X70大變形管線鋼管的組織和性能

陳 凱，晏利君，劉 宇，范玉然，馮 斌，易 誠，張明旭，楊 眉

（1.中石化西南油氣分公司，成都610500；2.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610500；3.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊065000）

0 引 言

大變形管線鋼管既可以滿足高壓管道強(qiáng)度和韌性的要求，又具有良好的應(yīng)變強(qiáng)化性能和較高的臨界屈曲應(yīng)變，能夠抵抗地層位移施加于鋼管上的外加應(yīng)變所引起的局部屈曲、失穩(wěn)和斷裂［1］，可用于地震帶、活動斷層帶和凍土區(qū)等環(huán)境惡劣地區(qū)［2］。

目前，國內(nèi)外已成功研制出X70～X120級大變形管線鋼管［3-5］，相關(guān)高校和科研院所也對大變形管線鋼進(jìn)行了研究，但主要集中于成分設(shè)計［3］、軋制工藝［6］、制管工藝［7］和 應(yīng) 變 能 力 的 數(shù) 值 模 擬［8］等 方面，對其工程應(yīng)用方面的研究較少。為使相關(guān)研究人員更清楚地了解該管線鋼，作者對X70大變形管線鋼管進(jìn)行了組織和性能分析，期望能為X70大變形管線鋼管的工程應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X70大變形直縫埋弧焊管線鋼管，其規(guī)格為φ1 016mm×17.5mm，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為0.06C，0.20Si，1.65Mn，0.008P，0.004S；此外還添加了鉻、鉬、鎳、銅、鈦、鎳和釩等合金元素。

參考GB／T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》制備拉伸試樣，在距焊縫90°和180°位置取縱向和橫向拉伸試樣，試樣均未冷壓平，縱向試樣標(biāo)距為50mm，標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5 mm，橫向試樣標(biāo)距為25mm，標(biāo)距內(nèi)直徑為6.25 mm，拉伸試驗在MTS 810型材料試驗機(jī)上完成；在距焊縫90°位置取縱向和橫向沖擊試樣，參考Q／SY GJX 101-2010《天然氣輸送管道用鋼管通用技術(shù)條件》制備V 型缺口夏比沖擊試樣，在ZBC2452C 型沖擊試驗機(jī)上完成20，0，-5，-20，-40，-60，-80，-100 ℃下的沖擊試驗，并對焊縫和熱影響區(qū)在-5 ℃下進(jìn)行沖擊試驗，沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；采用JSM-6360LV 型掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。在距焊縫90°位置橫向取金相試樣，腐蝕劑選用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液，采用AxioImager M1m 型光學(xué)顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電鏡觀察顯微組織。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

大變形管線鋼管不僅要考慮環(huán)向承壓能力，更要考慮大位移環(huán)境下的縱向變形能力，縱向性能決定了鋼管的拉伸、壓縮和彎曲等塑性變形能力。由圖1 可見，縱向拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈“Round house”型，沒有屈服平臺，呈連續(xù)屈服特征；管材從屈服到斷裂之間有較大的應(yīng)變保持范圍。表明其具有較強(qiáng)的均勻變形能力。

圖1 試驗用X70大變形管線鋼管不同位置的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curves of tested X70high deformability linepipe at different positions

由表1可見，X70大變形管線鋼縱向的最小屈服強(qiáng) 度Rt0.5為478 MPa，屈 強(qiáng) 比（Rt0.5／Rm）低 于0.69，斷后伸長率（A）大于27.5%，均勻變形伸長率AUEL大于11%，這表明該管線鋼具有優(yōu)異的拉伸變形性能。管體縱向的應(yīng)力比、斷后伸長率（A）和均勻變形伸長率AUEL均高于橫向的，屈服強(qiáng)度（Rt0.5）則低于橫向的，而抗拉強(qiáng)度相差不大，所以縱向屈強(qiáng)比（Rt0.5／Rm）低于橫向的。可見，管體拉伸性能具有各向異性的特點。

大變形管線鋼管現(xiàn)場焊接一般要求焊縫的強(qiáng)度高于母材的，即高強(qiáng)匹配，那么管體縱向的屈服強(qiáng)度不宜過高，以避免鋼管變形時應(yīng)變集中于焊縫，同時便于充分發(fā)揮鋼管的大應(yīng)變性能。管體縱向屈服強(qiáng)度低于489 MPa，有利于實現(xiàn)大變形鋼管環(huán)焊接頭的高強(qiáng)匹配。

表1 試驗用X70大變形管線鋼管的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of tested X70high deformability linepipe

縱向屈強(qiáng)比低而應(yīng)力比、均勻變形伸長率高，說明鋼管具有較高的塑性變形能力。當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到管體屈服強(qiáng)度時，鋼管首先發(fā)生塑性變形，在外加應(yīng)力達(dá)到管體的抗拉強(qiáng)度之前，鋼管會發(fā)生較大的塑性變形并產(chǎn)生形變強(qiáng)化，所以鋼管從起始塑性變形到開始斷裂前的變形容量較大［9］。當(dāng)屈強(qiáng)比增大時，管道結(jié)構(gòu)所允許的環(huán)向應(yīng)變降低，從而影響鋼管的承載能力，所以大變形管線鋼的屈強(qiáng)比應(yīng)控制在一個合理的范圍之內(nèi)。不過屈強(qiáng)比是一個基礎(chǔ)性的評價指標(biāo)，并不能全面反映材料在變形過程中的力學(xué)性能變化特點，而應(yīng)力比卻能對此予以補(bǔ)充。對于基于應(yīng)變設(shè)計管線所使用的大變形管線鋼管，其縱向的屈強(qiáng)比、應(yīng)力比和均勻變形伸長率是關(guān)鍵的力學(xué)性能指標(biāo)，它們對鋼管的應(yīng)變強(qiáng)化性能和臨界屈曲應(yīng)變具有重要影響。

2.2 沖擊性能

由圖2（a）可知，試驗溫度為-20 ℃時，橫向和縱向的吸收能均達(dá)到最大，分別為191J和245J，溫度低于-20 ℃后，縱向和橫向的吸收能均開始降低，縱向吸收能的降速較為緩慢，吸收能受溫度的影響較小，而橫向吸收能的降速較快。但橫向吸收能在-100 ℃時仍高達(dá)120J，且沒有發(fā)生明顯的韌脆轉(zhuǎn)變，斷口呈韌性斷裂特征（見圖3）。這表明管體橫向的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-100 ℃。

由圖2（b）可知，在各試驗溫度下，縱向的剪切斷面率均為100%，橫向的則保持在90%以上。另外可知，鋼管焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性良好，試驗溫度為-5 ℃時，焊縫的吸收能和剪切斷面率分別為197J和90%，熱影響區(qū)的吸收能和剪切斷面率分別為226J和97%。吸收能和剪切率的上述變化表明該管材具有良好的低溫韌性和抵抗斷裂的能力，可用于極地、凍土等嚴(yán)寒地區(qū)。

通過分析不同溫度下沖擊試樣的斷口形貌可知，當(dāng)試驗溫度低于0℃時，斷口中心區(qū)域出現(xiàn)了斷口分離的現(xiàn)象，沿厚度方向有二次裂紋和分層；隨著試驗溫度降低，斷口分離現(xiàn)象趨于嚴(yán)重，如圖3（a）所示，管材的韌性逐漸降低，表明斷口分離現(xiàn)象對溫度變化較為敏感。分析認(rèn)為［10］，斷口分離現(xiàn)象與管體中心的帶狀組織以及未軋合孔洞等有關(guān)，鋼中的成分偏析、夾雜物、孔洞等缺陷降低了厚度方向的強(qiáng)度和韌性。沖擊試驗時外加應(yīng)力使內(nèi)部缺陷處形成局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋，外加應(yīng)力大于厚度方向上的斷裂強(qiáng)度時，微裂紋便會長大、失穩(wěn)擴(kuò)展，最終形成宏觀上的斷口分離，因此該現(xiàn)象是外加應(yīng)力和材料特性共同作用的結(jié)果。

圖2 試驗用X70大變形管線鋼管管體的沖擊試樣結(jié)果Fig.2 Impact results of tested X70 high deformability linepipe：（a）absorption energy vs temoerature and （b）shear section rete vs temoerature

圖3 試驗用X70大變形管線鋼管在-100°C時的沖擊斷口形貌Fig.3 Impace fracture morphology of tested X70 high deformability linpipe at-100°C：（a）macrograph；（b）layered position；（c）central position and（d）fibrouszone

-100 ℃試樣沖擊斷口中存在嚴(yán)重的斷口分離現(xiàn)象，分層裂紋平行于試樣表面，如圖3（a）所示，斷口中心分層位置具有明顯的準(zhǔn)解理特征，見圖3（b），纖維區(qū)和瞬斷區(qū)為明顯的穿晶斷裂，斷口中存在大小不同的等軸韌窩和顯微氣孔韌窩，大韌窩周圍聚集著蜂窩狀小韌窩，大韌窩內(nèi)壁有“蛇形滑移”、“漣波”等滑移線痕跡［10］，如圖3（c），（d）所示，具有典型的韌性斷裂特征。

2.3 顯微組織

由圖4可知，管體組織是以鐵素體（F）、粒狀貝氏體（GB）為主的雙相組織，這些組織的不同含量和分布對大變形管線鋼的力學(xué)性能具有顯著影響［11-12］。管體壁厚中心存在顯著的粒狀貝氏體帶，如圖4（b）和圖5（b）所示，這是奧氏體冷卻時不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物呈帶狀分布的特征，由成分偏析引起［13］。鋼中帶狀組織嚴(yán)重時，會影響管體的強(qiáng)度、韌性和硬度，尤其是低溫韌性和斷口分離。對于力學(xué)性能要求較高的大變形管線鋼，在軋制過程中應(yīng)嚴(yán)格控制軋制和冷卻工藝，以減少帶狀組織的形成。

圖4 試驗用X70大變形管線鋼管不同位置處的顯微組織Fig.4 Microstructe of tested X70 high diformability linepipe at different positions：（a）near surface and（b）in the centre of wall thickness

圖5 試驗用X70大變形管線鋼管不同位置處的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of tested X70 high deformability linepipe at different positions：（a）near surface and（b）in the centre of wall thickness

從圖5中可以看出，準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）基體和晶界上零星分散著尺寸較小的M／A 島狀組織，QF內(nèi)部位錯密度較高，強(qiáng)度和塑性較高，其含量增加會使鋼的強(qiáng)度降低，塑性增加，QF 內(nèi)部較高密度的可動位錯和彌散于QF 上的M／A 島會促使鋼具有較低的屈強(qiáng)比、較高的形變強(qiáng)化指數(shù)和連續(xù)屈服行為［14］。貝氏體是X70大變形管線鋼中最重要的硬質(zhì)相與強(qiáng)化相，決定了管材的強(qiáng)度、塑性和韌性［1］。圖5（b）顯示出了塊狀貝氏體內(nèi)部的形貌，主要為針狀片層結(jié)構(gòu)，針葉不交叉，有不同的位向分布，基體上有很多彌散分布的細(xì)小白色點狀M／A島，具有下貝氏體特征。彌散分布的M／A 島可起到沉淀強(qiáng)化作用，不過塊狀物內(nèi)部有微裂紋，這不利于提高管材的強(qiáng)度和韌性。ISHIKAWA 等［15］以多邊形鐵素體為軟相，分別以珠光體（P）、貝氏體（B）和M／A 島為硬相建立了微觀力學(xué)模型及有限元單胞模型進(jìn)行研究，他們認(rèn)為屈強(qiáng)比與組織中軟相和硬相的強(qiáng)度差有關(guān)，兩者強(qiáng)度水平的差值越大，屈強(qiáng)比越低；軟相比例越大，屈強(qiáng)比越低。由此可見，PF、QF、GB等組織的合理分布及比例對提高大變形管線鋼的塑性和應(yīng)變強(qiáng)化性能具有重要作用。

3 結(jié) 論

（1）X70 大變形管線鋼的縱向屈強(qiáng)比低于0.69，最小屈服強(qiáng)度為478MPa，均勻變形伸長率大于11%，斷后伸長率大于27.5%，具有良好的均勻變形能力。

（2）該鋼管具有良好的低溫韌性，試驗溫度為-100 ℃時，橫向沖擊吸收能為120J，剪切斷面率為90%；沖擊斷口呈韌性斷裂特征，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-100 ℃。

（3）該鋼管的組織是以鐵素體和粒狀貝氏體為主的雙相組織，管體中心存在顯著的粒狀貝氏體帶，組織的合理分布和比例對提高大變形管線鋼管的塑性和應(yīng)變強(qiáng)化性能具有重要作用。

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