大變形X80鋼板制管前后性能分析

劉文月 ，任毅 ，張帥 ，王爽 ，高紅 ，渠秀娟

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼股份有限公司產(chǎn)品發(fā)展部，遼寧 鞍山114021）

大變形管線鋼是基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)使用的新型管線產(chǎn)品，能夠很好地抵抗外力引起的彎曲與壓縮變形［1-3］。近年來，我國大變形管線鋼的研究取得了顯著進(jìn)展，已經(jīng)實現(xiàn)了X70與X80的國產(chǎn)化應(yīng)用［2-3］。大變形X80鋼板在陜京四線基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)的應(yīng)用，是大變形X80鋼管首次實現(xiàn)國產(chǎn)化應(yīng)用。

鞍鋼是目前國內(nèi)少數(shù)幾家可以生產(chǎn)大變形X80寬厚板的企業(yè)之一。2017年上半年向陜京四線工程累計供貨2 500余噸，是大變形X80鋼板國產(chǎn)化應(yīng)用的典型實例。與常規(guī)管線鋼相比，大變形X80鋼板具有獨特的軟硬相復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)，使制管前后的性能出現(xiàn)了不同的變化規(guī)律。文中研究對比了鞍鋼大變形X80鋼板制管前后的性能變化，為后續(xù)大變形鋼板的生產(chǎn)提供必要的技術(shù)參考。

1 試驗材料和方法

試驗鋼為250 mm厚連鑄坯軋制成的26.4 mm厚X80熱軋鋼板，其化學(xué)成分要求見表1。鋼板采用兩階段控制軋制，最終組織以鐵素體、貝氏體為主。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鋼板采用JCOE方式制管。所制鋼管及制管用鋼板由中油寶世順管廠，依據(jù)ASTM A370等國際通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗。鋼板拉伸性能檢驗選用橫向與縱向兩類樣品，檢驗溫度為室溫；V型缺口夏比沖擊試驗（CVN）與落錘撕裂試驗（DWTT）選用橫向樣品，檢驗溫度分別為-20℃、-15℃。鋼板矩形橫向拉伸樣取樣位置為鋼板寬度1/2處，矩形縱向拉伸樣、CVN與DWTT取樣位置為鋼板寬度1/4處。管體橫向拉伸樣為未矯直的圓棒樣，縱向拉伸樣、CVN樣為未矯直的矩形樣，DWTT樣先矯直再加工。管體的拉伸、CVN、DWTT樣品取樣位置、方向與鋼板取樣位置、方向一一對應(yīng)，檢驗溫度分別為室溫、-5℃、0℃。

拉伸檢驗中的Rt0.5、Rt1.0、Rt1.5與Rt2.0分別對應(yīng)著總應(yīng)變?yōu)?0.5%、1.0%、1.5%與2.0%時的應(yīng)力值，屈強(qiáng)比Y/T定義為Rt0.5/Rm，Rm為抗拉強(qiáng)度。為了方便描述，圖中的“鋼板”代表制管所用鋼板原料；“母材”代表焊接接頭附近沒有因為焊接熱循環(huán)的影響而改變組織形貌的區(qū)域；“HAZ”代表直焊縫附近的焊接熱影響區(qū)；“焊縫”代表焊接接頭上的直焊縫；“鋼管”指擴(kuò)徑后的未涂層的母管；“時效管”是指取自母管并在(200±5）℃經(jīng)5 min時效處理的樣品，用于模擬涂層后的鋼管性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

鞍鋼供貨的陜京四線用大變形X80鋼板組織由多邊形鐵素體（F）、貝氏體（B）以及少量的馬奧島（MA）構(gòu)成。 母材組織如圖1（a）所示，F(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為40%～60%，軟相F與硬相B的合理搭配，使得鋼板呈現(xiàn)屈強(qiáng)比Y/T低、均勻延伸率UEL以及應(yīng)力比Rt1.5/Rt0.5與Rt2.0/Rt1.0高等性能優(yōu)勢。F-B型復(fù)合組織經(jīng)焊接熱循環(huán)后，HAZ組織如圖1（b）所示，為奧氏體晶界明顯的單一貝氏體組織，與單相鋼板形成的HAZ組織形貌相同［4］。焊縫的組織如圖1（c）所示，由B、F等構(gòu)成，呈現(xiàn)網(wǎng)籃狀形貌。因為化學(xué)成分、形成條件的不同，母材、HAZ與焊縫三者之間的組織有顯著差異。

圖1 X80鋼板的顯微組織

2.2 拉伸性能分析

鋼管與鋼板相比，橫向拉伸性能變化趨勢如圖2所示。制管后，鋼管抗拉強(qiáng)度Rm略有升高，屈服強(qiáng)度Rt0.5與屈強(qiáng)比Y/T顯著升高。通過統(tǒng)計分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)成型與擴(kuò)徑的變形作用，Rt0.5至少升高62 MPa，最高升幅可達(dá)213 MPa；Y/T至少升高0.08，平均升高0.155；而Rm則是有升有降，最多降低35 MPa，最多升高72 MPa，平均升高24.9 MPa。制管后，與不含鐵素體的非雙相復(fù)合型組織的鋼板相比，橫向拉伸性能指標(biāo)的變化方向一致，但改變幅度更明顯。劉文月等［5］的研究結(jié)果表明，針狀鐵素體型X80鋼板制管后Rt0.5僅升高了 5～38 MPa；而韓秀林等［6］的研究結(jié)果為Rt0.5升高了 5～111 MPa。

圖2 制管前后橫向拉伸性能變化

制管后，按照鋼板、鋼管與時效管的次序，縱向拉伸性能變化趨勢如圖 3所示。Rt0.5、Rm與Y/T依次升高；應(yīng)力比Rt1.5/Rt0.5先升后降；應(yīng)力比Rt2.0/Rt1.0與均勻延伸率UEL依次降低。X70大變形鋼板制管后，性能變化表現(xiàn)出了類似的規(guī)律［3，8］。

若僅考慮變形的作用，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，Rt0.5升高，UEL降低， 而Rm、Y/T、Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0均有升有降，僅從各參數(shù)的平均值來看，Rm、Y/T、Rt1.5/Rt0.5升高，Rt2.0/Rt1.0降低。

圖3 制管前后縱向拉伸性能變化

表2 制管前后縱向拉伸性能變化

若僅考慮鋼管涂層后引發(fā)的時效作用，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示，各縱向拉伸性能指標(biāo)均表現(xiàn)出有升有降的變化規(guī)律，僅從各參數(shù)的平均值來看，Rt0.5、Rm與Y/T升高，Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0與UEL降低。

表3 管體時效前后縱向拉伸性能變化

若僅單方面考慮變形與時效的作用，兩者均表現(xiàn)出了提高強(qiáng)度、降低變形能力的作用，其中時效所產(chǎn)生的影響程度較小。

綜合考慮變形與時效的影響，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示，Rt0.5升高，UEL降低，Rm、Y/T、Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0均有升有降，僅從各參數(shù)的平均值來看，Rt2.0/Rt1.0降低，Rm、Y/T、Rt1.5/Rt0.5均有不同程度的升高。

表4 時效管與鋼板間的縱向拉伸性能變化

制管后，鋼板性能發(fā)生了明顯變化。強(qiáng)度指標(biāo)表現(xiàn)出了鋼板強(qiáng)度數(shù)值越低，制管后強(qiáng)度增幅越大的變化趨勢，這與陳小偉等人［7］的研究結(jié)論相一致。而變形能力指標(biāo)表現(xiàn)出了鋼板的變形能力越好（Y/T小，Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0與UEL大），則制管后各參數(shù)改變的幅度越明顯的變化趨勢，其中Y/T升高，Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0與UEL降低。由此可見，鋼板強(qiáng)度低、變形能力好，則對應(yīng)的組織構(gòu)成中鐵素體含量高、鐵素體與貝氏體之間的硬度差別大，而鋼板中的鐵素體含量越高、軟硬相強(qiáng)度差別越明顯，制管后鋼管的強(qiáng)度增幅越大、變形參數(shù)降幅越大。此處特別說明，以上分析沒有考慮鋼板同板性能差、鋼管同管性能差的影響，即忽略了取樣位置改變對檢驗性能的影響。

2.3 顯微硬度、CVN與DWTT分析

與鋼板相比，鋼管不同位置的顯微硬度變化規(guī)律如圖4所示：HAZ的硬度最低，焊縫的硬度最高；母材與鋼板相比，硬度略有升高，平均升高3.3 HV10，變化范圍為-5～18 HV10。HAZ硬度降低，與組織改變和MA尺寸增加有關(guān)。

圖4 管體不同位置顯微硬度

鋼板的CVN與DWTT檢驗溫度低于鋼管的檢驗溫度。一般來說，CVN低 15℃或 20℃，DWTT低15℃［7］。管體不同位置夏比沖擊吸收能KV8如圖5所示，鋼板的CVN檢驗溫度為-20℃，KV8平均值約為250 J，最小值不低于200 J；鋼管的CVN檢驗溫度為-5℃，KV8大小排列次序為母材＞HAZ＞焊縫。-15℃時，鋼板DWTT剪切面積百分?jǐn)?shù)個值不低于70%，均值不低于85%。制管后，0℃時，管體母材的DWTT剪切面積百分?jǐn)?shù)個值、均值都不低于87%，表明具有良好的低溫韌性。

圖5 管體不同位置夏比沖擊吸收能

3 結(jié)論

鞍鋼供陜京四線用26.4 mm厚大變形X80鋼板的組織以鐵素體、貝氏體為主，制管后性能表現(xiàn)出如下規(guī)律：

（1）制管后，變形作用使橫向屈服強(qiáng)度與縱向屈服強(qiáng)度升高、均勻延伸率降低，橫向屈強(qiáng)比升高；橫向抗拉強(qiáng)度、縱向抗拉強(qiáng)度、縱向屈強(qiáng)比與應(yīng)力比有升有降。

（2）制管后，時效作用使各縱向拉伸性能指標(biāo)有升有降。

（3）焊接接頭處，焊縫的硬度最高、沖擊吸收能最低；HAZ硬度最低，母材沖擊吸收能最高。

［1］劉文月,任毅,高紅,等.大變形管線鋼研究進(jìn)展［J］.鞍鋼技術(shù),2016 （5）:8-12.

［2］劉文月,任毅,高紅,等.阿拉斯加管道工程用抗大變形X80雙相管線鋼開發(fā)［J］.上海金屬,2013,35（6）:11-13.

［3］陳小偉,付彥宏,王旭,等.X70抗大變形直縫埋弧焊管的開發(fā)［J］.焊管,2012,35（3）:71-75.

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［5］劉文月,任毅,張帥,等.X80M鋼級煤制天然氣輸送用鋼制管前后的組織與性能［J］.鋼管,2017,46（1）:9-14.

［6］韓秀林,李國鵬,張麗娜,等.X80直縫埋弧焊管制管前后拉伸性能的變化［J］.焊管,2012,35（3）:19-23.

［7］陳小偉,張遠(yuǎn)生,王旭,等.X80鋼制管前后強(qiáng)韌性變化規(guī)律研究［J］.焊管,2013,36（2）:23-28.

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