X80高鋼級管線鋼組織與力學性能

張小立

（中原工學院，鄭州450007）

X80高鋼級管線鋼組織與力學性能

張小立

（中原工學院，鄭州450007）

在所選用的4種X80高鋼級管線鋼中，經(jīng)過夏比沖擊試驗、拉伸試驗和屈強比計算，發(fā)現(xiàn)其力學性能與其組織有很好的對應性.研究結(jié)果表明，針狀鐵素體和細小彌散的貝氏體相結(jié)合的組織是X80鋼的理想組織形貌，該組織可以使得材料的強度達到最高，而屈強比接近于0.85，從而達到強韌性的很好匹配.該組織的強韌性原理類似于短纖維和顆粒增強復合材料.

X80高鋼級管線鋼；力學性能；顯微組織

隨著輸氣管道輸送壓力的不斷提高，輸送鋼管也相應地迅速向高性能發(fā)展.高性能鋼管保證了高壓輸送的安全性，使管道建設的成本大大降低.管道建成后，管道運營的經(jīng)濟效益更加良好.加拿大的統(tǒng)計分析表明，每提高一個鋼級可減少建設成本7%［1］.

提高輸送壓力意味著高效率，是天然氣輸運技術(shù)發(fā)展的趨勢，但這必須以管道型材的高韌性、高強度作為安全性保障.這就為材料設計提出了更高的要求.目前，鋼鐵作為傳統(tǒng)材料，面臨著其他材料的競爭，鋁、鈦及其合金和塑料逐漸蠶食原本屬于鋼鐵的領(lǐng)地.如果鋼鐵不想退出競爭，就必須保持成本和價格優(yōu)勢，不斷地通過改善鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，來提高性能、迎接挑戰(zhàn).

在西氣東輸中，我國首次應用了X70級鋼管，這是我國管線鋼的一大進步，達到了國際水平，但是在管型的選擇、材料的組織性能、材料熱加工及斷裂控制等幾個方面遇到了一系列的難題，這些問題的解決對高壓油氣管線的經(jīng)濟性和安全可靠性至關(guān)重要，也是管線順利建設的前提.

目前，國際上X80－X120管線鋼，都采用控軋控冷工藝獲得優(yōu)良性能.控軋鋼的一個近代發(fā)展是控制冷卻.軋后引入加速冷卻，使γ→α相變溫度降低，過冷度增大，從而增大了α的形核率；同時由于冷卻速度的增加，阻止或延遲了碳、氮化物在冷卻中過早析出，因而易于生成更加彌散的析出物.進一步提高冷卻速度，則可形成貝氏體或針狀鐵素體，進一步改善鋼的強韌性.

有文獻對X70鋼的組織與性能已作過較多的研究［1］.本文擬對幾個品牌的X80鋼的組織與力學性能的對應性進行分析，并對X80高鋼級管線鋼理想的組織進行描述.

1 試 驗

試驗研究材料包括2個鋼級：X70和X80，擁有不同組織且分別購自國內(nèi)外4個生產(chǎn)廠家，均為管線實際使用管材，或為管線研究開發(fā)的管線鋼，化學成分見表1和表2.鋼管規(guī)格：X70為φ1 016mm×21mm，X80為φ1 016mm×17.5mm，均為TMCP技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品.

光學金相在適當?shù)姆糯蟊稊?shù)下，有利于掌握組織特征的全貌，另外，由于高強度管線鋼往往組織細小，光鏡下不易分辨其細微特征，因而高鋼級管線鋼的組織與斷口分析結(jié)合掃描電鏡SEM和光學金相.

表1 X80管線鋼化學成分 %

表2 X70管線鋼化學成分 %

金相樣品直接從試驗鋼板上切取，金相組織觀察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)上進行，觀察面為平行軋向的樣品正面，經(jīng)粗磨、細磨、拋光和3%硝酸酒精腐蝕而成.

從試驗鋼板端部垂直于軋制方向切取沖擊樣坯，經(jīng)機床加工成7.5mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口沖擊試樣.在10℃、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃6種溫度條件下，分別按照GB2975—82、GB／T229294標準規(guī)定，在JB2300B機械式半自動沖擊試驗機上進行沖擊試驗.

拉伸試樣均采用 φ12.5mm 的試樣，并按ASTM A370—2002標準規(guī)定，在MTS810—15自動拉伸試驗機上進行.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 沖擊韌性和金相組織

如圖1所示，試驗鋼的沖擊韌性隨溫度的降低而減小，且在10℃～－40℃區(qū)間下降趨勢較小，在－40℃～－80℃區(qū)間下降趨勢較大.

圖1 溫度對實驗管線鋼沖擊韌性的影響

如圖2所示，高鋼級管線鋼的金相組織是由B（以B粒為主）＋PF＋P組成，其中B（貝氏體）、PF（多邊鐵素體）、P（珠光體）均為典型的AF組織.

圖2 試驗高鋼級管線鋼的金相組織（500X）

2.2 SEM組織對比

為了準確掌握各高鋼級管線鋼的相組織形態(tài)，進一步對其進行了SEM掃描電鏡觀察，其組織如圖3所示.

圖3 各高級管線鋼SEM組織觀察

從圖3可以看出，X80和X70管線鋼的區(qū)別在于貝氏體相的多少，在X70管線鋼中，很明顯貝氏體相要少于X80管線鋼，且前者的分布均勻性較后者差；另外，對于1＃和2＃X80管線鋼，鐵素體形狀都顯示被拉長，成細條狀，呈典型的針狀鐵素體形貌，而3＃X80和4＃X80的鐵素體晶粒呈等軸多邊形；在鐵素體晶內(nèi)和晶粒界面處，以上高鋼級管線鋼都存在由M—A島構(gòu)成的貝氏體粒，所不同的是2＃X80和4＃X80的貝氏體粒細小彌散，而1＃X80和3＃X80的貝氏體粒較為粗大，成片狀.同以上各X80管線鋼相比，3＃X80的貝氏體組織所占比例很高.因而由以上可見，2＃X80應該擁有極佳的力學性能，而3＃X80應該擁有較高的強度和硬度.

目前，對于不同種類的高強度鋼，分別建立了“形變誘導鐵素體相變（DIFT）”、“馳豫析出控制相變（RPC）”和“針狀鐵素體”3種理論體系.針狀鐵素體管線鋼的形成過程為：低碳微合金管線鋼在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)間粗軋后，在奧氏體未再結(jié)晶溫度Tnr～Ar3的溫度區(qū)間進行軋制，或進入Ar3以下的γ＋α兩相區(qū)進行軋制，終軋后冷卻速度控制在10～30℃／s，終軋溫度在400～600℃，最終獲得超細化的針狀鐵素體結(jié)構(gòu).由于各廠家在生產(chǎn)高鋼級管線鋼的過程中，選擇的軋制工藝、冷卻速率及最終的熱處理工藝不同，致使管線鋼形成的針狀鐵素體晶粒度不同、含量不同［2］.

針狀鐵素體是低碳鋼（C＜0.15%）典型的貝氏體組織，由帶有高位錯密度的板條鐵素體晶粒組成，若干鐵素體板條平行排列構(gòu)成板條束，一個奧氏體晶?？尚纬珊芏喟鍡l束，板條界為小角度晶界，板條束界面則為大角度晶界.針狀鐵素體所以具有較高的韌性，是因為裂紋在擴展過程中不斷受到彼此咬合、互相交錯分布的針狀鐵素體的阻礙.而彌散分布的貝氏體粒，可以起到細晶強化和韌化的作用［2］.這是因為韌性代表了材料抵抗變形和斷裂的能力.由于晶粒細小，外力可以由更多細小的晶粒所承受，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應變度相差小，因而材料受力均勻，應力集中較小，裂紋不易形成.即使產(chǎn)生了裂紋，由于晶粒細小，晶界較多，而且相鄰晶粒具有不同的位向，于是當塑性變形或微裂紋由一個晶粒穿越晶界進入另一晶粒時，塑性變形或微裂紋將在晶界處受阻.同時，一旦塑性變形或微裂紋穿過晶界后，滑移方向或裂紋擴展方向發(fā)生改變，必然消耗更多的能量.以上因素均促使裂紋形成和擴展的能量提高，即表現(xiàn)為韌性的提高.

實際上，由位于晶界的細小彌散貝氏體粒和針狀鐵素體形成的高鋼級管線鋼組織，就相當于短纖維增強和顆粒增強的復合材料.短纖維具有使裂紋偏轉(zhuǎn)反射的作用，而位于晶界的硬相—貝氏體?？梢允棺冃沃械奈诲e釘扎，從而使強度進一步提高.關(guān)于貝氏體粒是硬相的說法，可見圖4所示高鋼級管線鋼中鐵素體相和貝氏體相能譜分析結(jié)果.

圖4 高鋼級管線鋼中鐵素體相和貝氏體相元素能譜分析圖示

表3所示為高鋼級管線鋼中各相的元素能譜分析結(jié)果.

表3 高鋼級管線鋼中各相的元素能譜分析 Wt%

從表3可以看到，在貝氏體中，C、Mn含量都較鐵素體中高.Mn具有降低鋼液中的氧含量，消除硫的有害影響，從而提高鋼的強度和硬度的作用.C是決定鋼材性能的最主要元素，C含量高意味著其強度、硬度增高［3］.因而貝氏體中的高C、Mn含量使得貝氏體相擁有較高的強度和硬度，增加組織中的貝氏體含量將使得鋼材整體強度和硬度提高.

2.3 力學性能

不同高鋼級X80管線鋼的抗拉強度和屈強比的對比分別見表4和表5.從表4可知，抗拉強度從高到低的順序為2＃＞1＃＞4＃，這和顯微組織的預測結(jié)果是一致的；另外，X70管線鋼的抗拉強度最低，這和其與上述X80相比較有粗大的晶粒尺寸和較少的貝氏體含量是一致的.而屈強比從高到低的順序為4＃＞1＃＞2＃（表5）.

表4 X80管線鋼抗拉強度的比較 MPa

表5 不同X80管線鋼的屈強比比較

管線鋼管的屈強比（屈服強度與抗拉強度之比）是鋼管抵抗破裂的重要參數(shù)，它表示了材料從屈服到最后斷裂過程中的變形能力［4］.以往世界上各石油公司的天然氣管線鋼管的技術(shù)條件對屈強比的限定值多數(shù)在0.85以下，根據(jù)此規(guī)范只有2＃X80管線鋼達到要求.但在管線鋼管的強度水平有了很大提高之后，較低的屈強比要求與高強度鋼管的發(fā)展產(chǎn)生了矛盾.

現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范中，API 5L規(guī)定，冷擴徑鋼管屈強比不允許超過0.93；ISO3183－3規(guī)定，鋼級低于X52的鋼管屈強比不允許超過0.90，鋼級超過X52的鋼管屈強比不允許超過0.92.EPRG研究表明，在鋼管承受內(nèi)壓變形時，環(huán)向變形存在一個極限值，該值取決于鋼管的屈強比［5］.當屈強比升高時，環(huán)向變形極限值下降.環(huán)向變形極限值對應于鋼管拉伸試驗室的均勻伸長率.

近年來的技術(shù)規(guī)范一般按照強度級別規(guī)定屈強比的限定值.對X65以上的鋼管屈強比的限定值，一般都提高到0.90～0.92.最新的ISO和DNV規(guī)范都是如此.根據(jù)國外X70管線鋼管的實物質(zhì)量水平，我國西氣東輸管線的屈強比最大值定為0.90，其中5%的屈強比允許到0.92［6］.若根據(jù)此標準，也只有1＃和2＃X80鋼符合要求.另外，根據(jù)2005年3月1日實施的Q／CNPC107－2005和Q／CNPC105－2005企業(yè)標準，對X80螺旋縫埋弧焊鋼管用熱軋板卷技術(shù)條件和熱軋鋼板技術(shù)條件，其屈強比要求為≤0.92，根據(jù)此標準，1＃和2＃X80鋼全部符合要求，而4＃屈強比接近上限，并且只有部分符合要求.

文獻［7］也認為當X80管線鋼中針狀鐵素體的比例增多時，材料將獲得高的夏比沖擊韌性，本文所得結(jié)論與其是一致的.然而根據(jù)屈強比的定義來看，對于1＃X80鋼，由于其組織的針狀鐵素體和細小彌散貝氏體的形貌，使得該材料強韌性都得到了很好的匹配，因而是高鋼級管線鋼質(zhì)量控制和發(fā)展的趨勢.

3 結(jié) 語

在X80高鋼級管線鋼中，針狀鐵素體和細小彌散的貝氏體相結(jié)合的組織是X80鋼的理想組織形貌，該組織可以使得材料的強度達到最高，而屈強比接近于0.85，從而達到強韌性的很好匹配.

［1］ 霍春勇.高壓天然氣高強度管線鋼管關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西安交通大學，2005.

［2］ 張小立.X80高級管線鋼組織圖譜［J］.中原工學院學報，2010，21（4）：4－10.

［3］ 李世柳.石油化工廠用鋼材性能［J］.石油化工設計，1997，14（3）：58－66.

［4］ 霍春勇，馬秋榮，袁鵬斌，等.西氣東輸管線鋼技術(shù)條件關(guān)鍵技術(shù)指標研究［C］／／.西氣東輸管道與鋼管應用基礎及技術(shù)研究論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2004：11.

［5］ Sloterdijk W，Nederlandse Casunie N V.Effect of Tensile Properties on the Safety of Pipelines［C］／／.EPRG Anniversary Meeting.Brussels：EPRG，1997：10.

［6］ 王茂棠.西氣東輸管線用鋼、鋼管“技術(shù)條件”編制中的幾個問題及回顧［J］.焊管，2003，26（2）：1－6.

［7］ Hiroyuki Motohashi，Naoto Hagiwara，Tomoki Masuda.Tensile Properties and Microstructure of Weld Metal of X80Steel［J］.Materials Science Forum，2003，426－432：4013－4018.

The Microstructure and Mechanical Properties of X80 Linepipe Steel

ZHANG Xiao－li
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In this study，four kinds of X80linepipe steel aere selected.And after the measurement of sharpy impact energy，tensile strength，the calculation of Rt0.5／Rmand observation of microstructure，it is found that there are excellent corresponding relationship between them.It is shown that the microstructure combination with needle－like ferrite and dispersed bainite is the idealest.This kind of microstructure could make the strength reach the highest and Rt0.5／Rmnear to 0.85，which get the good match between strength and toughness.The tenacious mechanism is similar to short whisker and particle reinforced composites.

X80linepipe steel；mechanical property；microstructure

TG142.1

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.04.003

1671－6906（2010）04－0009－05

2010－08－02

博士后基金項目（20060390319）

張小立（1969－），女，甘肅威武人，高級工程師，博士.