PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管力學(xué)性能分析

周曉鋒，劉江成，張傳友，周家祥，張國(guó)柱

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301）

近年來(lái)，能源結(jié)構(gòu)的變化以及對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了長(zhǎng)距離輸送管線的發(fā)展。管道輸送是長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸送石油和天然氣最經(jīng)濟(jì)、最安全的運(yùn)輸方式。為了增大輸送壓力，提高輸送效率，長(zhǎng)距離石油天然氣輸送管線用管不斷向高鋼級(jí)、大壁厚發(fā)展。高強(qiáng)度管線鋼的應(yīng)用可以降低管線工程的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，但同時(shí)也對(duì)管線用管的可靠性提出更高要求，特別是海洋管線，由于管道的鋪設(shè)方式復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境苛刻，因此對(duì)其機(jī)械性能有著更高的要求。

本文將對(duì)天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）近6年P(guān)SL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的拉伸性能、沖擊性能、硬度及相關(guān)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并歸納其特點(diǎn)。

1 力學(xué)性能的要求

API Spec 5L—2012 標(biāo)準(zhǔn)［1］對(duì) PSL2 X65Q 管線用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。

2 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的拉伸性能

2.1 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

根據(jù)API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要測(cè)定管線用無(wú)縫鋼管0.5%規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt0.5。在拉伸試驗(yàn)中，將試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度［2］。PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1（a）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為3 432個(gè)，平均值為504.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為29.55 MPa，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.50 MPa，PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度多集中在480~530 MPa，可滿足OED-TP-104—2009 Addendum to API 5L For Procurement of CMn Seamless Pipe For Reel Lay Installation標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍≤100 MPa的要求；圖1（b）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為3 432個(gè)，平均值為603.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為26.94 MPa，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.46 MPa，抗拉強(qiáng)度多集中在580~630 MPa，很好地滿足了API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管力學(xué)性能的要求

圖1 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

2.2 斷后伸長(zhǎng)率

API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定測(cè)量50 mm定標(biāo)距的斷后伸長(zhǎng)率。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于壁厚≥19 mm的管線用管，縱向拉伸試驗(yàn)可取直徑為12.7 mm的圓棒試樣；其他壁厚依據(jù)外徑不同截取不同寬度的全壁厚板條拉伸試樣。PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的縱向拉伸斷后伸長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2（a）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為3 219個(gè)，平均值為38.6%，標(biāo)準(zhǔn)差為4.65%，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.098%，板條拉伸斷后伸長(zhǎng)率≥25%，滿足API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的選用最大截面積485 mm2，使用公式（Af為規(guī)定的最小斷后伸長(zhǎng)率，%；C為常數(shù)；AXC為適用拉伸試樣橫截面積，mm2；U為規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度，MPa）計(jì)算得到的斷后伸長(zhǎng)率≥23%的要求，也能滿足OED-TP-104—2009標(biāo)準(zhǔn)斷后伸長(zhǎng)率≥25%的要求；圖2（b）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為213個(gè)，平均值為29.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.05%，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.147%，圓棒拉伸斷后伸長(zhǎng)率≥23%，滿足API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的選用截面積130 mm2計(jì)算得到的斷后伸長(zhǎng)率≥18%的要求，說(shuō)明該鋼級(jí)管線用無(wú)縫鋼管有優(yōu)良的塑性。

圖2 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的縱向拉伸斷后伸長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)

同時(shí)需要指出：①相同規(guī)格、鋼級(jí)管線用無(wú)縫鋼管采用板條拉伸和圓棒拉伸得到的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度差別不大，只是板條拉伸斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓棒拉伸，這是因?yàn)榘鍡l拉伸試樣的橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓棒試樣；②相同規(guī)格、鋼級(jí)管線用無(wú)縫鋼管采用API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)的50 mm定標(biāo)距與采用5.65（S0為適用拉伸試樣橫截面積，mm2）比例標(biāo)距計(jì)算得到的斷后伸長(zhǎng)率也存在巨大差別，這是因?yàn)槔熳冃蔚纳扉L(zhǎng)主要發(fā)生在頸縮部分，比例標(biāo)距規(guī)定的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 mm，在伸長(zhǎng)量差別不大的情況下，標(biāo)距越大，斷后伸長(zhǎng)率越小。

2.3 屈強(qiáng)比

通常認(rèn)為，金屬材料的屈強(qiáng)比越大，材料屈服后的塑性范圍越小，這對(duì)于工程輸氣管道、尤其是支線接管連接處應(yīng)力與應(yīng)變集中區(qū)域等，意味著塑性可變形量和安全裕度的減?。?］。PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈強(qiáng)比統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈強(qiáng)比統(tǒng)計(jì)

圖3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為3 432個(gè)，平均值為0.84，標(biāo)準(zhǔn)差為0.024，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.000 46。從圖3可以看出：PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的屈強(qiáng)比最大值為0.92，多數(shù)在0.82~0.88，可滿足OED-TP-104—2009標(biāo)準(zhǔn)屈強(qiáng)比≤0.89的要求，也較好地做到了強(qiáng)塑性匹配。

2.4 橫向拉伸

當(dāng)管線用無(wú)縫鋼管外徑≥219.1 mm時(shí)，也有某些客戶要求做橫向拉伸試驗(yàn)，根據(jù)不同外徑和壁厚橫向拉伸試驗(yàn)可采用橫向展平全壁厚板條拉伸試樣和小直徑圓棒試樣。在總結(jié)PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管大量縱橫向（展平）拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可得到比較典型的縱橫向拉伸曲線，試驗(yàn)所用PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管規(guī)格為Φ355.6 mm×15.9 mm，橫向拉伸為展平試樣。PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的縱橫向拉伸曲線如圖4所示。

圖4 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的縱橫向拉伸曲線比較

從圖4可以看出：與縱向拉伸曲線相比，X65Q管線用無(wú)縫鋼管的橫向展平拉伸曲線平滑，無(wú)屈服平臺(tái)，得到的屈服強(qiáng)度略低于縱向，抗拉強(qiáng)度高于縱向。這是因?yàn)闄M向試樣在展平過(guò)程中發(fā)生了變形，鋼管外徑越小，變形越大，相當(dāng)于鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生了拉應(yīng)變，外壁產(chǎn)生壓應(yīng)變，而應(yīng)變產(chǎn)生大量位錯(cuò)，使得強(qiáng)度升高。

2.5 模擬應(yīng)變時(shí)效

進(jìn)行了小樣模擬從2.5%到7.5%拉應(yīng)變和250℃保溫1 h的時(shí)效試驗(yàn)，再加工成Φ12.7 mm的圓棒試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。不同應(yīng)變下X65Q管線用無(wú)縫鋼管的拉伸曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：原試樣的均勻伸長(zhǎng)率大于10%，說(shuō)明加工硬化指數(shù)n∧0.1，滿足抗大變形管線的兩個(gè)重要特點(diǎn)［4］；并且2.5%拉應(yīng)變后試樣的均勻伸長(zhǎng)率∧8%，滿足GS EP PLR 201—2012 Fabrication of Seamless Pipes for Pipelines（Sweet Service）標(biāo)準(zhǔn)未應(yīng)變時(shí)效均勻伸長(zhǎng)率≥8%、應(yīng)變時(shí)效后均勻伸長(zhǎng)率≥6%的要求。

圖5 不同應(yīng)變下PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的拉伸曲線

3 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的沖擊性能

3.1 沖擊功

統(tǒng)計(jì)PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管4種尺寸橫向V型2 mm缺口沖擊試樣在0℃的沖擊功，如圖6所示。

圖6 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管在0℃的橫向沖擊功統(tǒng)計(jì)

圖6（a）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為550個(gè)，平均值為276.6 J，標(biāo)準(zhǔn)差為28.19 J，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.21 J，全尺寸（10 mm×10 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為160 J，大部分在240~320 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)沖擊功≥27 J和 OED-TP-104—2009標(biāo)準(zhǔn)沖擊功≥100 J的要求；圖6（b）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為105個(gè)，平均值為226.1 J，標(biāo)準(zhǔn)差為26.27 J，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.56 J，3/4尺寸（10 mm×7.5 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為140 J，大部分在180~260 J；圖6（c）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為103個(gè)，平均值為168.4 J，標(biāo)準(zhǔn)差為16.19 J，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.59 J，2/3尺寸（10 mm×6.7 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為110 J，大部分在140~180 J；圖6（d）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為78個(gè)，平均值為118.4 J，標(biāo)準(zhǔn)差為11.53 J，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.32 J，1/2尺寸（10 mm×5 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為90 J，大部分在105~135 J。因此，PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管具有優(yōu)異的沖擊韌性。

3.2 韌脆轉(zhuǎn)變曲線

韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）決定了管線鋼的低溫性能，是衡量管線鋼脆性轉(zhuǎn)變的重要指標(biāo)，其大小直接影響了管線鋼的使用范圍。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般使用標(biāo)準(zhǔn)V型缺口在不同溫度進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。典型的PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變（FATT50）曲線如圖7所示，試驗(yàn)用無(wú)縫鋼管規(guī)格為Φ323.9 mm×16 mm，屈服強(qiáng)度 510 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa。

圖7 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變曲線

由圖7可看出：Φ323.9 mm×16 mm規(guī)格PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT50）低于-80℃，從生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以保證在-60℃以下。

3.3 應(yīng)變時(shí)效

應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)越大，管材對(duì)應(yīng)變時(shí)效越敏感，應(yīng)變時(shí)效后的管材韌性越差，鋼變脆［5］。根據(jù)GB/T 4160—2004《鋼的應(yīng)變時(shí)效敏感性試驗(yàn)方法（夏比沖擊法）》標(biāo)準(zhǔn)［6］要求，進(jìn)行了從2.5%到7.5%應(yīng)變和250℃保溫1 h的時(shí)效，加工成10 mm×10 mm×55 mm的橫向V型2 mm缺口沖擊試樣，進(jìn)行-30℃沖擊韌性試驗(yàn)，應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系如圖8所示。

圖8 應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系

從圖8可以看出：應(yīng)變≤5.0%并時(shí)效后的沖擊功降低較為緩慢，沖擊功降低值 ∧10%，對(duì)于抗大變形管線和卷管海上施工管線塑性應(yīng)變大都≤5.0%，應(yīng)變時(shí)效后管材仍具有很好的韌性；應(yīng)變∧5.0%后沖擊功降低較迅速。因?yàn)殡S著施加拉應(yīng)變的增加，鋼管加工硬化現(xiàn)象越發(fā)明顯，強(qiáng)度升高，韌性降低。

4 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的硬度性能

用98 N的載荷，將頂角為136°的金剛石四方角錐體壓頭壓入PSL X65Q管線用無(wú)縫鋼管的橫截面，以其壓痕面積除載荷所得之商，即為其維氏硬度值。PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的平均硬度統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖9 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的平均硬度統(tǒng)計(jì)

圖9統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為2 621個(gè)，平均值為198.8 HV10，標(biāo)準(zhǔn)差為12.38 HV10，平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.24 HV10。從圖9可以看出：PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的最大硬度小于260 HV10，大多集中在180~220 HV10，滿足API Spec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)硬度≤270 HV10要求的同時(shí)，還可以滿足OED-TP-104—2009標(biāo)準(zhǔn)硬度≤230 HV10的要求，甚至對(duì)于酸性服役環(huán)境PSL2 X65QS管線用無(wú)縫鋼管可滿足硬度≤220 HV10的要求。

5 PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管的性能控制

5.1 鋼種設(shè)計(jì)

天津鋼管PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管，其鋼種采取以低碳含Mn鋼為基礎(chǔ)輔以微合金元素強(qiáng)化的鋼種設(shè)計(jì)，根據(jù)不同外徑和壁厚添加少量的Cr、Mo元素來(lái)提高鋼的淬透性［7-8］；添加Nb、V微合金強(qiáng)化元素細(xì)化晶粒，以提高鋼的強(qiáng)韌性指標(biāo)；添加適量的Cu、Ni元素提高鋼的低溫韌性；采用純凈鋼質(zhì)冶煉技術(shù)，減少了鋼中夾雜物含量，嚴(yán)格控制S和P含量；在煉鋼生產(chǎn)時(shí)設(shè)定各個(gè)元素波動(dòng)范圍和目標(biāo)值［9］，確保最終鋼的碳當(dāng)量或者冷裂紋系數(shù)變化很小，為減小力學(xué)性能波動(dòng)提供了保證。

5.2 調(diào)質(zhì)熱處理

天津鋼管對(duì)所冶煉的管線鋼都繪制了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線），這是進(jìn)行熱處理的基礎(chǔ)，加之通過(guò)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)摸索出的管線鋼碳當(dāng)量或者冷裂紋系數(shù)與性能的關(guān)系，都為制訂合理的熱處理工藝打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，配有的“旋轉(zhuǎn)內(nèi)噴+外淋”和“旋轉(zhuǎn)浸入式+內(nèi)噴”淬火設(shè)備，可根據(jù)鋼管的不同外徑和壁厚選擇合適的淬火工藝，確保整管的淬透性和均勻性；然后進(jìn)行高溫回火，最終得到的組織均勻細(xì)小，晶粒度可達(dá)到8級(jí)及以上水平，確保調(diào)質(zhì)后的管線用無(wú)縫鋼管成品具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天津鋼管PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)研究，證實(shí)PSL2 X65Q管線用無(wú)縫鋼管具有屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍小、屈強(qiáng)比低、塑性高、低溫韌性優(yōu)良、硬度低、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)不僅可以滿足海洋管線用管的苛刻要求，并可適用于抗大變形管線和卷管施工方式管線的生產(chǎn)，為深海管線的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

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