X90高強度螺旋埋弧焊管組織性能研究*

劉剛偉， 畢宗岳， 牛 輝， 劉 斌，劉海璋，趙紅波，楊耀彬，馬 璇

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

X90高強度螺旋埋弧焊管組織性能研究*

劉剛偉1,2， 畢宗岳1,2， 牛 輝1,2， 劉 斌1,2，劉海璋1,2，趙紅波1,2，楊耀彬1,2，馬 璇1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

對工業生產的X90管線鋼及X90鋼級φ1 219 mm×16.3 mm鋼管成型、水壓后的組織和力學性能進行了研究。結果表明，工業生產的X90管線鋼微觀組織主要以粒狀貝氏體（GB）/貝氏體鐵素體（BF）為主，并且心部組織中粒狀貝氏體含量較高，而1/4處多以貝氏體鐵素體為主；力學性能方面，卷板屈服強度Rp0.2為623～651 MPa，鋼管成型后Rp0.2為542～568 MPa，鋼管水壓后Rp0.2為635～657 MPa；另外，試驗材料在厚度方向的硬度呈V形變化趨勢。該試驗結果為工業化生產X90鋼管積累了一定的試驗數據。

螺旋埋弧焊管；X90；力學性能；屈服強度；顯微組織；硬度

高壓大流量長距離油氣輸送已經成為國際石油天然氣管線的發展方向。然而管道輸送能力直接受到強度水平的影響，為了更經濟的將油氣輸送到目的地，長輸管道所采用的鋼管強度級別不斷提高[1-4]。根據測算，管道建設相關數據的同樣輸量情況下，管材強度每提高一個等級，可節約鋼材使用量7%～8%，節約管道建設成本3%～5%。與X80鋼級相比，西氣東輸四線/五線如果采用X90管線鋼管可減少用鋼量23萬t/44萬t，節省管材采購成本14.1/26.6億元。X90及更高鋼級的管線鋼是高強度、高韌性輸送管材的發展方向[5-9]。

開發X90及以上鋼級已經提到我國石油天然氣管線建設的議事日程，目前我國對于X90管線鋼的研究相對較少，筆者以工業試生產的X90螺旋埋弧焊管為研究對象，重點對X90鋼管在生產過程中材料力學性能的變化進行了研究，為日后大規模工業化生產提供更多的技術支撐。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用國內某鋼廠生產的X90鋼級熱軋卷板，規格為1 550 mm×16.3 mm，生產的螺旋埋弧焊管規格為φ1 219 mm×16.3 mm，其化學成分見表1。

表1 X90試驗鋼的化學成分 %

為了使卷板和試驗鋼管取樣位置相對應，卷板所有取樣均按軋制30°方向（成型角）取樣。金相試樣和沖擊試樣在板寬1/4處切取，拉伸試樣在板寬1/2處切取，試樣編號為1#。

管線鋼管在服役過程中承受內壓力，其主要服役強度是鋼管在橫向（環向）的拉伸強度，因此2#和3#試樣沿試驗鋼管橫向切取，拉伸試樣在距焊縫180°位置切取。其次，為了避免包辛格效應對材料強度的影響，本試驗采用未被展平的圓棒試樣進行拉伸試驗；金相和沖擊試樣在距焊縫90°位置切取。

金相試樣用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在日立S－3700冷場掃描電子顯微鏡下觀察組織；在CMT5505微機控制電子萬能試驗機上進行室溫板拉伸；沖擊試驗采用V形缺口在JB800型沖擊試驗機上進行；硬度試驗在司特爾Durascan－70全自動維氏硬度機上進行，載荷為10 kg。

2 試驗結果分析

2.1 顯微組織分析

圖1 X90管線鋼的顯微組織形貌

X90管線鋼的組織形貌如圖1所示。從圖1可以看出，試驗用鋼的顯微組織主要以粒狀貝氏體和板條形的貝氏體鐵素體為主。X90管線鋼的心部組織粒狀貝氏體含量比1/4處較高，且粒狀貝氏體中的M/A呈島狀分布，較為彌散的分布于鐵素體基體上，這是由于心部冷卻速率較慢所致，板條貝氏體（貝氏體鐵素體）組織的形成溫度低于粒狀貝氏體組織，且組織粗大。X90管線鋼厚度的1/4處組織以板條貝氏體鐵素體為主，粒狀貝氏體組織含量相對較少，且較為均勻細小；板條貝氏體中的M/A是短棒狀且沿板條束分布，對于高鋼級管線鋼采用的低碳設計原理獲得的板條貝氏體組織，其板條束比較清晰可見，板條之間和板條內均無滲碳體型碳化物，而是存在一些細小的M/A組元，島狀組織沿板條方向排列，板條內存在大量的位錯[10-12]。粒狀貝氏體基體含有高密度位錯的等軸鐵素體，但位錯密度低于貝氏體鐵素體的位錯密度，從而粒狀貝氏體的強度較貝氏體鐵素體的強度低。

2.2 力學性能

表2為工業試制的X90鋼級 φ1 219 mm×16.3 mm焊管及熱軋卷板在不同狀態的力學性能。其中，1#為熱軋卷板的力學性能，2#為冷成型后鋼管的力學性能，3#為水壓試驗后鋼管的力學性能。水壓試驗采用實際生產情況定制的SYMS 95%水壓，可使管體均勻變形量達到0.2%。根據API 5L以及X90螺旋埋弧焊管技術條件，原材料采用φ12.7 mm圓棒試樣，鋼管采用φ8.9 mm圓棒試樣。

表2 X90管線鋼及其鋼管的力學性能

從表2可看出，1#試樣的Rp0.2為626～651MPa，2#試樣的 Rp0.2為 542～568 MPa， 3#試樣的 Rp0.2為635～657 MPa，3種狀態下的抗拉強度Rm均在740～758 MPa。X90管線鋼從卷板到成型再到水壓后3種不同的冷變形狀態下，試驗鋼管屈服強度出現“V”字形變化規律，這是由于原料采用φ12.7 mm圓棒試樣，包含了整個厚度方向的3/4以上，而2#和3#試樣采用φ8.9 mm圓棒試樣，去掉了上下表面的硬化層，使2#和3#試樣測試結果更偏向于材料心部的力學性能。另外，試驗用鋼在3種狀態下對抗拉強度影響不大，均在740 MPa以上。1#，2#和3#試樣的沖擊韌性總體變化不是很明顯，水壓后3#試樣的沖擊韌性略有降低，這可能是由于加工硬化現象所致。由于DWTT性能主要由有效晶粒尺寸所決定，在鋼管制造過程中不發生晶粒尺寸的變化，因此1#，2#和3#DWTT試驗結果沒有發生變化，剪切面積均達到了100%。

圖2為X90管線鋼在不同狀態沿厚度方向的維氏硬度分布情況。首先從1#試樣可以清楚的看到，從邊部到心部的硬度分布基本呈“V”字形變化，最高處在距邊部2 mm處為256 HV10，在距邊部9 mm左右即中心位置為225 HV10，硬度值相差31。經過成型水壓后的3#試樣壁厚方向的維氏硬度分布趨于一致，最高硬度值與最低硬度值相差5。

圖2 X90管線鋼形變強化前后厚度方向硬度分布

3 討 論

本試驗研究的X90螺旋埋弧焊管厚度方向1/4處位置在軋制以及冷卻過程中能較好的控制參數，所以獲得的組織以板條貝氏體（貝氏體鐵素體）為主，心部由于冷卻過程中冷速較慢，所以組織多以粒狀貝氏體為主；貝氏體鐵素體組織中的硬相M/A以短桿狀分布，且內部存在較高密度的位錯，導致1/4位置具有較高的強度，而心部的粒狀貝氏體組織位錯密度較貝氏體鐵素體低，M/A以小島狀分布在等軸鐵素體基體上，所以心部的屈服強度較低。另外，對于厚度較大的卷板，其厚度方向的變形程度、冷速分布和溫度分布不均勻，心部組織較1/4處粗大，這也是導致心部強度降低的主要原因之一。因此，高強度X90管線鋼所獲得的低碳貝氏體組織不是單一的貝氏體組織，是以粒狀貝氏體和板條貝氏體（貝氏體鐵素體）混合的組織，這樣可使板條貝氏體的板條束尺寸不至于過分長大，包含硬脆相M/A組元的粒狀貝氏體中含量也不會過高，因此可表現出較好的強韌性，這樣可在獲得高強度的同時具有較高韌性。

熱軋卷板在生產過程中上下表面要進行噴水冷卻工藝，表面的冷卻速度大于心部，冷卻速度越大，形核激活能越大，形核率也增大，所以相變后的組織越細小，導致表面的顯微組織比心部的組織強度高，使2#試樣屈服強度Rp0.2有所降低。但是3#試樣是在2#試樣冷成型后的鋼管上進行了水壓打壓試驗，通過測量管體周長的變化情況，發現管體產生了0.2%的變形量，使得3#試樣屈服強度有了很大的提升。這是由于高鋼級管線鋼具有較高的形變強化指數，形變強化能力越強，材料的強度隨變形能力的提高而上升，使得3#試樣屈服強度有了很大的提升[13-14]。可以看出，X90管線鋼形變強化效果較為明顯，形變量為0.2%時屈服強度增幅較大，但屈強比與鋼鐵材料的塑性并非呈線性關系，鋼的塑性變形包括均勻延伸和頸縮后的局部集中延伸兩部分，當對金屬進行冷加工時，晶體內部會增加較大的畸變能，相應的就會有一定的殘余應力，促進鐵素體晶界及其內部可動位錯滑移，最后導致位錯在晶界處或第二相處形成塞積，即可動位錯密度減小，制管變形后，可動位錯減少量大，塑性降低，斷后延伸率會有少量損失。

另外，板條貝氏體中較細的板條和高密度位錯的纏結等決定了其硬度要明顯高于粒狀貝氏體。上下表面冷卻速度較快，冷卻溫度較低，而溫度越低M/A組元越多，并且M/A中硬相馬氏體的含量會增加，這導致從邊部到心部材料的硬度呈減小變化趨勢。經過成型水壓試驗后，高鋼級X90管線鋼發生了較為顯著的形變強化效果，特別是心部的強度得到了進一步提升，這是因為在變形前，心部組織的屈強比較低，邊部屈強比較高，屈強比越低，其后的形變強化效果越顯著，反之，形變強化效果不明顯。我們知道，硬度是材料力學性能的綜合體現，并且與材料的強度具有明顯的正比例關系，從表2可以看出材料心部的硬度值得以提高。從而可知，經過適當的水壓試驗后組織強度可均勻提升。

4 結 論

（1）16.3 mm厚X90管線鋼厚度方向上存在不同的組織形貌，心部組織多以粒狀貝氏體為主，并且顯微組織較為粗大；而1/4處多以板條貝氏體組織為主，組織細小，這是造成成型后材料厚度方向屈服強度和硬度降低的主要原因。

（2）X90管線鋼管通過水壓試驗，變形量0.2%時，管體形變強化效果較為顯著，增幅在70～100 MPa，并且使鋼管橫向各部分硬度等性能得到了均勻分布，有效改善了厚度方向力學性能不均勻的現象。

［1］黃志潛.黃志潛文集（第一卷）[M].西安：陜西科學技術出版社，2006：71－75.

［2］衣海龍，薛鵬，崔榮新，等.X80管線鋼連續冷卻過程中的相變研究[J].軋鋼， 2008， 25（2）： 10－12.

［3］A SAHI H， HARA T， TSURU E， et al.Development of ultrahigh-strengthlinepipe X120[J].Nippon Steel Technical Report， 2004（90）： 70－75.

［4］鐘勇，王忠軍，單以銀.熱變形對超純凈管線鋼組織的影響[J].材料研究學報， 2003， 17（3）： 304－309.

［5］王曉香.超高強度管線鋼研發新進展[J].焊管，2010，33（2）： 5－12.

［6］張曉勇，高慧臨，吉玲康，等.X100管線鋼連續冷卻轉變的顯微組織[J].材料熱處理學報，2010，31（1）：62－63.

［7］ZHENG LEI， GAO SHAN.The devolopment of high performance pipeline steel in China[C]∥Proceeding of the International Pipeline Steel Forum.Beijing：[s.n.]， 2008：95－111.

［8］WEI W， SHAN Y， YANG K.TMCP process of ultrahighstrength pipeline steel[C]∥Proceeding of the International Pipeline Steel Forum， Beijing：[s.n.]， 2008： 180－186.

［9］孔祥磊，黃國建，黃明浩，等.X80管線鋼連續冷卻相變研究[J].金屬熱處理， 2010， 35（2）： 66－70.

［10］方鴻生，楊志剛，楊金波，等.鋼中貝氏體相變機制的研究[J].金屬學報， 2005， 41（5）： 451－453.

［11］尚成嘉，楊善武，王學敏，等.低碳貝氏體鋼的組織類型及其對性能的影響[J].鋼鐵，2005，40（4）：59－60.

［12］張鵬程.成分、工藝對X80管線鋼組織性能的影響[D].北京：北京科技大學，2007.

［13］高慧臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2010.

［14］翁宇慶.超細晶鋼－鋼的組織細化理論與控制技術[M].北京：冶金工業出版社，2003：36－37.

Study on Microstructure and Properties of High Strength X90 Grade SAWH Pipe

LIU Gangwei1,2,BI Zongyue1,2,NIU Hui1,2,LIU Bin1,2,LIU Haizhang1,2,ZHAO Hongbo1,2,YANG Yaobin1,2,MA Xuan1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

The mechanical properties and microstructure of industrially trial-produced X90 pipeline steel and two states（postforming,after-hydrostatic） of φ1 219 mm×16.3 mm specification steel pipe,were investigated.The results showed that the microstructure of X90 pipeline steels consist of granular bainite（GB） and bainitic ferrite（BF），in addition the central part contains more GB,a quarter of position contains more BF.In the aspect of mechanical properties,the plate yield strength Rp0.2was in range of 623～651 MPa,the yield strength Rp0.2was in range of 542～568 MPa postforming,and was 635～657 MPa after hydrostatic testing.In addition,the hardness of experimental material in the thickness direction showed a trend of"V"type change.The results accumulated a certain amount of test data for X90 steel pipe industrialized production.

SAWH pipe;X90;mechanical properties;yield strength;microscopic structure;hardness

TG113

A

1001-3938（2015）10-0009-05

中國石油天然氣股份有限公司科技項目“X90/X100焊管開發及綜合評價技術研究”（項目號2012E-2801-04）。

劉剛偉（1986―），男，工程師，碩士，主要從事油氣輸送管材研發工作。

2015－02－05

李紅麗