再加熱工藝對X100管線鋼組織和性能的影響

張小立

（中原工學院材料與化工學院，鄭州450007）

0 引 言

在大口徑長距離天然氣輸氣管道建設中常常需要使用大量的感應加熱彎管，用以改變管線的敷設方向，其中彎管的質量將直接影響到管道的運行安全。目前，感應加熱彎管制備技術中主要有三種熱處理［1］：完全淬火、局部淬火和回火以及完全淬火和回火。其中，最常采用的就是局部淬火和回火。也就是說淬火只應用于彎管部位，整個管子包括直管段都進行回火，稱之為Q－T型彎制工藝。

由于在感應加熱彎管制備中，母管經過了再加熱，這時管線鋼組織和性能會發生變化。如果再加熱時的加熱工藝控制不當，其強度將會損失50%以上，嚴重時還會出現開裂［2］。

在我國“西氣東輸”二線工程中已全部使用了X80管線鋼，而X100管線鋼還處于試制階段，關于其再加熱后組織和性能變化規律的研究報道較少。針對這一現狀，作者采用Q－T型彎制工藝的加熱工藝對國外某品牌X100管線鋼進行熱處理，并對其組織和硬度等的變化規律等進行了研究，期望為制定X100管線鋼彎管的制備工藝提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料采用國外某品牌X100管線鋼，其供貨狀態為熱軋管，化學成分見表1，碳當量wCeq＝0.492 5，焊接裂紋敏感性指數Pcm＝0.220 5，其中wCeq＝wC＋wMn／6＋w（Mo＋Cr＋V）／5＋w（Ni＋Cu）／15，Pcm＝w（C）＋wSi／30＋w（Mn＋Cu＋Cr）／20＋wMo／15＋wNi／60＋wV／10＋5wB。在上述管線鋼上截取尺寸為300mm×280mm的試樣用于后續試驗。

取一部分試樣分別在850，950，1 050，1 150℃進行淬火處理，淬火介質為水，加熱時間為1h，然后分別在250，350，450，550℃（空冷）回火，加熱時間為30min，用以研究淬火和回火對彎管組織和性能的影響。

另取一部分試樣直接在250，350，550℃回火，加熱時間為30min，用以研究回火對直管組織和性能的影響。

表1 X100管線鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of X100pipeline steels（mass）%

1.2 試驗方法

沿垂直于軋制方法在管體橫向截取金相試樣，經機械拋光、3%（體積分數）硝酸酒精腐蝕后，采用MEF4M型光學顯微鏡觀察顯微組織；采用HV－50型維氏硬度計測硬度，加載載荷為98N，加載時間為30s；按照GB 2975—1982加工規格為10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口沖擊試樣，在20，0，－20，－40，－60，－80，－100℃下參考 GB／T 229—1994在JB2300B型機械式半自動沖擊試驗機上進行沖擊試驗；采用QTS136XL型掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 母管的組織與性能

由圖1可見，供貨態X100管線鋼（母管）的組織為粒狀貝氏體（含M／A島），其中彌散、均勻分布著細小的Fe3C。母材的硬度為265HV（強度與硬度成正比，以硬度替代強度）。

圖1 供貨態X100管線鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of X100 pipeline steels in delivery state

圖2 供貨態X100管線鋼的夏比沖擊功與纖維斷面率Fig.2 Sharpy impact energy and shearing rate of X100pipeline steels in delivery state

由圖2的沖擊功和纖維斷面率曲線可得出，供貨態X100管線鋼的韌脆轉變溫度為－60℃。

2.2 淬火回火對彎管組織和性能的影響

從圖3可以看出，X100管線鋼在不同溫度淬火并在250℃回火后，隨淬火溫度的升高，所得到的顯微組織依次為PF（多邊形鐵素體）＋M（馬氏體）、M（馬氏體）和B（貝氏體）。

由圖4可見，隨著淬火溫度的升高，不同溫度回火后X100管線鋼的硬度均先升后降，其中850℃和1 050℃淬火并250℃回火后的硬度和供貨態的相匹配。

從圖5可以看出，X100管線鋼在不同溫度淬火并經550℃回火后，隨淬火溫度的升高，所得到的顯微組織分別為PF＋P、B＋PF＋P、B。由圖4可以看出，經在950℃淬火和550℃回火后，X100管線鋼的硬度和供貨態的也匹配。

多邊形鐵素體是一個韌性相［3］，珠光體是一種具有良好強度和韌性的物相。而貝氏體，特別是粒狀貝氏體，是馬氏體和殘余奧氏體的混合物，具有高的強度以及良好的韌性。

圖3 不同溫度淬火和250℃回火后X100管線鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of X100pipeline steels after quenching at different temperatures and tempering at 250℃

圖4 X100管線鋼在不同溫度淬火、回火后的硬度Fig.4 Hardness of X100pipeline steels after quenching and tempering at different temperatures

在彎管制備的再加熱后，如果淬火處理使馬氏體含量增多，那么材料的強度會大大提高，肯定可以滿足管件標準中強度指標的規定，但是馬氏體的增多使材料的韌性下降。因此，淬火后采用250℃回火能使彎管得到馬氏體組織，但馬氏體組織并不是熱處理要得到的最終組織。因為馬氏體組織和鐵素體組織相比，其作用主要是提高強度；雖然回火處理能使材料的彈性和強韌性增加，但是為了最終緩解屈服強度和韌性指標之間的矛盾［4］就需要控制馬氏體的形成。而550℃回火后獲得的貝氏體組織具有良好的強度和韌性匹配，與鐵素體相比強度和硬度較高。

圖5 不同溫度淬火和550℃回火后X100管線鋼的顯微組織Fig.5 Microstructure of X100pipeline steel after quenching at different temperatures and tempering at 550℃

正因為多邊鐵素體、貝氏體及其珠光體是強韌性相，能夠完全滿足X100級彎管對強度與韌性指標的需求，所以B＋PF＋P組織為X100管線鋼彎管的理想組織［5］。從圖3和圖5可知，X100管線鋼在950℃淬火再在550℃回火可以得到理想的組織。

雖然，在彎管段采用850℃或1 050℃淬火并經250℃回火，能使熱彎管達到與母管良好的強韌性匹配，但這時組織為PF＋M或B，彎管段在服役過程中容易開裂，另外這樣一種再加熱工藝會導致工藝復雜，操作困難，成本提高等。

2.3 回火工藝對直管組織與性能的影響

由圖6可知，X100管線鋼直接在250℃回火后，其顯微組織主要為回火馬氏體，且很不均勻，還存在帶狀結構；隨著回火溫度的升高（350，550℃），顯微組織主要為回火索氏體，組織的均勻性逐漸改善，帶狀組織消失，顯微組織也變得更加均勻。當回火溫度升高到550℃后，其組織均勻性最好。

圖6 X100管線鋼在不同溫度直接回火后的顯微組織Fig.6 Microstructure of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

文獻［6］的研究表明，對于高鋼級管線鋼，其組織均勻性愈高，材料的強韌性匹配愈好。因此可知，當X100管線鋼直接在550℃回火后可獲得較高的強韌性匹配。由圖7可以看出，當回火溫度為550℃時，X100管線鋼的硬度適中，并且可與母管相匹配。

2.4 沖擊性能與斷口形貌

由圖8，9可知，X100管線鋼經950℃淬火和550℃回火后，在－20℃下的沖擊斷口中纖維區韌窩被拉長，呈拋物線形，韌窩稍淺，這表明即使在－20℃時，該管線鋼的塑性也較好；剪切區韌窩較深，放射區斷口亦被拉長，其韌窩比纖維區的更深；其斷口形貌與母管的非常接近，這說明兩者的沖擊韌性也較接近。由此表明，在該再加熱工藝下，X100管線鋼彎管與母管可以實現良好的強韌性匹配。

圖7 X100管線鋼在不同溫度直接回火后的硬度Fig.7 Hardness of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

3 結 論

（1）X100管線鋼經950℃淬火和550℃回火的再加熱工藝處理后，其顯微組織為B＋PF＋P，且其硬度適中，沖擊斷口的纖維區、放射區、剪切區均具有良好的韌窩形貌，可與母管實現良好的強韌性匹配。

（2）X100管線鋼直接經550℃回火后，組織為回火索氏體，組織的均勻性最好，硬度適中，可與母材相匹配。

［1］KNODO J，TAKAGISHI M.Development of induction bend pipe［C］／／Proceedings of OMAE′02.Oslo，Norway：ASME，2002.

［2］馬永山.控軋鋼UOE管熱煨彎管彎制工藝研究［D］.天津：天津大學，2004.

［3］王英杰.金屬材料及熱處理［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［4］劉迎來，池強，王鵬.加熱溫度對X80彎管鋼組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2010，35（10）：25－30.

［5］張小立，張勇，李剛.X80級彎管熱處理工藝和組織性能相關性研究［J］.中原工學院學報，2011，22（2）：8－13.

［6］張小立，馮耀榮，趙文軫，等.X80級管線鋼的組織和力學性能［J］.特殊鋼，2006，27（3）：11－13.