X80無縫鋼管熱處理工藝研究

張尚毅，沈征杰，龐德禹

(揚州誠德鋼管有限公司，江蘇揚州 225200)

0 引言

管道可以輸送石油、天然氣，還可作為煤和其他固體物質(zhì)的輸送方式。建設(shè)高壓長距離輸送管線是解決長期、大規(guī)模運輸天然氣的主要措施[1-2]。隨著世界能源格局的變化，以及對石油、天然氣開采與應(yīng)用力度的加大，高鋼級管線鋼得以快速發(fā)展[3]。

對于服役環(huán)境惡劣的地區(qū)，焊接鋼管不能滿足實際需要，需要高鋼級管線用無縫鋼管。采用高強度管線鋼，長距離高壓大流量輸送，可以節(jié)約鋼材，大幅度減少管線工程的投入，增加管線的運行效益。在具有中空環(huán)形截面形狀特征的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域，控軋、控冷關(guān)鍵共性技術(shù)獲得廣泛研究[4]。

傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，鋼管在軋制變形后采取空冷的方式冷卻至室溫，在冷卻過程中，由于較低冷速不能抑制晶粒的粗化，因此極易生成個別粗大的組織，導(dǎo)致組織不均勻，惡化性能[5-6]。采用軋后控制冷卻工藝后，較高的冷卻速率抑制了組織的異常粗大，最終使鋼管組織較原空冷工藝顯著細(xì)化，同時組織的均勻性得到明顯改善[7]；通過熱處理改進(jìn)鋼管的組織及性能[8-9]。

因此，對X80無縫鋼管熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用經(jīng)驗公式確定淬火穩(wěn)定，優(yōu)化回火溫度和冷卻方式，分析熱處理工藝對鋼管組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，尋找優(yōu)化的高壓輸送用的X80無縫鋼管的熱處理生產(chǎn)工藝。

1 實驗和檢測

1.1 實驗材料

實驗用X80鋼為轉(zhuǎn)爐冶煉Φ700 mm連鑄坯，化學(xué)成分見表1，坯料經(jīng)環(huán)形加熱爐加熱后，穿孔-軋制成Φ914 mm × 45 mm的無縫鋼管。

表1 X80無縫鋼管化學(xué)成分 %

1.2 實驗方法

根據(jù)Andrews經(jīng)驗公式可算出，X80鋼的AC1為713～740 ℃，AC3為830～870 ℃。根據(jù)AC1與AC3的熱材料理論分析及實驗室經(jīng)驗，擬采用如下熱處理工藝：930 ℃淬火+610 ℃回火+空冷；930 ℃淬火+630 ℃回火+空冷；930 ℃淬火+650 ℃回火+空冷；930 ℃淬火+650 ℃回火+水冷。以上熱處理工藝中，淬火的保溫時間均為50 min，淬火冷卻方式均為水冷；回火保溫時間均為100 min。最后對比熱處理工藝對鋼管性能的影響分析。

1.3 檢測方法

采用掃描電鏡觀察試樣組織，采用拉伸實驗機檢測試樣的拉伸力學(xué)性能，采用沖擊實驗機檢測試樣的低溫力學(xué)性能，沖擊試樣溫度-40 ℃。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 熱處理工藝對組織形貌的影響

分別對經(jīng)過熱處理的鋼管進(jìn)行取樣，制作金相試樣，采用3%的硝酸酒精溶液做侵蝕劑，對其金相組織檢驗觀察。圖1為X80鋼管的組織形貌SEM圖。

(a)930 ℃淬火+610 ℃回火+空冷

由圖1(a) 可知，930 ℃淬火、610 ℃回火和空冷的試樣組織為貝氏體、回火索氏體和少量鐵素體。由圖1(b) 可知，930 ℃淬火、630 ℃回火和空冷的試樣組織為貝氏體、回火馬氏體和回火索氏體。由圖1(c) 可知，930 ℃淬火、650 ℃回火和空冷試樣的組織為回火索氏體和貝氏體?？梢?，隨著回火溫度的升高，組織轉(zhuǎn)變成回火索氏體和貝氏體。由圖1(d) 可知，930 ℃淬火、650 ℃回火和水冷試樣的組織也是回火索氏體和貝氏體；和空冷相比較，水冷方式對組織沒有影響。

熱處理工藝對X80無縫鋼管組織的影響規(guī)律如表2所示。

表2 試樣金相組織

2.2 熱處理工藝對力學(xué)性能的影響

表3是4種熱處理工藝的X80鋼的力學(xué)性能，從實驗結(jié)果來看，隨著回火溫度的升高，屈服強度與抗拉強度逐漸降低、斷后伸長率和沖擊功總體逐漸提高(見表3中的1～3號工藝)；610 ℃回火屈服強度與抗拉強度最高，但斷后伸長率和沖擊功值最低。

與650 ℃回火+空冷相比較，650 ℃回火+水冷的熱處理工藝，使得X80鋼的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率有所提高，但不很明顯，而沖擊功顯著提高(見表3中的4號工藝)。對高壓輸送油管而言，具有最佳的綜合力學(xué)性能。

綜上所述，930 ℃淬火+650 ℃回火+水冷的熱處理具有最佳的應(yīng)用力學(xué)性能，滿足了油管輸送鋼管的技術(shù)要求。

分析認(rèn)為，隨著淬火后回火溫度的升高，實驗鋼的屈服強度逐漸降低，這是由于隨著回火溫度的升高，位錯消失的越多，軟化效果大于彌散強化效果，引起屈服強度降低。強度主要取決于組織中的硬質(zhì)相馬氏體，回火溫度越高，馬氏體分解越徹底，抗拉強度降得越多。

表3 不同熱處理工藝試樣的力學(xué)性能

3 結(jié)論

通過Andrews經(jīng)驗公式確定X80鋼的淬火穩(wěn)定溫度為930 ℃，優(yōu)化其回火溫度及回火冷卻方式，表明隨著回火溫度從610 ℃升高至650 ℃，組織轉(zhuǎn)變成回火索氏體和貝氏體；屈服強度和抗拉強度降低，斷后伸長率和沖擊功總體增高。930 ℃淬火+650 ℃回火+水冷的熱處理工藝獲得最優(yōu)的綜合力學(xué)性能，滿足油管輸送管道的技術(shù)要求。