熱時效對X100直縫埋弧焊管拉伸性能的影響

張偉衛(wèi)，齊麗華，楊 放，張繼明，王海濤，吉玲康

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077）

熱時效對X100直縫埋弧焊管拉伸性能的影響

張偉衛(wèi)1,2，齊麗華1,2，楊 放1,2，張繼明1,2，王海濤1,2，吉玲康1,2

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安710077）

為了研究鋼管防腐涂覆和現場冷彎過程對X100管線鋼管性能的影響，通過模擬涂覆和拉伸試驗，分析了熱時效對X100管線鋼管拉伸性能的影響規(guī)律，并利用透射電鏡（TEM）觀察分析了X100管線鋼管的微觀組織結構。結果表明，熱時效使X100管線鋼管的屈服強度和抗拉強度均有不同程度的升高，縱向屈服強度比橫向對熱時效更敏感，這主要是由于管線鋼生產和鋼管的制造過程引起了材料縱、橫向晶粒尺寸及位錯結構發(fā)生差異造成的。

直縫埋弧焊管；X100；熱時效；拉伸性能；位錯

隨著石油天然氣需求的日益增加，我國油氣管道特別是天然氣管道建設進入了一個新的高峰期，大直徑、厚壁、高鋼級管線鋼管已成為管道建設的主要選擇[1-2]。目前，國內外均已開發(fā)出X100管線鋼管，國際上有關管線鋼管標準也已經把X100甚至X120列入其中，X100管線鋼的研究開發(fā)已經基本成熟，在加拿大還進行了多次短距離的示范段工程應用[3]。

為了保證管線鋼管在服役過程中的耐腐蝕性能，需要在敷設前進行防腐層的熱涂敷[4]，傳統工藝一般將鋼管加熱到200℃左右進行涂敷，這樣就會使管線鋼管由于應變時效作用產生更進一步的硬化，表現為屈服強度和抗拉強度的升高，韌性也會受到一定影響[5-6]。如果時效前由于冷彎等引起的應變量足夠高，還會產生不連續(xù)屈服的曲線，這樣會降低鋼管的變形強化能力[7]。

有關X100大直徑管線鋼管防腐涂覆及現場冷彎過程中應變時效現象的研究，國內尚為空白，國外也罕有報道。因此，為確保X100管線鋼管的安全可靠性，有必要對X100大直徑管線鋼管的應變時效現象進行研究。本研究對X100直縫埋弧焊管進行了熱涂覆時效模擬，并開展了試驗研究，對鋼管的應變時效拉伸性能進行了深入分析，為今后X100直縫埋弧焊管標準制訂以及工程應用提供試驗數據和參考。

1 試驗方案

試驗用鋼管為X100直縫埋弧焊管，規(guī)格為Φ1 016 mm×16 mm。 分別在距焊縫 90°和 180°管體上取縱向矩形拉伸試樣和橫向圓棒拉伸試樣。矩形拉伸試樣為標矩內長50 mm，寬38.1 mm的全壁厚試樣，圓棒拉伸試樣標距長為50 mm，直徑12.7 mm。部分試樣先在HH-S油浴爐內進行人工時效處理，然后進行拉伸試驗。拉伸試驗在MTS810和CMT5105材料試驗機上進行，試驗標準為ASTM A370，時效試驗方案見表1。

表1 試樣時效試驗方案

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能

圖1給出了鋼管縱、橫向時效前后的拉伸曲線。由圖1可看出，無論縱向或橫向拉伸試樣，隨著預時效時間的延長，應力應變曲線彈性段都有延長的趨勢，即屈服強度和抗拉強度升高。時效前后X100管線鋼管縱向拉伸曲線均為連續(xù)應力應變曲線（round-house型），沒有屈服平臺；橫向拉伸曲線時效前后均出現不同程度的屈服平臺，且在彈性變形結束段存在不同程度的尖峰。

圖1 試樣200℃時效前后的拉伸曲線

表2 時效后X100管線鋼管抗拉強度變化對比

表3 時效后X100管線鋼管屈服強度變化對比

時效后X100管線鋼管縱、橫向抗拉強度和屈服強度的變化見表2和表3。圖2為時效后X100管線鋼管縱、橫向屈服強度和抗拉強度變化的對比情況。

由以上對比數據可以看出，X100管線鋼管在無預應變時，相同時效時間和時效溫度下，縱向抗拉強度比橫向抗拉強度升高略慢。5 min時效使縱向和橫向抗拉強度分別提高了0.71%和1.60%；1 h時效使縱向和橫向抗拉強度分別升高了2.48%和2.63%。熱時效對X100管線鋼管縱、橫向抗拉強度的影響不明顯。在相同時效時間和時效溫度下，X100管線鋼管的縱向屈服強度比橫向屈服強度增長速率明顯較大。5 min時效使縱向和橫向屈服強度分別升高了8.13%和9.14%，1 h時效使縱向和橫向屈服強度分別升高了4.80%和4.91%。說明相同時效條件下，X100管線鋼管的縱向屈服強度比橫向屈服強度對熱時效更敏感。

通過上述分析可以看出，熱時效使X100管線鋼管的屈服強度和抗拉強度均有不同程度的升高。隨著時效時間的延長，屈服強度和抗拉強度的增率逐漸升高。時效溫度和時間對縱向屈服強度和屈強比影響較為嚴重，鋼管進行防腐涂覆時，應嚴格控制涂覆時間并降低涂覆溫度。

2.2 微觀組織

由于X100管線鋼在軋制過程中積累了大量的位錯，第二相粒子析出較多，制管后鋼管縱向保留了大量的變形組織及位錯和第二相粒子塞積，而鋼管橫向受擴徑的影響，高密度位錯遭遇彌散第二相粒子和高密度晶界的阻礙，被牢牢釘扎，形成位錯纏結或胞狀組織[8-9]，使鋼管橫向強度比鋼板有較明顯的升高，時效后C、N原子偏聚對位錯的釘扎作用與第二相粒子和晶界對位錯的阻礙相比不太明顯[10]。鋼管縱向由于不受擴徑的影響，未發(fā)生塑性變形，位錯密度較橫向低（見圖3），時效后C、N原子偏聚對位錯的釘扎作用非常突出，因此造成時效后縱向屈服強度比橫向上升更快的情況。此外，從縱向和橫向應力應變曲線來看，X100鋼管縱向應力應變曲線為round-house型，屈強比較低，塑性變形容量較大；而鋼管橫向應力應變曲線出現了屈服平臺，屈強比較高，屈服強度與抗拉強度相差不大，因而一定程度上限制了時效后橫向屈服強度的升高。因此，在相同時效溫度和時效時間的條件下，由于鋼管縱向屈服強度比橫向屈服強度升高速度快，而抗拉強度變化不大，使鋼管縱向屈強比較橫向屈強比升高快，導致鋼管縱向塑性變形容量迅速降低。

圖3 鋼管縱、橫向組織位錯照片

3 結 論

（1）時效前后X100管線鋼管縱向拉伸曲線均為連續(xù)應力應變曲線，沒有屈服平臺，橫向拉伸曲線均出現不同程度的屈服平臺，且在彈性變形結束段存在不同程度的尖峰。

（2）時效后X100管線鋼管縱向屈服強度比橫向屈服強度升高速度快，縱向屈服強度對熱時效更敏感。

（3）鋼管橫向受制管擴徑的影響，高密度位錯遭遇彌散第二相粒子和高密度晶界的阻礙，被牢牢釘扎，形成位錯纏結或胞狀組織，且位錯密度比縱向高，使得時效后C、N原子偏聚對位錯的釘扎作用縱向比橫向更加明顯，造成時效后縱向屈服強度比橫向上升更快。

[1]劉清梅,楊學梅,趙謹,等.中國管道建設情況及管道用鋼發(fā)展趨勢[J].上海金屬，2014,36（4）:34-37.

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[3]孫磊磊,鄭磊,章傳國.歐洲鋼管集團管線管的發(fā)展和現狀[J].世界鋼鐵，2014,14（1）:45-53.

[4]李中平，劉永龍，吳清明，等.冷卻工藝對抗大變形管線鋼X70HD熱涂敷性能的影響[J].世界鋼鐵，2012（1），58-62.

[5]謝文江，吉玲康.高鋼級管線鋼應變時效行為對其應用的影響[J].石油礦場機械,2010,39（2）:59-64.

[6]馬秋榮,張騰,李鶴,等.預變形及應變時效對X100管線鋼管性能的影響[J].焊管，2012,35（8）：12-18.

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[8]張偉衛(wèi),齊麗華,李洋,等.X100管線鋼應變時效行為研究[J].焊管，2013，36（2）：14-18.

[9]張麗娜,齊亮,肖鴻雁.弛豫時間對X100管線鋼組織和力學性能的影響[J].機械工程材料，2015，39（3）：16-21.

[10]ZHANG W W,QI L H,LI Y,et al.Effect of prestrain and aging on mechanical properties of X100 pipeline steels[C]//International Conference on Pipelines and Trenchless Technology.Xi’an：[s.n.],2013：1022-1032.

Effect of Thermal Aging on Tensile Property of X100 SAWL Pipe

ZHANG Weiwei1,2,QI Lihua1,2,YANG Fang1,2,ZHANG Jiming1,2,WANG Haitao1,2,JI Lingkang1,2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi’an 710065,China）

In order to study the influence of steel pipe anticorrosion coating and onsite cold bending process on X100 line pipe performance,the influence rule of thermal aging on X100 line pipe tensile property was analyzed by simulating coating and tensile test,and the microstructure of X100 line pipe was observed and analyzed by using transmission electron microscope（TEM）.The results showed that the yield strength and tensile strength of X100 line pipe were enhanced in different degrees because of thermal aging;the longitudinal yield strength of X100 line pipe was more sensitive to thermal aging than transverse yield strength.This was mainly due to the differences of grain size and dislocation structure in longitudinal and transverse direction caused by the steel production and steel pipe manufacturing process.

SAWL pipe;X100;thermal aging;tensile property;dislocation

TG142.33

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.002

張偉衛(wèi)（1981—），男，高級工程師，從事石油天然氣輸送管道與管線鋼材料的應用研究工作。

2016-03-14

李 超