高強度管線鋼力學性能和冶金特性的最新進展

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

高強度管線鋼力學性能和冶金特性的最新進展

孫 宏 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了提高油氣管道的輸送效率，降低管道建設成本，并滿足復雜環(huán)境下油氣管道能穩(wěn)定服役的要求，鋼管行業(yè)開展了大量的工作來研發(fā)冶金和力學性能 （強度、韌性及延性）優(yōu)異的管線鋼。介紹了高強度管線鋼的最新研究進展以及基于應變設計的管線鋼的力學性能。分析了化學成分、顯微組織、TMCP工藝和ACC工藝等對管線鋼強度、韌性和延性的影響。分析結(jié)果表明，新開發(fā)的非傳統(tǒng)TMCP工藝有助于改善管線鋼的力學性能，管線鋼的強度、韌性和延性與合金元素的含量相關，最佳顯微組織的開發(fā)提供了高應變能力應用所需的力學性能。分析結(jié)果還表明，對于生產(chǎn)低屈強比、高延伸率和足夠韌性的管線鋼，傳統(tǒng)TMCP和非傳統(tǒng)TMCP工藝均是有效的工藝路線。

高強度管線鋼；合金元素；基于應變設計；力學性能

1 高強度管線鋼的最新研究進展

高強度管線鋼（high strength steel，簡稱HSS）只有不斷提升韌性和強度，才能滿足復雜環(huán)境下油氣管道穩(wěn)定服役的要求。

高壓管道（12～20 MPa）用高強度管線鋼被看作是一個先進的低合金高強度鋼（high strength low alloy steel，簡稱HSLA）的變體，其通常包含非常低的碳含量和少量的合金元素（微合金化），如Nb、V、Ti和Mo。

X70及以上管線鋼晶粒非常細小且潔凈度很高，其特點是低硫含量并降低了大量有害的第二相（氧化物、夾雜物和珠光體）的含量。以鋼級進展劃分的HSLA鋼的發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 以鋼級進展劃分的HSLA鋼的發(fā)展歷程

通過復雜的熱機械軋制控制工藝（TMCP）和隨后的加速冷卻工藝 （ACC）可以改善高強度鋼的力學性能，因此軋機成為一種重要的冶金工具。通過軋制不僅可以控制最終產(chǎn)品的外觀形狀，還可細化金屬晶粒，生產(chǎn)出低合金高強度鋼，進而降低管線鋼的碳含量，使其具備良好的焊接性能。

2 基于應變設計的管線鋼的力學性能

由于地殼運動，特別受地震活動和永久凍土層的影響，輸送管道在服役過程中可能發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生應變。因此傳統(tǒng)基于應力設計的管道完整性評價不能滿足實際需求，必須采用基于應變設計（strain based design，簡稱SBD）的管道完整性評價。

為確保輸送管道運行的安全性，確定管道應變的最大值就顯得非常重要。管道應變的最大值必須大于施加的應變，才能抵抗管道在嚴苛環(huán)境中發(fā)生的塑性變形。因此，準確描述并確定管線鋼的應力—應變行為和韌性是應變評價的關鍵。

事實上，管線鋼的強度越高，與形變能力相關的均勻延伸率就會越低。因此，要提高高強度管線鋼的應變能力，管線鋼本身就必須具備足夠的韌性、較高的可變形性以及更高的應變強化能力。這就意味著管線鋼需要更低的屈強比，同時提高其均勻延伸率才能具有較好的應變能力。

高應變強化能力是指，在應力梯度存在的情況下材料具有使應變分布更加均勻的能力。高應變強化能力可以降低局部應變的發(fā)生。一般情況下，具備高應變強化性能的鋼的應力-應變曲線為圓屋頂型，即具有連續(xù)屈服行為。雙相高強度管線鋼和傳統(tǒng)管線鋼的應力-應變曲線如圖2所示。圖2（a）基于應變評估的應力-應變曲線，圖2（b）為試驗開發(fā)的新型雙相（DP）高強度管線鋼的應力-應變曲線。通過圖2比較可以看出，所有新開發(fā)的管線鋼具備更低的屈強比，更高的應變強化和更大的均勻延伸率。

圖2 雙相高強度管線鋼和傳統(tǒng)管線鋼的相關應力—應變曲線

3 高強度管線鋼的性能

3.1 化學成分

高強度管線鋼的化學成分可能會隨產(chǎn)品厚度的不同而不同，以滿足其特定的力學性能要求。其化學成分通常為 C（w（C）＜0.10%）和 Mn（w（Mn）≤2.0%），并添加Nb、V、Ti、Mo和B等微量合金元素。鋼合金化的主要目的是通過晶粒細化、固溶和析出強化等機制強化鐵素體。固溶強化與合金元素的含量密切相關，而析出強化和晶粒細化取決于化學成分和TMCP之間的相互作用。傳統(tǒng)高強度管線鋼、新型高強度管線鋼以及X70～X120鋼級API鋼線管的化學成分如圖3所示。增加Mo、Si和Ni等合金元素能夠提高管線鋼的強度。高強度管線鋼中合金元素的含量及其主要作用見表1。

圖3 傳統(tǒng)高強度管線鋼、新型高強度管線鋼以及API管線鋼的化學成分

表1 高強度管線鋼中合金元素的含量及其主要作用

過去幾年，冶金行業(yè)在保證可焊性的前提下，通過采取一些合金組合來滿足鋼的強度和韌性需求。常用的組合有：①V+Mo+Nb，形成碳化物、氮化物和碳氮化物產(chǎn)生二次硬化；②Ni+Mo，在控制軋制時可以抑制奧氏體再結(jié)晶，有效細化了顯微組織，通過析出強化和提高淬透性加強鋼的強度；③Ni+B，協(xié)同提高淬透性；④Nb+V，提高強度性能（基于這種合金組合的鋼可能需要相對較高的碳當量設計，但會降低不預熱現(xiàn)場焊接的可焊性）；⑤Mo+Nb+Ti，能夠明顯細化鐵素體晶粒尺寸；對于實現(xiàn)X70及X80（高Mn鋼）特別是對于厚壁鋼管的強度要求，相比Nb+V鋼更有效；低溫轉(zhuǎn)變組分，如含有針狀碳化物的貝氏體（B）在合金含量較低的X70鋼和含有奧氏體/馬氏體組元（MA）的更高合金含量的X80鋼；提高析出強化，有添加Ti的效果。

此外，添加B，對于API SPEC 5L X120的性能也有很大影響，如通過形成強化組分（例如貝氏體和/或馬氏體）提高淬透性；在冷卻過程中阻礙更軟的鐵素體和珠光體的形成；采用低CE的成分實現(xiàn)了高板條強度，提高了晶界強度。

3.2 微觀組織

因為最終的微觀組織是決定材料性能的一個關鍵變量，所以必須專門設計以保證其具有優(yōu)良的性能和可靠的安全性。添加不同的微合金元素，采用不同的軋制工藝（TMCP+ACC），都會影響管線鋼最終的顯微組織。這些工藝處理的主要目的是降低鋼中的碳含量。在這種情況下，顯微組織基本上為下貝氏體。另一方面，為基于應變設計開發(fā)的新鋼種可能有多種顯微組織，其中包括貝氏體、馬氏體及鐵素體等不同形式和組合，這種設計的目的是要保證管線鋼具有較好的強度、韌性和延性。

本研究探討的三種不同組織成分的X80鋼的微觀形貌 （縱向截面）如圖4所示。由圖4中，X80貝氏體單相（體積分數(shù)≈100%），ACC開始于Ar3以上時獲得；X80貝氏體-鐵素體雙相，ACC開始于Ar3以下時獲得；X80下貝氏體-板條馬氏體，在ACC開始于時高于Ar3并冷卻終止于中間溫度（600～850 ℃）獲得。

圖4 三種不同組織成分的X80鋼的微觀形貌 （縱向截面）

貝氏體顯微組織在精確的化學成分（合金化）和較低的碳含量條件下形成，目的是降低Pcm?；镜暮辖痼w系包含Cu、Ni、Cr、Mo以及V、Nb、Ti和B等合金化元素。軋制和冷卻過程可以有效地實現(xiàn)一種阻礙位錯移動的晶粒結(jié)構(gòu) （小角度晶界）的顯微組織，從而達到了強度和韌性的完美結(jié)合。這種組織也用于確保在低至－40℃溫度下的管線鋼管具有完全韌性失效行為和優(yōu)異的止裂行為（北極條件）。

雙相（DP）鋼顯微組織是由軟的鐵素體基體和10%～40%的硬貝氏體和/或馬氏體-奧氏體組元組成。影響雙相鋼力學性能等重要特性的因素包括鐵素體和貝氏體顯微組織的組分形態(tài)、大小、數(shù)量和分布，貝氏體的碳含量，鐵素體和/或殘留奧氏體的體積分數(shù)。鐵素體的作用是通過先析出奧氏體的邊緣鐵素體成核防止硬晶粒邊界的脆性，目的是抑制可能的裂紋擴展。鐵素體相內(nèi)（DP鋼）的位錯移動提供了高應變能力所需的理想形變特性。與傳統(tǒng)的高強度鋼相比，這種類型的顯微組織會表現(xiàn)出以下基于應變特征的優(yōu)勢：①一定數(shù)量的硬相/組分可以強化顯微組織，這一階段晶粒的尺寸和分布決定了其延展性；②具有圓屋頂型屈服曲線；③具有低屈強比和高應變強化行為，尤其是在延性變形開始發(fā)生時。

該X80顯微組織由扁平的下貝氏體-板條馬氏體組成，呈現(xiàn)出高度變形和改善的相尺寸。這種顯微組織設計獲得了小的相尺寸 （扁平組織平均厚度＜6 μm）和高的位錯密度（＞1012/cm2）， 可以有效提升鋼板的強度和韌性。為了避免夏比沖擊韌性的惡化，可以最大化下貝氏體的體積分數(shù)。此外，固溶體析出的碳形成的細小彌散分布的碳化物（第二相強化）提高了上平臺韌性。殘留在板條馬氏體間隙的碳則起到了提高固溶強化的作用。

3.3 軋鋼工藝

采用TMCP工藝可以實現(xiàn)顯微組織的精確控制，以獲得更高的應變硬化能力和延性。軋制后，進行加速冷卻工藝（ACC），以滿足基于應變設計的更高需求。但在某些情況下，鋼板首先要進行熱軋并保溫（在某一溫度保持直到發(fā)生所需的顯微組織變化），然后再進行淬火及回火。沒有采用ACC工藝時，進行這樣的回火處理會產(chǎn)生貝氏體-馬氏體組織。通過回火處理可以降低馬氏體的脆性，提高延性和韌性。通過這些工藝路線可以得到不同類型的顯微組織，如貝氏體單相、鐵素體-貝氏體雙相和下貝氏體-板條馬氏體。

1998年，出現(xiàn)了一種新的TMCP工藝（以下稱為 “非傳統(tǒng)TMCP”）。采用這種工藝不僅是為了通過相變強化獲得高強度，而且可以使顯微組織細化獲得高韌性，從而在減少合金元素的情況下獲得高強度與高韌性的組合。顯微組織由貝氏體基體和細小彌散分布的馬氏體-奧氏體組元（MA）組成，作為第二相的馬氏體-奧氏體組元的體積分數(shù)在7%以上。為了達到最高的冷卻速率，該工藝配備加速冷卻裝置以及在線熱處理工藝（HOP）感應加熱設備，能夠加熱最大達40 mm的厚板。這種組合實現(xiàn)了傳統(tǒng)TMCP工藝無法實現(xiàn)的新的冶金控制工藝。采用HOP具有以下優(yōu)勢：①析出強化非常細小的碳化物（降低自由碳含量擴散）；②恢復位錯密度；③MA組元的形成實現(xiàn)了高強度和高可變形性的平衡。

軋鋼工藝對顯微組織的影響如圖5所示。圖5（a）為傳統(tǒng)TMCP和非傳統(tǒng)TMCP生產(chǎn)工藝的圖解及顯微組織形態(tài)變化。傳統(tǒng)TMCP生產(chǎn)工藝，鋼板控制軋制，加速冷卻然后空冷；非傳統(tǒng)TMCP生產(chǎn)工藝，鋼板在加速冷卻后通過感應線圈立即快速加熱，隨后進行空冷。圖5（b）表明了HOP工藝對顯微組織的細化效果。

圖5 軋鋼工藝對顯微組織的影響

為了獲得更加細小的晶粒組織，TMCP生產(chǎn)工藝的控制通常非常嚴格，且溫度相對較低（即在Tnr和Ar3之間），最后的熱軋工序處于非再結(jié)晶溫度（Tnr）以下。因此，嚴重變形（扁平）的奧氏體晶粒沒有完全再結(jié)晶，這為奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或貝氏體提供了大量的形核空間。對ACC工藝的研究表明，降低開始和終止溫度分別會促進鐵素體和MA組元的形成。

TMCP工藝各個工序的典型參數(shù)及其特征描述見表2。不同軋制工藝下獲得的顯微組織見表3。由表3可見，不論是傳統(tǒng)高強度管線鋼，還是新型高強度管線鋼，采用不同的軋制工藝均可獲得所需要的顯微組織。

表2 TMCP工藝各個工序的典型參數(shù)及其特征描述

表3 不同軋制工藝下獲得的顯微組織

4 組織與力學性能的關系

由于去除鋼板內(nèi)的雜質(zhì)對提升管線鋼的力學性能有重大影響，因此所有工藝應從冶金角度綜合考慮。明確和理解相關參數(shù)（如化學成分和軋鋼工藝）、力學性能（應力-應變特性、屈服強度（Rp0.2）、抗拉強度、屈強比、均勻延伸率以及止裂韌性）之間的關系至關重要。韌性經(jīng)常通過夏比沖擊試驗和巴特爾落錘撕裂試驗 （B-DWTT）來檢測量化。圖6所示為相關文獻報道的不同鋼級力學性能的平均值，圖6中拉伸試驗取縱向試樣，夏比沖擊試驗和B-DWTT的試驗溫度為-40～－10℃。

圖6 不同高強度管線鋼的力學性能

正如預期的那樣，對于傳統(tǒng)高強度管線鋼和新型高強度管線鋼，高鋼級具有更高的Rp0.2和Rm以及較低的均勻伸長率和總延伸率（見圖6（a）～圖6（c））。但新型高鋼級管線鋼因為是雙相鋼，所以具有更低的Rp0.2、更高的Rm和較低的屈強比（即更高的應變強化），比傳統(tǒng)管線鋼平均低10%。這些有利的特性與前面所討論的雙相顯微組織密切相關。應變強化的提高可以歸因于較軟的基體和硬的第二相間強度差異的增大，這意味著具備更硬的第二相的鋼的應變強化能力也更高，而且其應力-應變曲線為圓屋頂型。

API SPEC 5L 2000（PSL2）規(guī)定對于縱向試樣，所有材料已達到了規(guī)定最小平均沖擊功101J（0℃），見圖6（d）。 但一些鋼級如X80（B）和所有X120卻沒有達到DWTT剪切面積率≥85%的要求，為68%～84%。沒有觀察到應力-應變特性和韌性值 （如夏比V形缺口和B-DWTT）之間具有明確的相關性。

5 結(jié) 論

（1）改善了高強度管線鋼的力學性能，認識到了高強度管線鋼應變能力的重要意義并在基于應變設計管線鋼管的開發(fā)方面取得了顯著進展。

（2）基于應變設計高強度管線鋼的強度與Mo、Si和Ni含量相關，合金元素含量變化具有獨立性，不會影響可焊性的特征參數(shù)（CE和Pcm）。

（3）最佳顯微組織 （如鐵素體-貝氏體雙相鋼和/或貝氏體-馬氏體/奧氏體組元）的開發(fā)提供了高應變能力應用所需的力學性能，如更高的應變強化和均勻伸長。

（4）對于生產(chǎn)低屈強比、高延伸率和足夠韌性的鋼，傳統(tǒng)TMCP和非傳統(tǒng)TMCP工藝均是有效的工藝路線。

Latest Developments in Mechanical Properties and Metallurgical Features of High Strength Line Pipe Steels

Translated by SUN Hong
（North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

In order to increase oil-gas pipeline transporting efficiency，reduce pipeline construction cost，and meet requirements of oil-gas pipeline stable service in complex environments，steel pipe industry had done a lot of work to research and develop excellent metallurgical and mechanical properties pipeline steel.The latest development of high strength pipeline steels and strain based design of mechanical properties were introduced.The influence of chemical ingredient，microstructure，thermo-mechanical controlled process（TMCP） and accelerated cooling process（ACC） on strength,toughness and ductility of pipeline steel.According to the analysis results，newly developed unconventional TMCP process contributed to improve mechanical properties，strength，toughness and ductility of pipeline steel were related to content of alloying element，and development of optimum microstructure which provided the required mechanical properties for high strain capacity applications.Both conventional and unconventional TMCP processes showed to be effective processing routes for producing pipeline steels with lower Y/T ratio，higher elongation，and sufficient toughness.

high strength line pipe steel； alloying elements； strain based design； mechanical properties

TG115.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.014

譯自： D BELATO ROSADO，W DE WAELE，D VANDERSCHUEREN，et al.Latest developments in mechanical properties and metallurgical features of high strength line pipe steels[C]//Vernon Anthony.Sustainable Construction and Design.London：Pearson Higher Isia Education，2013.

孫 宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，目前主要從事石油輸送鋼管材料與試驗技術工作。

2017-05-19

編輯：張 歌