X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×35.2 mm 彎管化學(xué)成分對(duì)感應(yīng)加熱彎管性能的影響

郭寶利， 李忠誠(chéng)， 劉 斌， 皇甫旭丹

（1. 中油寶世順(秦皇島) 鋼管有限公司， 河北 秦皇島066206；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

彎管是長(zhǎng)輸管道的重要組成部分[1-3]， 隨著管道建設(shè)的不斷發(fā)展， 大直徑、 高壓、 長(zhǎng)距離油氣輸送管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性需求越來(lái)越多， 大直徑厚壁感應(yīng)加熱彎管的生產(chǎn)供貨已成為常態(tài)。 對(duì)于彎管產(chǎn)品而言， 其工藝性能影響因素較多， 原材料化學(xué)成分是主要影響因素之一[4]。 合理的母管化學(xué)成分，能夠?yàn)閺澒苤谱魈峁┬阅芊€(wěn)定的基體， 同時(shí)也能為后續(xù)的工藝調(diào)整拓展范圍及空間。 若母管化學(xué)成分不當(dāng)， 易造成管體與焊縫性能匹配性差， 導(dǎo)致彎管工藝調(diào)整失敗。 因此， 母管化學(xué)成分對(duì)感應(yīng)加熱彎管極為重要。 但是其如何對(duì)彎管性能產(chǎn)生影響，不同化學(xué)成分的母管是否可以通過(guò)調(diào)整彎制工藝進(jìn)行優(yōu)化， 都是值得關(guān)注的問(wèn)題。 本研究通過(guò)對(duì)比兩種化學(xué)成分35.2 mm 大壁厚母管經(jīng)不同彎制工藝熱煨后的彎管性能， 并進(jìn)行規(guī)律研究， 以期為厚壁感應(yīng)加熱彎管的生產(chǎn)制造提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究的試驗(yàn)采用同一鋼廠原料生產(chǎn)的A、 B兩種Φ1 422 mm×35.2 mm 直縫埋弧焊管作為母管，母管管體及焊縫的化學(xué)成分分別見(jiàn)表1 和表2。

表1 母管管體主要化學(xué)成分

表2 母管焊縫主要化學(xué)成分

對(duì)于X80 鋼級(jí)35.2 mm 大壁厚彎管母管用板材， 需考慮熱煨彎制及熱處理過(guò)程對(duì)鋼管性能的影響， 如淬透性、 鋼管強(qiáng)度降低及回火穩(wěn)定性等因素， 即通過(guò)Cr、 Mo、 Ni 固溶強(qiáng)化， 同時(shí)控制C、 Mn 含量上限， 降低回火脆性傾向[5]。

從表1、 表2 可以看出， A、 B 母管均屬于低C、 Mn-Nb-Mo 系合金鋼。 兩種化學(xué)成分對(duì)比， 在控制C 含量上限的基礎(chǔ)上， A 母管提高了C、 Mo 和Ni 元素的含量， 提高了管線鋼的強(qiáng)度， 同時(shí)提高了管線鋼的淬透性， 確保管材經(jīng)奧氏體化加熱快速冷卻后獲得更多性能優(yōu)良的貝氏體組織[6-7]。 焊縫Ni 元素的提高優(yōu)化了焊縫的沖擊韌性， 為整體性能良好匹配奠定成分基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)公式 （1）， 鋼的完全奧氏體化溫度為

確定A 鋼奧氏體化溫度為924 ℃， B 鋼奧氏體化溫度為939 ℃。

在奧氏體化以上溫度對(duì)兩種母管進(jìn)行感應(yīng)加熱彎制試驗(yàn)， 不同加熱溫度下A、 B 母管煨制得a 和b 彎管。 分別采用940 ℃、 970 ℃、 1 000 ℃的淬火溫度并采用同樣的回火工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理， 得到6 種不同熱處理狀態(tài)的試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)彎制的感應(yīng)加熱彎管進(jìn)行取樣， 分別進(jìn)行拉伸、 夏比沖擊和硬度試驗(yàn)。 機(jī)械拉伸為圓棒試樣， 試樣標(biāo)距內(nèi)直徑為12.7 mm，標(biāo)距長(zhǎng)為50 mm， 試驗(yàn)設(shè)備為UTM5305 材料試驗(yàn)機(jī)， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370-18； 夏比V 形缺口沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)溫度為-10 ℃， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm， 試驗(yàn)設(shè)備為ZBC2752-B 沖擊試驗(yàn)機(jī)， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370-18； 金相硬度試驗(yàn)， 采用10 kg 荷載維氏硬度計(jì)， 試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為KB30BVZ-FA， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM192-17， 分別對(duì)母材內(nèi)外表面各1.5 mm 以及壁厚中心均勻取9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

以a、 b 彎管彎曲部位的壁厚不變中性區(qū)和焊縫進(jìn)行理化性能試驗(yàn)分析， 夏比沖擊溫度為-10 ℃， 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3， 力學(xué)性能隨溫度變化曲線如圖1 所示。

表3 兩件彎管的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 兩種彎管力學(xué)性能隨溫度變化曲線

從試驗(yàn)數(shù)值以及數(shù)據(jù)分布可以看出， 在三種加熱溫度下， a 彎管隨著淬火溫度升高， 母材強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)， 并在970 ℃時(shí)達(dá)到峰值， 母材屈服強(qiáng)度為640 MPa， 抗拉強(qiáng)度為729 MPa， 數(shù)值分布最優(yōu)。 焊縫拉伸強(qiáng)度隨著溫度升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)， 硬度數(shù)值在各加熱溫度下均符合要求， 試驗(yàn)數(shù)值有足夠余量且比較穩(wěn)定。

b 彎管母材強(qiáng)度與硬度值隨著溫度升高而明顯提高， 在各溫度下均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 焊縫拉伸強(qiáng)度先略降低后又升高， 整體呈上升趨勢(shì)。 從940 ℃升高到970 ℃， 強(qiáng)度數(shù)值隨溫度變化不是特別明顯且整體偏低， 當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，強(qiáng)度數(shù)值明顯升高。

a、 b 彎管焊縫沖擊功與加熱溫度無(wú)明顯線性關(guān)系， 隨著加熱溫度的升高， 焊縫沖擊功呈現(xiàn)先升后下降的趨勢(shì)， 三種加熱溫度下， 焊縫沖擊功在970 ℃時(shí)達(dá)到最高值。 而母材沖擊功隨著加熱溫度的升高表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)， 其中b 彎管母材沖擊功隨著加熱溫度升高變化明顯， 加熱溫度為1 000 ℃時(shí)， 沖擊功為41 J， 低于標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

綜合以上試驗(yàn)數(shù)值， a 彎管在3 種加熱溫度下， 力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 且整體性能指標(biāo)優(yōu)于b 彎管。 而b 彎管在加熱溫度為940 ℃、970 ℃時(shí)， 力學(xué)性能雖然能夠達(dá)到要求， 但是強(qiáng)度數(shù)值較低， 母材沖擊溫度敏感性較大， 安全余量較低。

2.2 顯微組織

a、 b 彎管中性區(qū)壁厚中心400 倍顯微組織分別如圖2 和圖3 所示， 不同溫度調(diào)質(zhì)處理后， a、 b彎管管體組織為均勻分布的粒狀貝氏體， 且貝氏體晶粒隨著淬火加熱溫度的升高逐漸長(zhǎng)大。 鐵素體基體間分布的點(diǎn)狀或線狀的黑色基體為M-A 島組織[9-10]， 從圖中可以看出， a 彎管M-A 島組織呈點(diǎn)狀或線狀彌散分布， 參差不齊甚至相互鄰接纏繞； 而b 彎管中M-A 島組織多為點(diǎn)狀， 線狀數(shù)量相對(duì)較少。 在相同工藝條件下， a 彎管組織晶粒相對(duì)粗大且在970 ℃、 1 000 ℃時(shí)局部出現(xiàn)較為明顯的板條馬氏體形態(tài)。

加熱溫度為970 ℃時(shí)， a、 b 彎管彎曲段焊縫金相組織如圖4 所示， a 彎管彎曲段焊縫顯微組織較密集， 主要為針狀鐵素體+粒狀貝氏體；b 彎管彎曲段焊縫顯微組織為粒狀貝氏體+部分多邊形鐵素體， 鐵素體呈長(zhǎng)條狀或者塊狀分布于奧氏體晶界處。

圖2 a 彎管中性區(qū)壁厚中心金相組織

圖3 b 彎管中性區(qū)壁厚中心金相組織

圖4 970 ℃時(shí)a、 b 彎管彎曲段焊縫中心金相組織

3 分析與討論

A、 B 母管中C、 Mn、 Ni 等奧氏體形成元素含量均較高， 在感應(yīng)加熱過(guò)程中這些元素?cái)U(kuò)大了奧氏體穩(wěn)定存在的區(qū)域， 有利于奧氏體形核及長(zhǎng)大[11-12]。 同時(shí)隨著加熱溫度的升高， 合金元素如Cr， Mn 等不斷溶解， 固溶強(qiáng)化作用不斷增強(qiáng)， 因此a、 b 彎管的強(qiáng)度均逐漸升高。在奧氏體晶粒不斷粗化的過(guò)程中， 基體中碳化物含量越來(lái)越多， 材料表面硬度隨著碳含量的升高也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

由于化學(xué)成分的差異， 母管A 的奧氏體化溫度相對(duì)較低， 在加熱過(guò)程中隨著合金元素的溶解以及奧氏體晶粒的長(zhǎng)大， 晶界數(shù)量逐漸減少，材料抵抗交滑移的作用減弱， 位錯(cuò)強(qiáng)化作用也明顯弱化， 提前達(dá)到一種臨界的狀態(tài)， 強(qiáng)度降低且韌性下降。 而母管B 的奧氏體化溫度相對(duì)偏高，合金元素溶解相對(duì)較慢。 a、 b 彎管管體組織中鐵素體基體里M-A 島組織雖是彌散分布， 但是與a 彎管相比， b 彎管管體中的M-A 島組織數(shù)量少且大多為孤立分布， 不但不能提高材料的韌性， 相反會(huì)降低韌性[13-15]。 因此， 隨著加熱溫度的升高， b 彎管管體沖擊韌性逐漸降低且低于a彎管。

母管A 焊縫中的C、 Mn、 Ni 元素均高于B 母管， 而C、 Mn、 Ni 是奧氏體穩(wěn)定化元素，能夠降低γ→α 轉(zhuǎn)變的相變溫度， 抑制在較高溫度下先共析鐵素體的相變， 因此A 焊縫金屬形成過(guò)程中先共析鐵素體組織轉(zhuǎn)變被抑制，而B(niǎo) 焊縫金屬則形成了部分先共析鐵素體， 呈長(zhǎng)條狀或塊狀分布于晶界處。 粒狀貝氏體具有良好的強(qiáng)韌性， 而多邊形鐵素體強(qiáng)度較差。 因此在同一工藝下， a 彎管的焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)高于b彎管。

4 結(jié) 論

（1） 母管化學(xué)成分的不同， 相同工藝得到的彎管力學(xué)性能與顯微組織差異也較明顯， 但是均能夠通過(guò)調(diào)整熱處理工藝來(lái)優(yōu)化彎管性能。

（2） 母管化學(xué)成分決定了熱處理過(guò)程奧氏體化溫度， 對(duì)彎管熱處理工藝調(diào)整的溫度區(qū)間有較大影響， 不同化學(xué)成分的母管在相同的熱處理工藝下， 得到的彎管力學(xué)性能差異較大。

（3） 對(duì)于X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×35.2 mm 的母管而言， 合理的化學(xué)成分組成能夠擴(kuò)大彎管工藝的范圍， 得到的彎管性能相對(duì)穩(wěn)定， 若化學(xué)成分偏差較大， 易出現(xiàn)工藝調(diào)節(jié)窗口范圍小的問(wèn)題， 批量生產(chǎn)存在一定的工藝控制風(fēng)險(xiǎn)。