時(shí)效溫度對(duì)X90管線鋼的影響研究

劉宇斌，閆麗芳，張　娟，何　瑩

(1.中國(guó)石油管道學(xué)院　河北　廊坊　065000; 2.廊坊市筑科工程材料檢測(cè)有限公司　河北　廊坊　065000)

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時(shí)效溫度對(duì)X90管線鋼的影響研究

劉宇斌1，2，閆麗芳1，張娟1，2，何瑩1，2

(1.中國(guó)石油管道學(xué)院河北廊坊065000; 2.廊坊市筑科工程材料檢測(cè)有限公司河北廊坊065000)

摘要:X90屬于高等級(jí)管線鋼，對(duì)溫度非常敏感。為了了解管道工程建設(shè)中防腐涂裝溫度對(duì)X90管線鋼的影響，采用油浴加熱的方法對(duì)X90管線鋼進(jìn)行模擬涂裝。結(jié)果表明隨著加熱溫度的提高，X90管線鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及屈強(qiáng)比都相應(yīng)地提高，斷后伸長(zhǎng)率變小，同時(shí)斷后伸長(zhǎng)率隨著屈強(qiáng)比的提高而趨于穩(wěn)定; X90管線鋼的拉伸曲線由拱頂型拉伸曲線變成有屈服平臺(tái)的拉伸曲線，最后變成有尖峰的拉伸曲線。另一方面低溫時(shí)效對(duì)其微觀組織和沖擊韌性沒有明顯影響。表明時(shí)效溫度越高對(duì)X90管線鋼的拉伸性能影響越顯著。

關(guān)鍵詞:X90管線鋼;時(shí)效溫度;力學(xué)性能;拉伸曲線

0　引言

高等級(jí)管線鋼的應(yīng)用可以有效減小壁厚，節(jié)約鋼材，降低成本。我國(guó)西氣東輸二線已經(jīng)大規(guī)模使用了X80管線鋼，目前X90管線鋼在國(guó)外還沒有大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)內(nèi)還處于試驗(yàn)段的前期研究階段。由于高等級(jí)管線鋼對(duì)防腐涂裝溫度非常敏感，那么在實(shí)際工程建設(shè)中，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的防腐涂裝工藝對(duì)管線鋼的性能就非常重要。管線鋼在管道工程上的運(yùn)用一般要經(jīng)歷產(chǎn)品制造變形和防腐涂裝作業(yè)，那么這個(gè)過程就構(gòu)成了應(yīng)變時(shí)效過程。

應(yīng)變時(shí)效過程機(jī)理［1－3］是材料發(fā)生微小的塑性變形后，位錯(cuò)因?yàn)樽冃味l(fā)生增殖，隨著時(shí)間的推移和溫度的影響，間隙固溶的N、C原子會(huì)在塑性變形后的位錯(cuò)周圍偏聚形成Cottrell氣團(tuán)，造成位錯(cuò)釘扎，在100℃以下N原子起主要作用，在220℃以上C原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，250℃以上N、C原子的擴(kuò)散率都很大。隨著位錯(cuò)附近固溶原子的聚集，位錯(cuò)密度較大的晶界處易脆化導(dǎo)致材料強(qiáng)度與硬度上升和塑韌性下降［4，5］。

國(guó)外對(duì)高等級(jí)管線鋼的應(yīng)變時(shí)效過程的已有較多研究［2，3］，國(guó)內(nèi)對(duì)X90管線鋼的應(yīng)變時(shí)效研究很少［6］，由于UOE直縫焊管的擴(kuò)徑變形通常在1％左右，應(yīng)變?cè)?％左右對(duì)X90管線鋼應(yīng)變時(shí)效有著較正面的影響［6］，所以各個(gè)廠家生產(chǎn)的UOE直縫X90鋼管可以認(rèn)為是等應(yīng)變鋼管。文章從長(zhǎng)輸管線工程建設(shè)的角度，研究防腐涂裝溫度對(duì)等應(yīng)變X90管線鋼的影響。

1　試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為寶鋼和番禺/湘鋼兩廠家生產(chǎn)的X90 D1219 mm×16.3 mm直縫埋弧焊管。化學(xué)成分見表1。試樣取樣位置、試樣的制備及試驗(yàn)方法均采用API SPEC 5L的規(guī)定［7］，為了消除包申格效應(yīng)［8］，試樣加工成直徑8.9 mm，試驗(yàn)標(biāo)距為50 mm的橫向圓棒試樣; CNV沖擊試樣為10 mm×10 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣依次編號(hào)，每3個(gè)同類型試樣為一組，每一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果取同一組3個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值。試樣進(jìn)行油浴處理模擬防腐涂裝熱循環(huán)。試樣在油浴后空冷至室溫，在室溫下放置24 h后試驗(yàn)。

表1　X90鋼管管體的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　％

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1時(shí)效溫度對(duì)拉伸性能的影響

2.1.1時(shí)效溫度對(duì)拉伸力學(xué)性能的影響

從表2可以看出，寶鋼和番禺/湘鋼兩廠家生產(chǎn)的X90鋼管由于化學(xué)成分等生產(chǎn)工藝不同，在無(wú)加熱時(shí)效處理狀態(tài)下，試驗(yàn)得到的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和斷后伸長(zhǎng)率均表現(xiàn)出不同的結(jié)果。在時(shí)效溫度170℃時(shí)，相對(duì)于無(wú)加熱時(shí)效處理，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比數(shù)值都增加，斷后伸長(zhǎng)率相應(yīng)減小。從時(shí)效溫度170℃至?xí)r效溫度230℃對(duì)比可知，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比數(shù)值繼續(xù)增加，而伸長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定，幾乎沒有變化。

根據(jù)兩廠家的X90管線鋼的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩廠家的X90管線鋼力學(xué)性能隨時(shí)效溫度變化而變化的特性呈現(xiàn)出高度的一致性。X90管線鋼隨著時(shí)效溫度的升高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都會(huì)增加，但屈服強(qiáng)度的增加幅度大于抗拉強(qiáng)度的增加幅度，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，屈服強(qiáng)度的增加幅度是抗拉強(qiáng)度增加幅度的2～3倍。顯然屈強(qiáng)比也會(huì)相應(yīng)的提高。斷后伸長(zhǎng)率隨著時(shí)效溫度的上升而變小，同時(shí)斷后伸長(zhǎng)率隨著屈強(qiáng)比的上升而趨于穩(wěn)定。

經(jīng)過分析，隨著時(shí)效溫度的增加，間隙固溶的N、C原子活性增強(qiáng)，擴(kuò)散能力增大，位錯(cuò)釘扎作用增強(qiáng)，從宏觀上表現(xiàn)出材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的上升，斷后伸長(zhǎng)率變小;而過高的屈強(qiáng)比則會(huì)顯著地減小材料的缺陷容量，降低材料的塑性變形能力，促使材料在屈服后迅速趨向斷裂，這就是斷后伸長(zhǎng)率隨著屈強(qiáng)比的上升而趨于穩(wěn)定的原因。

表2　不同時(shí)效溫度下拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2時(shí)效溫度對(duì)拉伸曲線的影響

對(duì)于控軋控冷生產(chǎn)(TMCP)的X90管線鋼，由于其組織結(jié)構(gòu)以細(xì)小的貝氏體和針狀鐵素體為主，晶體結(jié)構(gòu)高密度位錯(cuò)，從理論上講，拉伸曲線應(yīng)該展現(xiàn)連續(xù)屈服，連續(xù)強(qiáng)化這么一個(gè)過程［9］。從圖1、圖2可以看出，無(wú)加熱時(shí)效處理時(shí)，X90管線鋼的拉伸試驗(yàn)曲線呈拱頂型，顯示了X90管線鋼良好的強(qiáng)韌性;隨著時(shí)效溫度的提升，170℃拉伸曲線由拱頂型變成了有屈服平臺(tái)的拉伸曲線，說(shuō)明此溫度時(shí)效對(duì)材料的力學(xué)性能有了一定的影響;隨著時(shí)效溫度的進(jìn)一步提升，200℃拉伸曲線變成了有尖峰的拉伸曲線，說(shuō)明此溫度時(shí)效對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了明顯的影響。

2.2時(shí)效溫度對(duì)顯微組織的影響

從圖3～圖6來(lái)看，兩廠家生產(chǎn)的X90管線鋼的顯微組織都以板狀貝氏體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體為主。寶鋼生產(chǎn)的X90管線鋼的組織晶粒略細(xì)。兩廠家的X90管線鋼在經(jīng)歷了230℃的溫度時(shí)效處理后，微觀顯微組織都沒有發(fā)生明顯的變化，說(shuō)明低溫時(shí)效處理對(duì)材料的顯微組織影響很小。

圖1　寶鋼產(chǎn)X90管線鋼不同時(shí)效溫度下的拉伸曲線

圖2　番禺/湘鋼產(chǎn)X90管線鋼不同時(shí)效溫度下的拉伸曲線

圖3　無(wú)加熱處理試樣(寶鋼)金相組織

2.3時(shí)效溫度對(duì)沖擊韌性(CVN)的影響

沖擊試驗(yàn)儀器采用鋼研納克生產(chǎn)的NI750J沖擊試驗(yàn)機(jī)，從表3的CVN沖擊試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，寶鋼的X90管線鋼沖擊值略高，這和寶鋼生產(chǎn)的X90管線鋼的組織晶粒略細(xì)有關(guān)。兩廠家的X90管線鋼在經(jīng)歷低溫時(shí)效處理后，CVN沖擊功沒有發(fā)生明顯的變化，說(shuō)明低溫時(shí)效處理對(duì)材料的沖擊韌性沒有明顯影響。

圖4　230℃5min處理試樣(寶鋼)金相組織

圖5　無(wú)加熱處理試樣(番禺/湘鋼)金相組織

圖6　230℃5min處理試樣(番禺/湘鋼)金相組織

表3　不同時(shí)效溫度下CVN沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3　建議

通過試驗(yàn)可知，X90管線鋼對(duì)溫度高度敏感，上述兩廠家生產(chǎn)的X90管線鋼在不同時(shí)效溫度下表現(xiàn)出的變化規(guī)律高度一致，但是由于兩廠家的生產(chǎn)工藝不同(如化學(xué)成分)，兩廠家的X90鋼管表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能也不同。

在管道工程建設(shè)中，為了防止應(yīng)變時(shí)效對(duì)鋼管的不利影響，滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范?？梢圆扇煞N方式，一種是控制防腐涂層溫度，選擇低溫防腐涂層材料;另一種是對(duì)X90管線鋼提出更加嚴(yán)格的技術(shù)要求，建立應(yīng)變時(shí)效評(píng)價(jià)機(jī)制，使之在某一時(shí)效溫度下仍能滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于X90管線鋼對(duì)溫度高度敏感，例如超過230℃將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，屈強(qiáng)比非常高，材料的安全容量非常小，幾乎不可接受(如管線鋼規(guī)范API SPEC 5L的規(guī)定)，所以建議以控制涂裝溫度為主。

4　結(jié)論

1)X90管線鋼具有高度的溫度敏感性，隨著時(shí)效溫度的提高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比相應(yīng)提高，但屈服強(qiáng)度增加的幅度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度增加的幅度。斷后伸長(zhǎng)率變小，同時(shí)斷后伸長(zhǎng)率隨著屈強(qiáng)比的上升而趨于穩(wěn)定。

2)隨著時(shí)效溫度的提高X90管線鋼的拉伸曲線由拱頂型曲線變成有屈服平臺(tái)的拉伸曲線，最后變成有尖峰的拉伸曲線。

3)低溫時(shí)效對(duì)X90管線鋼的顯微組織和沖擊韌性沒有明顯的影響。

4)在管道工程建設(shè)中X90管線鋼應(yīng)控制防腐涂裝溫度。

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Study on Effects of Aging Temperature on X90 Pipeline Steel

LIU Yubin1，2，YAN Lifang1，ZHANG Juan1，2，HE Ying1，2
(1.China Petroleum Pipeline College，Langfang，Hebei 065000，China; 2.Langfang Zhuke Engineering Material Testing Co.，Ltd，Langfang，Hebei 065000，China)

Abstract:As a kind of high strength steel，X90 pipeline steel is sensitive to temperature.In order to understand if there is any effect of anticorrosion coating temperature on X90 pipeline steel in pipeline construction，the simulation coating on X90 pipeline steel has been carried out with oil bath heating method.The results show that the yield strength，the tensile strength and the yield ratio of X90 pipeline steel increases accordingly with the heating temperature rising，while the percentage elongation after fracture decreases.Meanwhile，the percentage elongation after fracture becomes stable with the increase of the yield ratio.The tensile curve of X90 pipeline steel changed from roundhouse yielding type to yield platform yielding type and finally became a type of tensile curve with a peak.On the other hand，low temperature aging has no obvious effects on its microstructure and impact toughness.The results show that the higher the aging temperature，the more obvious effects it will have on the tensile property of X90 pipeline steel.

Key words:X90 pipeline steel; aging temperature; mechanical property; tensile curve

(收稿日期:2015－12－02編輯:屈憶欣)

第一作者簡(jiǎn)介:劉宇斌，男，1982年生，講師，2009年畢業(yè)于大連理工大學(xué)力學(xué)專業(yè)，主要從事管道金屬材料、建筑材料的研究和檢測(cè)工作。E-mail: hell_men@ sina.com

中圖法分類號(hào):TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):2096－0077(2016)01－0032－04