應變時效對X90 高強管線鋼組織及性能的影響

楊 軍，畢宗岳，王雪怡，牛 輝

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院鐵道裝備制造學院,陜西 渭南 714099；2.寶雞石油鋼管有限責任公司,陜西 寶雞 721008）

0 引言

新一代高強、高韌性大輸量油氣長輸管線建設和管材開發(fā)是當今業(yè)界的研究熱點，我國于2012 年立項開展“第三代大輸量天然氣管道工程關(guān)鍵技術(shù)研究”[1]至今，已成功開發(fā)出了符合我國國情的X90 級高強管線鋼，并依據(jù)標準《天然氣輸送管道用X90 螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》在國內(nèi)管材企業(yè)開展了X90 ?1 219 mm×16.3 mm 的千噸級試制生產(chǎn)。

螺旋縫埋弧焊管，作為油氣輸送管材的重要一類，其生產(chǎn)工藝步驟多且較復雜。其中，原料鋼卷的剛性輥壓校平、螺旋成型和管端擴徑工序均會導致材料發(fā)生塑性變形；而內(nèi)外防腐工序則會造成管材應變時效的發(fā)生。我國油氣輸送管材采用3PE 防腐[2-3]技術(shù)，其主要工序有拋丸除銹、管體預熱處理（加熱到100～250 ℃持續(xù)一定時間）、環(huán)氧涂層熔結(jié)和聚乙烯材料纏繞以及噴淋冷卻等，其中管體預熱處理的溫度和高溫停留時間決定了防腐層膠化時間和固化時間，是影響防腐層制備質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)[4-5]?？梢姡懿牡纳a(chǎn)制備將無法避免材料塑性變形和時效的發(fā)生（即應變時效）以及對性能造成的影響[6-7]。應變時效的本質(zhì)，是塑性變形導致位錯滑移和增殖，在熱效應和時間效應疊加影響下，間隙固溶C、N 原子向位錯偏聚形成Cottrell 氣團釘扎位錯阻礙滑移，使得位錯在界面附近大量塞集，引起材料強度、硬度的升高，塑性、韌性的下降[8-11]。

應變時效對服役管線安全穩(wěn)定性的影響不容忽視。研究表明，在時效條件不變時，隨材料塑性變形不斷加劇產(chǎn)生的應變積累將越嚴重，引起材料性能的衰減將越顯著[12]；另外，預應變相同時，隨時效溫度升高和時效時間延長，時效作用對材料性能的影響亦越顯著[6-7,13-15]。管線鋼鋼級越高對其成分和組織的設計、熱軋和冷卻制度的制定、位錯密度以及分布等的要求就更為嚴格，多種強化方式的運用使管線鋼材料對應變時效更為敏感，在制管前后更容易發(fā)生應變時效，愈是敏感的材料服役后愈容易發(fā)生性能的衰退，造成重大安全隱患甚至是事故。因此，筆者結(jié)合X90 螺旋縫埋弧焊管工程生產(chǎn)實際和具體工藝，利用應變時效敏感性試驗、低溫沖擊試驗、拉伸試驗、微觀試驗對應變時效前后X90 高強管線鋼的應變時效敏感性、力學性能變化趨勢、微觀組織演變規(guī)律以及應變時效行為進行研究，為長輸油氣管材生產(chǎn)工藝革新以及管材服役安全性和性能穩(wěn)定性方面提供理論參考。

1 試驗材料與方法

將規(guī)格為1 550 mm×16.3 mm 的X90 高強管線鋼卷料在線連續(xù)輥壓校平后，沿軋制方向在中部位置截取毛坯樣，加工標準全壁厚矩形拉伸試樣（標距段寬38.1 mm，長50 mm）和Charpy 沖擊試樣（尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V 形缺口夾角45°）。X90 管線鋼合金成分見表1。根據(jù)油氣管材工程生產(chǎn)實際，以在線輥壓校平后的試樣為研究對象開展時效試驗，即預應變由原料制備和校平時帶入，不予人為再賦予試驗鋼應變量。根據(jù)油氣管材防腐工序核心參數(shù)（管體預熱溫度100～250 ℃、防腐層制備時要求的高溫持續(xù)時間5～30 min）設計時效試驗。我國長輸油氣管線要求統(tǒng)一采用3PE 防腐，其最外層聚乙烯是在230 ℃加熱熔化后進行連續(xù)擠出纏繞形成，為了探明聚乙烯層制備過程的時效作用對X90 高強管線鋼螺旋焊管性能的影響，本工作的時效溫度選定為230 ℃。將初始條件完全相同的X90 鋼標準拉伸、沖擊試樣分別經(jīng)工藝A（230 ℃保溫5 min）、工藝B（230 ℃保溫15 min）、工藝C（230 ℃保溫30 min）和工藝D（230 ℃保溫60 min）處理。

根據(jù)國標GB/T 4160-2004《鋼的應變時效敏感性試驗方法》[16]進行應變時效敏感性系數(shù)的計算，如式（1）所示。

式中，CV為V 型缺口沖擊試樣的應變時效敏感性系數(shù)；為未經(jīng)受應變時效的沖擊吸收功平均值，J；為經(jīng)過規(guī)定應變時效后沖擊吸收功的平均值，J。

時效試驗在電熱恒溫油浴爐（SAYY-60）內(nèi)進行，用導熱硅油（GW-300-500）加熱；室溫下在Z1200KN型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，加載速度2 mm/min。標準金相、掃描和透射試樣截取自沖擊試樣中部位置，金相試樣研磨并拋光后，用5% HNO3酒精溶液進行腐蝕，并用LeicaMEF-4M光學顯微鏡（OM）及日立S4300 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察沖擊斷口形貌和微觀組織特征，透射試樣經(jīng)機械減薄至50 μm后，在雙噴電解裝置上以10% 高氯酸+90%醋酸(體積分數(shù))溶液進行雙噴減薄，用JEM-200 CX 型透射電鏡（TEM）觀察試驗鋼顯微組織形貌、M/A 組元及位錯組態(tài)，相機長度為60 cm，操作電壓為160 kV。沖擊試驗按GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，在NAI500 F 擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行?？販亟橘|(zhì)采用無水乙醇和液氮混合物，試樣浸沒時間≥15 min，試驗溫度為-20 ℃。

2 試驗結(jié)果

2.1 拉伸性能及應力-應變曲線形貌

表2 給出了X90 管線鋼應變時效前后的拉伸性能指標。應變時效時間對應力-應變曲線形貌特征、屈服強度、抗拉強度、屈強比和均勻延伸率的影響如圖1 所示?？梢钥闯?，在230 ℃下，隨時效時間延長，X90 管線鋼拉伸應力-應變曲線形貌特征由時效前的連續(xù)屈服、強化型轉(zhuǎn)變成為帶有明顯尖峰和屈服平臺的“呂德斯”伸長型曲線，當時效時間為15 min時，曲線尖峰和屈服平臺及非連續(xù)屈服、強化型特征現(xiàn)象最為顯著；時效時間為5 min時，曲線形貌特征與時效前相比差異不明顯，但已出現(xiàn)“呂德斯”伸長轉(zhuǎn)變趨勢；而當時效時間分別為30 min 和60 min時，曲線尖峰和屈服平臺現(xiàn)象有明顯緩和。同時由圖1（b）和1（c）可以觀察到，隨時效時間延長，屈服強度、抗拉強度、屈強比均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，均勻延伸率則呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在時效時間為15 min時，試驗鋼屈服強度為711 MPa，屈強比高達0.97，而均勻延伸率僅為6.5%。

圖1 應變時效處理對X90 高強管線鋼拉伸性能的影響Fig.1 Effect of strain aging treatment on tensile properties of X90 high-strength pipeline steel

表2 應變時效前后X90 級管線鋼拉伸性能測試結(jié)果Table 2 Test results of tensile properties of X90 pipeline steel before and after strain aging

綜上分析，15 min 是X90 鋼應力-應變曲線形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的時效時間拐點，可作為X90 管線鋼應變時效的敏感時間點。時效時間對拉伸曲線形貌特征演變規(guī)律的影響與文獻[7]的研究發(fā)現(xiàn)一致，再一次證實了X90 高強管線鋼對應變時效作用非常敏感，極易引起管材性能的變化。為了減弱應變時效時間對管材性能的不利影響，在管材防腐層制備過程，預熱溫度選定不宜過高，一般不超過230 ℃，高溫持續(xù)時間應＜15 min。

2.2 低溫沖擊韌性及應變時效敏感性

X90 高強管線鋼分別經(jīng)工藝A、C、D 處理后的低溫沖擊吸收功及應變時效敏感性系數(shù)見表3，在3 種時效工藝的3 組測試中選擇沖擊吸收功Ak值最小的試樣為代表進行示波沖擊曲線形態(tài)（圖2）、沖擊斷口的分析。由表3 可知，應變時效對X90 鋼低溫沖擊吸收功Ak值和應變時效敏感性系數(shù)CV有顯著影響，隨時效時間延長，Ak平均值逐漸減小，在230 ℃保溫60 min，Ak平均值由時效前的401 J 減小到357 J。

表3 應變時效處理前后X90 高強管線鋼的低溫沖擊韌性指標和應變時效敏感性系數(shù)Table 3 Low-temperature impact test results and strainaging sensitivity coefficient of X90 high-strength pipeline steel before and after strain aging treatment

由圖2 可知，X90 鋼示波沖擊曲線形態(tài)特征隨tag延長無顯著變化，載荷-位移曲線均經(jīng)歷了彈性變形段→屈服強化段→裂紋穩(wěn)定擴展段→失穩(wěn)擴展直到斷裂。在屈服強化段，曲線上出現(xiàn)最高點對應最大載荷值，在此點之后裂紋穩(wěn)定擴展，但載荷將逐漸減小，隨時效時間延長，曲線上裂紋穩(wěn)定擴展段變窄，失穩(wěn)擴展斷裂段變寬，且斷裂位移逐漸減小，曲線總體呈現(xiàn)內(nèi)縮趨勢，包絡面積逐漸減小，沖擊吸收功值呈累加特性，隨位移增加逐漸增大到最大沖擊吸收功值。

圖2 應變時效處理對X90 高強管線鋼示波沖擊曲線形態(tài)特征的影響Fig.2 Effect of strain aging treatment on the morphological characteristics of X90 high-strength pipeline steel oscillometric shock curve

工藝A、C、D 的應變時效敏感性系數(shù)CV分別為2.7%、6.1%和10.97%，隨時效時間延長CV逐漸增大，這說明了X90 高強管線鋼管在經(jīng)歷內(nèi)外防腐工序時對應變時效作用非常敏感，時效時間即防腐預熱高溫停留時間越長對性能的影響越劇烈，低溫沖擊韌性性能的衰減就越顯著。

為了減弱應變時效作用對X90 高強管線鋼低溫沖擊韌性性能的不利影響，對于制管過程，應從減小應變、降低防腐預熱溫度或縮短防腐預熱時間三方面進行管材生產(chǎn)制備工藝的革新和修訂。

圖3 給出了時效前后試驗鋼在-20 ℃下沖擊吸收功值最小試樣的沖擊斷口形貌特征及斷口內(nèi)剪切唇區(qū)形貌。由圖3（a）和3（c）可以看出，時效前后沖擊斷口形貌特征相似，均存在缺口區(qū)、一次纖維區(qū)、放射區(qū)、二次纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，但面積占比有較大區(qū)別。纖維區(qū)和剪切唇區(qū)面積占比較大時，材料具有更好的沖擊韌性性能[17]。比較來看，時效前斷口形貌主要呈撕裂狀，伴隨劇烈變形，一次纖維區(qū)+二次纖維區(qū)+剪切唇區(qū)面積占比較高，放射區(qū)面積占比較??；時效后纖維區(qū)+剪切唇區(qū)面積占比減小，放射區(qū)面積占比增大。圖3（b）和3（d）中剪切唇區(qū)韌窩狀特征明顯，韌窩與韌窩間為撕裂棱，大小韌窩交匯鑲嵌疊加，大韌窩底部嵌有小韌窩，說明X90高強管線鋼具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，在經(jīng)工藝D處理后沖擊吸收功值有明顯降低但仍然具有較好的韌性性能。

圖3 X90 高強管線鋼采用工藝D 處理前后夏比沖擊斷口形貌Fig.3 Charpy impact fracture morphology of X90 high-strength pipeline steel before and after treatment with process D

2.3 組織形貌特征

圖4 為X90 高強管線鋼應變時效處理前后的微觀組織，可以看出，X90 鋼經(jīng)時效處理后微觀組織的相組成無明顯變化，仍為“針狀、塊狀鐵素體+板條狀、粒狀貝氏體+M/A 組元”的復相組織[17-18]，M/A 組元多分布于晶界和相界處。比較圖4 c 和4 f 發(fā)現(xiàn)，X90 鋼經(jīng)工藝D 處理后，組織中位錯密度和分布有所變化，晶內(nèi)位錯密度有所降低，相界和晶界處依然存在明顯的位錯塞集。

3 分析討論

以控軋、控冷為主導的熱機械控制（Thermomechanical Control Process,TMCP）生產(chǎn)工藝是促成高鋼級管線鋼具有高強、高韌性性能特點的有效措施之一。管線鋼經(jīng)多道次軋制，其劇烈的形變導致塑性變形的不斷發(fā)生而產(chǎn)生應變積累，同時位錯增值和滑移頻繁發(fā)生，強化效果包括細晶強化、位錯強化顯著加強。因此，時效前X90 鋼顯微組織中有較高的位錯密度和位錯塞集現(xiàn)象（如圖4（c）所示）。

微觀分析表明，時效前后X90 高強管線鋼均為針狀/塊狀鐵素體+板條狀/粒狀貝氏體+M/A 組元的復相組織。這種以“鐵素體和貝氏體”為主要組織相的超低碳微合金鋼的靜態(tài)拉伸試驗過程其微觀機制是發(fā)生了“軟相鐵素體一階段塑性變形→硬相貝氏體約束型二階段塑性變形→鐵素體、貝氏體共同塑性變形”的三階段塑性變形[19]。塑性變形導致位錯大量增值且主要集中于容易發(fā)生多系交叉滑移的軟相鐵素體中[20]（如圖4（c）和4（f）所示），因此位錯滑移和不同位錯組態(tài)間的相互作用成為一階塑變的主導，宏觀反映出材料抗變形能力的提高和形變強化的發(fā)生。

圖4 X90 管線鋼經(jīng)工藝D 處理前后的微觀組織Fig.4 Microstructures of X90 pipeline steel before and after treatment with process D

在230 ℃下，隨時效時間延長，X90 管線鋼的屈服強度、抗拉強度、屈強比和應變時效敏感性系數(shù)逐漸增大，均勻延伸率和低溫沖擊吸收功值逐漸減小，同時，拉伸應力-應變曲線形態(tài)由時效前的連續(xù)屈服、強化型轉(zhuǎn)變成為帶有尖峰和屈服平臺的“呂德斯”伸長型曲線（具有“呂德斯”伸長型拉伸曲線特征的鋼材在地震頻發(fā)和低溫酷寒地區(qū)的高壓天然氣管線工程中禁止使用），說明X90 管線鋼對應變時效作用非常敏感。拉伸曲線形態(tài)特征的轉(zhuǎn)變，主要原因在于熱效應加劇了C、N 原子向位錯的偏聚并對位錯產(chǎn)生釘扎作用，阻礙位錯移動，隨著熱作用時間的延長，位錯受到的釘扎作用和滑移阻礙將俞顯著，此時需要更大的力作用推動大量位錯脫離釘扎和突破阻礙實現(xiàn)大面積運動[21]，這個啟動大面積位錯實現(xiàn)滑移的峰值外力在材料拉伸應力-應變曲線上對應上屈服點的“尖峰”應力，但由于位錯滑移的啟動，位錯不再受到間隙固溶C、N 原子偏聚引起的釘扎阻礙作用，這時力作用將逐漸回落出現(xiàn)下屈服點，同時曲線出現(xiàn)屈服平臺。尖峰應力的出現(xiàn)主要由位錯突破釘扎作用和位錯組態(tài)間的相互作用共同主導，而屈服平臺應力則主要由位錯組態(tài)間的相互作用主導。

X90 級螺旋縫埋弧焊管在生產(chǎn)過程中，原料鋼卷的校平工序、螺旋成型工序和管端擴徑工序，將逐漸加劇位錯積累和微缺陷的產(chǎn)生，對管材性能和抗應變時效能力造成不利影響，甚至對管線運營造成重大安全隱患。為了減弱預應變的影響，原料鋼卷可采用柔性校平法取代剛性輥壓校平法；成型工序可采用多步漸進成型法取代一步螺旋成型法。15 min 是X90 高強管線鋼拉伸應力-應變曲線形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的時效時間拐點。當時效時間為15 min時，X90 鋼“呂德斯”伸長型轉(zhuǎn)變最為顯著和強烈，當時效時間大于15 min 后“呂德斯”伸長型轉(zhuǎn)變雖有所減弱但卻引起了均勻延伸率的降低，而在時效時間小于15 min 處理后“呂德斯”伸長型轉(zhuǎn)變較弱同時其他性能指標相對衰減不顯著。因此，15 min 也可作為X90 高強管線鋼應變時效處理的敏感時間點，應引起高度重視。為了減弱應變時效對X90 高強管線鋼的不利影響，應從減小應變、降低防腐預熱溫度或縮短防腐預熱時間三方面進行綜合調(diào)控，對管材生產(chǎn)制備工藝進行革新和修訂。建議縮短管材防腐的高溫預熱停留時間（當預熱溫度≥230 ℃時，高溫停留時間應≤5 min），或降低預熱溫度（若預熱溫度選定＜230 ℃時，高溫停留時間應＜15 min）。

綜上所述，X90 高強管線鋼的應變時效敏感時間點和制管過程的原料校平、螺旋成型等形變帶來的預應變應在管材批量化、工程化生產(chǎn)和管線安全運營過程中受到足夠重視。

4 結(jié)論

1)X90 高強管線鋼顯微組織為“針狀/塊狀鐵素體+板條狀/粒狀貝氏體+M/A 組元”，應變時效對其相組成影響不顯著，隨時效時間延長到60 min，位錯密度有所降低，相界、晶界處存在顯著的位錯塞集。

2)應變時效對X90 高強管線鋼拉伸性能有顯著影響。隨時效時間延長，屈服強度、抗拉強度和屈強比逐漸增大，均勻延伸率則逐漸減小，應力-應變曲線逐漸失去連續(xù)屈服強化特征，由時效前的連續(xù)屈服、強化型轉(zhuǎn)變成為帶有明顯尖峰和屈服平臺的“呂德斯”伸長型曲線，當時效時間為15 min時，曲線尖峰和屈服平臺及非連續(xù)屈服、強化型特征現(xiàn)象最為顯著。

3）應變時效對X90 高強管線鋼低溫沖擊韌性有顯著影響，隨時效時間延長，低溫沖擊吸收功逐漸減小，示波沖擊曲線上裂紋穩(wěn)定擴展段變窄，失穩(wěn)擴展及斷裂段變寬，曲線總體呈內(nèi)縮趨勢，包絡面積逐漸減??；應變時效敏感性系數(shù)逐漸增大，說明X90高強管線鋼對應變時效非常敏感，時效時間越長材料低溫沖擊韌性性能衰減約顯著。

4）為了減弱應變時效對X90 高強管線鋼的不利影響，應從減小應變、降低防腐預熱溫度或縮短防腐預熱時間三方面進行綜合調(diào)控，對管材生產(chǎn)制備工藝進行革新和修訂。建議縮短高溫預熱停留時間（當管材防腐預熱溫度≥230 ℃時，高溫停留時間應≤5 min），或降低預熱溫度（若預熱溫度選定＜230 ℃時，高溫停留時間應＜15 min），同時采用柔性校平法取代剛性輥壓校平法，多步漸進成型取代一步螺旋成型法。