海底管線鋼X65MO韌性研究

孫照陽，胡學(xué)文，張永青,余宣洵,楊 森

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243002;2.中信金屬股份有限公司 中信微合金化技術(shù)中心 北京 100020)

管道輸送石油天然氣是目前油氣輸送最經(jīng)濟(jì)合理的方式[1]，而海底管線是將海洋平臺開采的油氣資源向陸地長距離輸送的重要方式。由于海洋環(huán)境較陸地更為惡劣，對海底管線的施工和運(yùn)營安全性的要求遠(yuǎn)高于陸地管線，因此，海底管線焊管需滿足高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性要求[2]。隨著海底開采油氣的井深越來越深和工況越來越復(fù)雜，對鋼管應(yīng)具有的高強(qiáng)度、高沖擊韌性、耐高壓、耐腐蝕性、抗低溫和抗擠毀的特定要求進(jìn)一步提高。本文結(jié)合X65MO海底管線鋼的實(shí)際生產(chǎn)，重點(diǎn)研究了熱軋板卷的韌性性能。

材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料韌脆型轉(zhuǎn)變傾向的重要指標(biāo)，決定著材料低溫韌性的優(yōu)劣，直接影響著材料的應(yīng)用范圍[2]；夏比沖擊性能則是評價(jià)沖擊韌性的重要依據(jù)，反映了材料在劇烈沖擊載荷下裂紋起裂及擴(kuò)展過程[3]。落錘撕裂試驗(yàn)是以全厚度的試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，更能全面的反應(yīng)材料的真實(shí)韌性性能。本文研究了一種海底管線鋼X65MO在不同溫度下的沖擊韌性，根據(jù)沖擊吸收能量和剪切斷面率確定了其韌脆轉(zhuǎn)變溫度，分析了不同溫度下的沖擊斷口的形貌特征[4]。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為海底管線鋼X65MO，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)見表1。試驗(yàn)材料經(jīng)再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制和控制冷卻，成品鋼卷規(guī)格為20.6×1881 mm。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分 %

按照GB/T 2975-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》標(biāo)準(zhǔn)，夏比沖擊試樣取自鋼板寬度1/4處橫向，試樣缺口垂直于鋼板軋制表面。沖擊試樣采用10×10×55 mm規(guī)格夏比V型缺口試樣，按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在ZBC2452-2型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上依次進(jìn)行-80℃-0℃夏比沖擊試驗(yàn)，溫度間隔為20℃，液體控溫介質(zhì)為無水乙醇，保溫時(shí)間為5 min。每個(gè)試驗(yàn)溫度下進(jìn)行3次沖擊試驗(yàn)并記錄沖擊吸收功，觀察斷面計(jì)算剪切斷面率。沖擊斷口試樣采用無水乙醇浸泡，用SB2200-HT型超聲波清洗儀清洗3 min，隨后用吹風(fēng)機(jī)迅速將沖擊斷口吹干，使用Quanta 450型掃描電子顯微鏡觀察不同溫度的沖擊斷口形貌。

DWTT試樣按照API RP 5L3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工：長305±5 mm、寬75±1.5 mm，厚度為全厚度。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)溫度下選取兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測試。試驗(yàn)按照API RP 5L3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用威海市試驗(yàn)機(jī)制造有限公司制造的試驗(yàn)機(jī)，型號JL-50000，最大沖擊能量為50000 J。加工好的試樣兩個(gè)為一組，依次放入溫度為0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃保溫箱中保溫至少25 min，為保證溫度均勻，低溫槽內(nèi)的液體保持流動。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2為該海底管線鋼X65MO在不同溫度下測得的沖擊吸收能量以及根據(jù)斷口評定出的剪切斷面率。由表2數(shù)據(jù)可知，隨著試驗(yàn)溫度降低，沖擊吸收能量和剪切斷面率均逐漸減小。

表2 試驗(yàn)鋼夏比沖擊性能

按API RP 5L3標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)后將試樣斷裂表面與經(jīng)過標(biāo)定的一組被標(biāo)定出百分比面積的實(shí)際試樣相比較，最后得出不同試驗(yàn)溫度下，DWTT斷口面積中韌性斷裂區(qū)所占百分比如表3所示。

表3 不同試驗(yàn)溫度下斷口面積中韌性斷裂區(qū)所占百分比

圖1為該海底管線鋼X65MO在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊斷口微觀形貌。由圖1可知，隨著試驗(yàn)溫度降低，斷口形貌由韌窩逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫恚浑S著試驗(yàn)溫度降低，韌窩尺寸和深度逐漸減小。0℃和-20℃下沖擊斷口形貌為尺寸較大的等軸韌窩和圍繞在其周圍的尺寸較小的韌窩，韌窩的深度較大；-40℃和-60℃下沖擊斷口形貌為尺寸較小的韌窩，尺寸和深度均開始減小，并存在極少的解理區(qū)域；-80℃下沖擊斷口形貌為扇形解理花樣，部分區(qū)域僅存在少量小而淺的韌窩。

2.2 韌脆轉(zhuǎn)變曲線

根據(jù)表2可繪出圖2所示的平均沖擊吸收能量-試驗(yàn)溫度、平均脆性斷面率-試驗(yàn)溫度曲線。

圖1 試驗(yàn)鋼在不同試驗(yàn)溫度的微觀斷口形貌

圖2 沖擊吸收能量、脆性斷面率與試驗(yàn)溫度曲線

由圖2的沖擊吸收能量與試驗(yàn)溫度曲線可知，在-40-0℃溫度區(qū)間，沖擊吸收能量均值隨溫度降低而出現(xiàn)的降幅較小，-40℃下的沖擊吸收能量均值仍超過300 J；-80℃-40℃溫度區(qū)間，沖擊吸收能量均值隨溫度降低而出現(xiàn)的降幅較大，-60℃下沖擊吸收能量均值為202 J，-80℃下的沖擊吸收能量均值為26 J。若將沖擊吸收能量均值達(dá)到上平臺的50%時(shí)(175J)作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50的判定點(diǎn)，則該海底管線鋼X65MO的ETT50為-67℃。

由圖2的脆性斷面率與試驗(yàn)溫度曲線可知，在-60℃～0℃溫度區(qū)間，脆性斷面率均值隨溫度降低未發(fā)生顯著變化，-60℃下的脆性斷面率僅為15%；-80-60℃溫度區(qū)間，脆性斷面率隨溫度降低顯著上升，-80℃下脆性斷面率達(dá)到了97%。若將脆性斷面率達(dá)到50%時(shí)作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度的判定點(diǎn)，則該海底管線鋼X65MO的FATT50為-69℃。

2.3 落錘撕裂試樣形貌

落錘撕裂試樣在不同溫度下的斷口形貌見圖3。

圖3 不同試驗(yàn)溫度下DWTT斷口形貌

從斷口形貌中可以看出，在溫度高于-30℃時(shí)，斷口中呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂，而隨著試驗(yàn)溫度的降低，在-40℃和-50℃時(shí)，斷口中韌性斷裂的痕跡急劇降低，出現(xiàn)脆性斷裂，且脆性區(qū)域越來越大。隨著試驗(yàn)溫度的降低，試樣的中心部位最先出現(xiàn)脆性斷裂。

3 結(jié)論

海底管線鋼X65MO在0℃和-20℃下沖擊斷口形貌為尺寸較大的等軸韌窩和圍繞在其周圍的尺寸較小的韌窩，韌窩的深度較大；-40℃和-60℃下沖擊斷口形貌為尺寸較小的韌窩，并存在極少的解理區(qū)域；-80℃下沖擊斷口形貌為扇形解理花樣，部分區(qū)域僅存在少量小而淺的韌窩；

試驗(yàn)鋼的斷口分離現(xiàn)象與試驗(yàn)溫度存在一定的關(guān)系，主要發(fā)生在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)中的 -60℃-40℃溫度區(qū)間， -80℃-60℃和-40℃-0℃溫度區(qū)間未出現(xiàn)明顯的斷口分離現(xiàn)象；

分別采用沖擊吸收能量達(dá)到上平臺50%和脆性斷面率達(dá)到50%作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度的判定依據(jù)，確定出海底管線鋼X65MO的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為：ETT50=-67℃，F(xiàn)ATT50=-69℃；

落錘撕裂斷口中韌性斷裂區(qū)所占百分比隨著溫度的降低而顯著減少，尤其是溫度降到-40℃以下時(shí)，韌性斷裂區(qū)所占百分比低于50%。