X80管線鋼合金化設計及制管工藝研究

宋鍇星+陳蒙+王陽

摘 要：本文對X80管線鋼的合金化設計及原始顯微組織進行了研究分析，并闡述了目前X80管線鋼主要制管工藝的過程及原理，分析了不同管坯成形方法對材料原始性能的影響。研究表明，X80管線鋼中最主要的強化元素為Mn，同時添加Nb、Ti、V等合金微量元素，使顯微組織主要為針狀鐵素體，具有高強度和高韌性；UOE成形和JCOE成形的X80管線鋼鋼管內(nèi)均存在較為復雜的應力分布，而UOE成形相比JCOE成形的管坯殘余應力小，分布更均勻。

關(guān)鍵詞：X80管線鋼；合金化；UOE成形；JCOE成形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.043

0 引言

隨著生產(chǎn)生活對油氣資源需求量的不斷增加，油氣管道的輸送正朝著增大壓力和管徑的方向發(fā)展。如今的管道建設主要以大壓力、長距離、大管徑輸送為特征[1]，因此如何長距離安全高效的運輸油氣，已經(jīng)成為當今科學研究的一個重要課題。

大口徑、長距離的高壓輸送管線具有運量大、安全可靠、成本低等優(yōu)勢，因而使用高等級、大壁厚管線用鋼呈現(xiàn)出越來越強的發(fā)展態(tài)勢[2]。20世紀60年代以來，高強度管線鋼已逐漸在世界各國的油氣運輸中得到使用。近年來以X70級管線鋼為主，但隨著X80級管線鋼的大規(guī)模應用，X80級管線鋼已逐漸成為目前高壓輸送天然氣管線的首選鋼級。

1 X80級管線鋼的合金化

一般情況下，提高鋼材的強度會損害材料的韌性，而細化晶?？梢栽谔岣邚姸鹊耐瑫r不損害韌性。通過第二相粒子的彌散分布，可以阻止晶粒長大而使晶粒細化，也可以通過添加合金元素的方法獲得細化的晶粒[3]。X80級管線鋼是通過優(yōu)先獲得最大程度的晶粒細化，并平衡不同機制的貢獻，使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低和強度提高。因此，X80管線鋼中的微合金元素的選擇及有害元素含量的控制就顯得尤為重要。

由表1-1可以看出，C含量小于0.06%，Mn含量在1.5～2.0%之間。雖然C是鋼中最經(jīng)濟、最基本的強化元素，但提高C含量會降低鋼的延展性和韌性，同時對管道的焊接具有負面影響。因此，降低C含量有助于提高鋼的延韌性，改善鋼的焊接性能。而Mn元素作為管線鋼中最主要的強化元素，可以彌補因C含量降低引起的材料強度損失。Mn還能夠使奧氏體區(qū)擴大，降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，有助于獲得細小的相變產(chǎn)物使晶粒細化，從而提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

管線鋼中的重要微量合金元素包括Nb、V、Ti等。其中，Nb元素對于晶粒細化的作用十分明顯。NbC可以在應變誘導的作用下析出，阻礙形變奧氏體的回復、再結(jié)晶，使奧氏體組織在相變時獲得細小組織。Ti是強固N元素，細小TiN具有高溫穩(wěn)定性，它的析出可有效地阻礙板材再加熱時的奧氏體晶粒長大，同時有助于改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。銅、鎳主要通過固溶強化來提高鋼的強度，可以彌補厚規(guī)格管線鋼中由于厚度增加而引起的強度下降。硫、磷是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，其含量越低越好。

X80管線鋼的原始組織主要由針狀鐵素體組成，同時含有粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體。針狀鐵素體晶粒細小，且晶界兩側(cè)晶粒的位向通常不同，因此能夠使鋼材具有較高強度的同時提高其韌性，而且止裂性能良好。

2 制管工藝

按照焊縫形狀及焊接方式的不同，管線鋼管可分為直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管和直縫高頻電阻焊管[4]。直縫埋弧焊管的成形方式，包括UOE成形法、JCOE成形法和RBE成形法等[5]。其中，UOE成形法和JCOE成形法是目前國內(nèi)兩種主要的直縫焊管成形方法。

2.1 UOE成形法

UOE成形法是以經(jīng)過銑邊和焊接的熱軋厚板為原料進行塑性成形的技術(shù)。其中預彎、U成形和O成形是該成形方法的三個主要成形工序。

預彎是UOE成形的第一道成形工序，一般采用壓彎成形。預彎的主要目的是使得板料邊緣具有與最終成型后的管材具有相同或相近的曲率[6]。用夾緊模具夾緊板料并固定，同時固定上預彎模具，下預彎模具向上進給，使板料端部預彎變形。預彎后的板料端部被成形為具有連續(xù)曲率的光滑圓弧。

U成形是UOE成形的第二道工序。U成形借助支撐輥和彎曲凸模對板材進行水平和豎直兩個方向的協(xié)調(diào)加載。成形時，在U成形機上放置預彎后的板料，彎曲凸模將板料垂直向下壓制，使板料發(fā)生彎曲變形，成形為上端開口較大的敞口U形。通過支撐輥的作用，使板料端部向內(nèi)收合，成形為近似U形。

O成形時，在O成形下模具中放置U形板料。隨著上O成形模具向下進給，板料沿著O模具的內(nèi)壁逐漸貼合，呈近似圓形。最終，板料被成形為開口管坯。經(jīng)過焊合后完成直縫焊管的主要成形工序。O成形階段中，明顯的周向壓縮變形使管坯內(nèi)部應力分布狀態(tài)均勻化，并能有效提高管坯的幾何成形質(zhì)量。

在預彎和U成形工序中，板料的變形主要是彎曲變形。X80級管線鋼鋼板在O成形工序中的變形包括：彎曲和周向壓縮。U形板料在直壁段的中間位置發(fā)生折彎變形，因此在直壁段與圓弧部分的過渡區(qū)、直壁段的折彎區(qū)，存在較大的殘余應力。制品在U成形工序中的冷變形都會使鋼板制成焊管后的拉伸性能和沖擊韌性發(fā)生改變，而且X80級高強度鋼板對于冷變形的敏感性要比低強度鋼高。因此，必須控制UOE成形過程中的彎曲、壓縮變形不超過1.5%。同時合金化設計時必須考慮到制管過程中板管性能的變化。

2.2 JCOE成形法

JCOE鋼管成形的主要成形工序包括：預彎和多道次的步進彎曲工序。其預彎工序與UOE方法的預彎相似。在步進彎曲工序中，可將板料先后成形的斷面形狀分為J形、C形和O形。

首先，將經(jīng)過預彎的板料一側(cè)放在彎曲模具中，經(jīng)多道次彎曲成形，最終將板材加工為曲率與制品相近的圓弧。成形后的板料橫斷面與J形相似。隨后再將板料的另一側(cè)經(jīng)多道次彎曲成為與之對稱的圓弧。最后，再對板料中間位置進行彎曲，使板料最終成形為橫截面類似C形的狀態(tài)，經(jīng)焊接后成形為O形直縫焊管管坯。endprint

在JCOE成形過程中，除最后一道次彎曲成形外，其它每道次成形均為非對稱彎曲成形，板料內(nèi)部應力應變場與模具中心不對稱。X80級鋼板同時受到形變強化和包申格效應的作用，這兩種作用同時存在，其產(chǎn)生的效果相互制約，影響著鋼管成形后的性能。有研究表明，X80管線鋼在經(jīng)JCOE成形后，沖擊韌性呈下降趨勢，硬度上升不明顯。但是X80管線鋼焊接中引起的熱影響區(qū)軟化較大，制管后熱影響區(qū)硬度下降。X80級管材屈服強度的變化與管道成形過程中的形變量有關(guān)，而形變量與厚徑比有關(guān)[7]。厚徑比越大，X80鋼制管后屈服強度上升也越大。因此，JCOE成形法制取厚徑比大的X80鋼管道，將獲得高的強度。

3 總結(jié)

（1）X80管線鋼中最主要的強化元素為Mn，同時添加Nb、Ti、V等合金微量元素。Mn有助于提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。Nb、Ti、V三種元素具有較高的析出強化作用，以保證X80管線鋼高強度和高韌性。銅、鎳可通過固溶強化的作用提高鋼的強度。

（2）在經(jīng)UOE成形和JCOE成形后，X80管線鋼鋼管內(nèi)均存在較為復雜的應力分布狀態(tài)。在U形板料直壁與圓弧部分的過渡區(qū)和折彎區(qū)，UOE成形的管坯存在較大的殘余應力；而JCOE成形的管坯在管底部較大的殘余應力。

（3）X80管線鋼在經(jīng)JCOE成形后，沖擊韌性呈下降趨勢，硬度上升不明顯。但是X80管線鋼焊接中引起的熱影響區(qū)軟化較大。同時，成形厚徑比大的X80鋼管坯可獲得較高的屈服強度。

參考文獻：

[1]莊傳晶，馮耀榮等.國內(nèi)X80管線鋼的發(fā)展及今后的研究方向[C]. X80級管線鋼國際技術(shù)研討會會議文集，北京，2004：22-32.

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[4]Janzen T S. The alliance pipeline a design shift in long distance gas transmission [C].Proceeding of International Pipeline Conference，ASME，Calgery，Canada，1998.

[5]王曉香.我國油氣長輸管線用焊接鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].鋼管，2004，33（03）：7-13.

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[7]杜偉，婁琦，黃磊等.管線鋼JCOE制管前后力學性能變化分析[J]. 焊管，2010，33（05）：20-23.endprint