X70QS鋼級酸性低溫管線管熱處理工藝研究

夏文斌，趙映輝，黃電源，謝凱意

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

管線管主要用于陸地和海上長距離輸送石油天然氣等，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中占有舉足輕重的地位；因此，其經(jīng)濟性、安全性和連續(xù)性受到各國的廣泛關注［1-4］。隨著油田逐漸向邊遠和地理、氣候條件惡劣的地帶發(fā)展，以及為了提高管道輸送效率、降低能耗、減少投資和運營費用，大管徑、高壓以及海底、高寒和腐蝕環(huán)境服役已成為管道運輸?shù)陌l(fā)展趨勢，因而對管線管的強度、低溫韌性、焊接性和抗腐蝕性都提出了更高、更嚴格的要求［5-6］。

目前，低碳微合金高強度高韌性鋼成為管線鋼的研究熱點，其主要采用低碳以及微合金化（加入Cr、Mo和Nb等）管線鋼，再通過熱處理形成具有高密度位錯亞結構的非等軸針狀鐵素體，從而獲得優(yōu)異的綜合力學性能［7］。至今，X80以下鋼級的管線鋼組織主要為針狀鐵素體，而且未來20年在管道應用中仍將以X70、X80鋼級針狀鐵素體管線鋼為主。工程用針狀鐵素體管線鋼的組織是一種混合型組織形態(tài)，由準多邊形鐵素體、超細鐵素體、貝氏體鐵素體、M/A組元等組成，其具有優(yōu)良的強韌性、較強的形變強化抗力和良好的焊接性和耐腐蝕性能［8］。然而，如何制定或優(yōu)化熱處理工藝制度，確定合適的針狀鐵素體比例和不同組織的配比以保證高的強韌性配合，并具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性，及深入研究其強韌化機制，仍是管線鋼組織控制研究的主要方向［9-10］。

對X70QS鋼級酸性低溫管線鋼進行一系列溫度的調質處理，通過拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗及顯微組織觀察，研究不同熱處理工藝對該酸性低溫管線鋼力學性能，特別是低溫韌性的影響，以期為高鋼級管線管熱處理工藝制度的制定或優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗材料為某工廠生產(chǎn)的X70QS鋼級熱軋態(tài)鋼管，其鋼錠為某公司自產(chǎn)的連鑄圓坯料，經(jīng)過連軋管機軋制成Φ244.48 mm×20 mm規(guī)格X70QS鋼級管線管。X70QS鋼級管線管的化學成分見表1。

表1 X70QS鋼級管線管的化學成分（質量分數(shù)） %

將試驗用鋼管截成長度為300 mm的管段樣，在試驗爐中進行5種不同工藝的熱處理試驗，具體熱處理工藝及其參數(shù)見表2。

表2 不同的熱處理工藝及其參數(shù)

調質后的鋼管試樣按ASTM A 370—2013《鋼制品力學性能試驗方法和定義》加工拉伸和夏比V型缺口沖擊試樣，并進行試驗。拉伸取樣方向為縱向，沖擊取樣方向為橫向，試樣尺寸為全尺寸。

打磨淬火和調質后的試驗鋼管的橫截面，利用FV-700型維氏硬度計進行硬度測試（持續(xù)時間5 s），在試驗鋼的橫截面近外表面、中間和內表面各測試3個點，然后求平均值。在萊卡DM6000M金相顯微鏡上進行組織觀察，金相試樣的腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能和低溫韌性

X70QS鋼級酸性低溫管線管經(jīng)不同調質工藝處理后的力學性能見表3，在不同淬火（水淬）溫度下的力學性能變化情況如圖1所示。從表3可以看出：除工藝二屈服強度偏低外，其余4種工藝的機械性能均滿足API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》對X70QS鋼級的要求。從圖1可以看出：隨著淬火溫度的升高，強度出現(xiàn)降低趨勢，經(jīng)880～930℃淬火后強度變化較平緩，但淬火溫度達到950℃時，抗拉強度和屈服強度較其他工藝降低了100 MPa左右，并且隨著淬火溫度的升高，-40℃沖擊韌性出現(xiàn)明顯下降趨勢；在930℃及以上溫度淬火，試驗管出現(xiàn)明顯的低溫脆性斷裂，這與沖擊功隨著淬火溫度的升高而逐漸降低的趨勢一致。

從表3來看：工藝二的強度較工藝一降低較多，但試驗鋼經(jīng)工藝二熱處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫韌性。這是由于油淬時的冷卻速度較慢，淬火時奧氏體轉化不完全，試驗鋼有較多等軸鐵素體所致。

表3 X70QS鋼級酸性低溫管線管經(jīng)不同調質工藝處理后的力學性能

圖1 X70QS鋼級酸性低溫管線管在不同淬火（水淬）溫度下的力學性能

X70QS鋼級酸性低溫管線管在不同淬火態(tài)（水淬）和調質態(tài)的維氏硬度變化趨勢如圖2所示。從圖2可以看出：隨著淬火溫度的升高，試驗鋼淬火態(tài)和調質態(tài)的硬度均出現(xiàn)降低趨勢，這與強度隨溫度升高而降低的趨勢相吻合。這與不同淬火工藝會使試驗鋼獲得不同類型和含量的組織有關，從而出現(xiàn)維氏硬度的變化。

圖2 X70QS鋼級酸性低溫管線管在不同淬火態(tài)（水淬）和調質態(tài)的維氏硬度變化趨勢

2.2 顯微組織

X70QS鋼級酸性低溫管線管在不同淬火態(tài)和調質態(tài)的顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出：不同調質工藝的淬火態(tài)和調質態(tài)的顯微組織差別均比較大。采用水淬方式時，880℃（工藝一）淬火態(tài)組織為貝氏體和少量針狀鐵素體，而隨著淬火溫度的升高，針狀鐵素體的含量逐漸增加；900℃（工藝三）和930℃（工藝四）淬火態(tài)組織為貝氏體和呈細長條狀的針狀鐵素體；當淬火溫度增加到950℃（工藝五），針狀鐵素體的寬度開始顯著變寬，含量也明顯增加。但淬火溫度為880℃采用油冷時（工藝二），由于冷卻速度較慢，組織為等軸狀的塊狀鐵素體和少量貝氏體。這與淬火組織的顯微硬度隨淬火溫度增加而減少的趨勢一致，因為貝氏體的硬度要高于針狀鐵素體的硬度［7］，隨著淬火溫度的增加，針狀鐵素體所占的比例逐漸增加，故淬火態(tài)組織的硬度隨之逐漸減少。一般認為X70QS鋼級管線鋼組織的再結晶溫度≥950℃［11］，所以在950℃保溫時會出現(xiàn)晶粒長大，從而使針狀鐵素體明顯變寬，而880℃油淬后組織大部分為塊狀鐵素體，所以此工藝淬火態(tài)組織的顯微硬度最低。

圖3 X70QS鋼級酸性低溫管線管在不同淬火態(tài)和調質態(tài)的顯微組織

調質態(tài)的組織明顯受到淬火工藝的影響，淬火態(tài)組織經(jīng)回火后針狀鐵素體板條明顯變粗，且晶粒內有碳化物析出，晶界處有點狀M/A組元。采用水淬工藝時，隨著淬火溫度的升高，形狀雜亂的針狀鐵素體逐漸增多，且板條逐漸變粗，880℃水淬工藝調質態(tài)組織中的針狀鐵素體含量約為30%，900℃、930℃和950℃淬火的調質態(tài)組織中針狀鐵素體的含量分別在40%、55%和70%左右，尤其是950℃水淬時針狀鐵素體板條明顯變得粗大；而880℃油淬工藝淬火組織和調質組織相差不大，都為多邊形鐵素體和少量貝氏體。文獻［12-13］認為，100%的針狀鐵素體具有高的強度，但韌性較低，韌-脆轉變溫度較高，低溫沖擊性能不佳。而提高韌性的有效方法是通過調整淬火工藝獲得多邊形鐵素體和細針狀鐵素體。所以，淬火溫度較高的工藝四和工藝五，其調質態(tài)組織中針狀鐵素體含量較多，且板條較寬，低溫沖擊性能較差；而調質態(tài)組織中針狀鐵素體較少和較細的工藝一和工藝三，以及多邊形鐵素體含量較多的工藝二，其低溫沖擊性能較好。

2.3 生產(chǎn)驗證

采用工藝一處理Φ244.48 mm×20 mm規(guī)格X70QS鋼級酸性低溫管線管，對其中的180個樣本進行分析，其-40℃低溫沖擊功和剪切面積百分比的直方圖如圖4所示。從圖4可以看出：-40℃沖擊功平均值約為292 J，剪切面積百分比平均值約為97%，說明采用工藝一生產(chǎn)X70QS鋼級酸性低溫管線管，其沖擊功較高、性能穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的韌性斷裂。

圖4 X70QS鋼級酸性低溫管線管-40℃低溫沖擊功和剪切面積百分比的直方圖

3 結 論

（1）淬火工藝對X70QS鋼級酸性低溫管線管的組織和性能有顯著影響，在相同冷卻速度下，隨著淬火溫度的升高，組織中針狀鐵素體的含量逐漸增加，板條逐漸粗化，進而使鋼管的強度和低溫韌性逐漸降低；而在相同淬火溫度時，降低冷卻速度會使組織中鐵素體多邊形化，鋼管的低溫韌性升高，但強度降低。

（2）X70QS鋼級酸性低溫管線管經(jīng)880～900℃淬火（水淬）+600℃回火后具有最佳的強度和低溫韌性匹配。