回火溫度的升高，沖擊性能明顯改善；回火溫度在620℃以下時(shí)，由于回火溫度相對(duì)較低，貝氏體組織仍然保留了板條貝氏體的組織特征，沖擊功相對(duì)較低，但隨回火溫度的升高，沖擊性能提升速度較快；當(dāng)回火溫度在620℃以上時(shí)，-40℃和-60℃沖擊吸收功均達(dá)到了200 J以上，但上升速度較為平緩?？梢?，X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在回火溫度為620℃時(shí)具有最佳的綜合性能。

X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同回火溫度下的微觀組織如圖4所示?；鼗饻囟容^低時(shí)（560℃），試驗(yàn)管中的合金元素會(huì)導(dǎo)致材料在回火過程中組織分解和轉(zhuǎn)變速度減慢，回火抗力增加，回火穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而使試驗(yàn)管的強(qiáng)度隨回火溫度的升高而下降的程度減弱［12］。回火溫度較低時(shí)，貝氏體分解不完全，此時(shí)仍處在貝氏體回火的第一階段，所以試驗(yàn)管強(qiáng)度較高，但沖擊性能差；隨著回火溫度升高，軟化效果比較明顯，貝氏體分解加速，在相同時(shí)間內(nèi)有更多的貝氏體分解［13］，并且貝氏體板條逐漸合并到一起，過渡到完全粒狀貝氏體，這種組織可以鈍化裂紋尖端，阻礙裂紋擴(kuò)展，因此材料強(qiáng)度下降，但沖擊性能提高。當(dāng)回火溫度上升至620℃時(shí)，貝氏體組織基本分解完全，并形成平行排列的鐵素體板條束，此時(shí)回火溫度繼續(xù)升高對(duì)于沖擊性能的改善并不明顯，但由于碳化物會(huì)聚集長(zhǎng)大，溫度越高，聚集越強(qiáng)烈［14］，因此材料的強(qiáng)度明顯下降。

圖4 X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在不同回火溫度下的微觀組織

3 結(jié)論

（1）基于API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的X100鋼級(jí)管線用無縫鋼管鋼種，采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，產(chǎn)品的力學(xué)性能完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）X100鋼級(jí)試驗(yàn)管在930℃時(shí)已經(jīng)能夠完全奧氏體化，并獲得針狀鐵素體和板條貝氏體組織；在930℃淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，X100鋼級(jí)試驗(yàn)管的強(qiáng)度逐漸降低，低溫沖擊性能逐漸提升，930℃淬火和620℃回火可以使X100鋼級(jí)試驗(yàn)管獲得最佳綜合性能。

（3）回火溫度的升高，可以促進(jìn)貝氏體的分解速度和程度；但當(dāng)回火溫度高于貝氏體完全分解所需溫度時(shí)，回火溫度的升高對(duì)改善沖擊性能的作用并不大，反而造成強(qiáng)度的大幅降低。

［1］張偉衛(wèi)，熊慶人，吉玲康，等．國內(nèi)管線鋼生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.焊管，2011，34（1）：5-8．

［2］肖英杰，孫常全．X100/X120管線鋼的研發(fā)和生產(chǎn)［J］．焊管，2010，33（5）：67-71．

［3］許瑩.衡陽華菱鋼管有限公司Φ720 mm周期軋管機(jī)組成功生產(chǎn)X100Q管線管［J］.鋼管，2013，42（6）：4.

［4］美國石油學(xué)會(huì).API Spec 5L—2013管線鋼管規(guī)范［S］. 2013.

［5］王路兵，任毅，張鵬程，等．高級(jí)別管線鋼X100的試驗(yàn)研究［J］．鋼鐵，2008，43（1）：80-84．

［6］王國棟.控軋控冷技術(shù)的發(fā)展及在鋼管軋制中應(yīng)用的設(shè)想［J］.鋼管，2011，40（2）：1-8.

［7］孫珍寶.合金鋼手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：75.

［8］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：243．

［9］李鶴林，郭生武，馮耀榮，等．高強(qiáng)度微合金管線鋼顯微組織分析與鑒別圖譜［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2001：3-10．

［10］牛靖，劉迎來，齊麗華，等．奧氏體化溫度對(duì)X80管線鋼組織和力學(xué)性能的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2010，31（5）：96-101．

［11］黃少文，陳愛嬌，霍孝新，等．高鋼級(jí)X100管線鋼的韌性和顯微組織［J］.金屬熱處理，2014，39（10）：96-100．

［12］黃少文，周平，霍孝新．回火熱處理對(duì)X100管線鋼組織和沖擊斷裂行為的影響［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，34（增刊）：122-127．

［13］楊浩，李玉藏，曲錦波．EQ70海洋平臺(tái)用鋼回火后的組織與性能［J］.金屬熱處理，2015，40（2）：131-134．

［14］李立科，鄭茂盛，孫利軍，等．熱處理對(duì)X80管線鋼組織性能的影響［J］.焊管，2010，33（4）：18-21．

Influence by Heat Treatment on Microstructure and Properties of X100 Seamless Steel Linepipe

HUANG Dianyuan，ZHANG Yilun，ZAN Qifei
（Hengyang Valin Steel Tube Co.，Ltd.，Hengyang 421001，China）

A series of heat treatment tests are conducted to the X100 seamless steel linepipe via different quenching and tempering processes in a bid to study the influence by quenching and tempering temperatures on the microstructure and properties thereof.The test results show that the said pipe can be fully austenitized，and both the acicular ferrite and lath bainite structures can be obtained as well when the quenching temperatures reaches at 930℃and above.Along with the change of the tempering temperature，the microstructure and properties of the X100 steel pipe as tested present certain regularities.After quenched at 930℃and tempered at 620℃，acicular ferrites as in fine grains and uniformly distributed are obtained in the tested pipe，and the pipe also has the best comprehensive performance.

seamless steel linepipe；X100 grade；quenching；tempering；microstructure；property；acicular ferrite

TG156；TG113.25

B

1001-2311（2016）04-0023-04

2016-05-05）

黃電源（1982-），男，碩士，工程師，從事管線用無縫鋼管的熱處理工藝、新品種開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新工作。