厚壁X80管線鋼管不同壁厚處的低溫拉伸性能研究*

于晨陽，張 鈞，張偉衛(wèi)，池 強(qiáng)，袁 和

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；3.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實驗室，西安710077）

管道輸送是原油和天然氣長距離運(yùn)輸最經(jīng)濟(jì)、 最安全的方式之一。 為了提高運(yùn)輸效率，降低能耗和建設(shè)成本，管線鋼的發(fā)展旨在實現(xiàn)高強(qiáng)度和優(yōu)越的焊接性。 近年來隨著全球油氣資源需求的日益增長，我國石油天然氣管道研究和建設(shè)進(jìn)入了一個新的高峰期，大直徑、 厚壁、 高鋼級鋼管成為管線建設(shè)的主要選擇之一[1-2]。 X80 鋼不僅滿足材料的經(jīng)濟(jì)性，同時具有高強(qiáng)度、 韌性好以及優(yōu)越的耐蝕性。 全球石油天然氣資源的開采與管線建設(shè)逐漸趨向于油氣資源蘊(yùn)藏豐富的高寒區(qū)域，管線的輸送壓力也逐漸提高，對管線鋼的低溫力學(xué)性能要求更加嚴(yán)格。

隨著管道工程的要求以及管線鋼冶煉技術(shù)的提升，管線鋼中的C 元素含量逐漸降低，并加入了Nb 和Ti 等微合金元素，以提高管線鋼的強(qiáng)度和韌性，并延長管道安全運(yùn)行的周期[3-5]。 拉伸性能是管線鋼重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，也是管道設(shè)計和安全評定的基本指標(biāo)[6]。 為了確保管線鋼管實際力學(xué)性能與設(shè)計性能保持一致，有必要對管線鋼管的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。 本研究以Φ1 422 mm×32.1 mm 規(guī)格 X80 管線鋼管為例，模擬評價X80 管線鋼管在低溫環(huán)境中的適用性，重點(diǎn)研究X80 鋼管不同厚度處顯微組織與拉伸性能的關(guān)系，探究X80 管線鋼管在低溫環(huán)境中微觀組織和力學(xué)性能變化的原因，以期為低溫環(huán)境中大壁厚高強(qiáng)度管線鋼的選材提供數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料選取國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的Φ1 422 mm×32.1 mm 規(guī)格X80 管線鋼管，在鋼管母材處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，管線鋼管母材的主要化學(xué)成分見表1。

表1 X80 管線鋼管母材的主要化學(xué)成分 %

由表 1 可見，w（C）＜0.05%，w（Mn）在 1.5%～2.0%之間。 減少C 含量有益于改善鋼的焊接性能，提高鋼的延韌性，但同時也降低了鋼的強(qiáng)度。 通常是以Mn 代替C，通過固溶強(qiáng)化來彌補(bǔ)因C 含量降低導(dǎo)致的材料強(qiáng)度損失，并且能夠降低奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，有助于晶粒細(xì)化，從而提高材料的韌性、 降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 鋼中w（Nb）為0.075%，對于鋼的晶粒細(xì)化也有十分明顯的作用[7-8]。

1.2 試驗方法

拉伸性能測試參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13239—2006《金屬材料低溫拉伸試驗方法》，利用火焰切割機(jī)在距離管體焊縫90°位置處，沿軸線方向分別在鋼管壁厚的外層、 中心層和內(nèi)層取橫向試樣進(jìn)行試驗，具體取樣位置如圖1 所示。 采用線切割分層取樣，并用數(shù)控機(jī)床加工成圓棒拉伸試樣，試樣的夾持段加工成螺紋頭。 取樣時應(yīng)防止過熱和加工硬化，避免影響拉伸性能。

圓棒拉伸試樣的尺寸及形狀如圖2 所示。 試樣直徑為6.25 mm，試樣過渡半徑R 為10 mm，測試段長度L0為65 mm。 拉伸試驗在帶有超低溫試驗箱和螺紋拉伸夾具的MTS810-15 電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，為了更經(jīng)濟(jì)地使用冷源，并盡量縮短冷卻時間，采用噴淋液氮的方式對試驗箱內(nèi)的試樣進(jìn)行冷卻和控溫。 本試驗冷卻時間控制在30 min，試驗溫度分別設(shè)置為： 20 ℃、0 ℃、 -20 ℃、 -40 ℃和-60 ℃，拉伸應(yīng)變速率為2 mm/min。

圖1 管體取樣位置示意圖

圖2 圓棒拉伸試樣的尺寸及形狀示意圖

在鋼管壁厚的外層、 中心層和內(nèi)層分別截取金 相 試 樣 ，經(jīng) 180#、 400#、 600#、 800#、 1000#、1500#砂紙逐級打磨和機(jī)械拋光后，用3%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后用75%的酒精溶液沖洗金相試樣表面，用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干后，在MEF4M金相顯微鏡上觀察腐蝕后試樣的金相組織。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能

試驗材料為一種典型的低碳Nb-Ti 微合金X80 管線鋼管。 不同溫度環(huán)境下X80 管線鋼管拉伸性能的變化規(guī)律如圖3 所示。 從圖3 （a）和圖3 （b） 可以看出，溫度由 20 ℃下降至-60 ℃時，3 組試樣的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度均有所升高，最外層試樣的低溫抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度提高幅度最大，分別為11%和12%。 在同一溫度下，3 組試樣強(qiáng)度由大到小的順序為： 外層＞內(nèi)層＞中心層。 從圖3 （c） 可知，3 組試樣的斷后伸長率總體隨著溫度的降低而增大，但數(shù)值變化幅度不大。 可見，在-60 ℃時拉伸變形，試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度提高的同時，塑性并未降低。

一般情況下，隨著溫度的降低，鐵素體合金鋼會出現(xiàn)脆化傾向，即屈服強(qiáng)度隨溫度的變化幅度要大于抗拉強(qiáng)度[9-10]。 但從圖3 可見，試驗材料屈服強(qiáng)度隨溫度的變化幅度比抗拉強(qiáng)度較弱，在試驗溫度低于-20 ℃時尤為明顯，說明試驗材料在低溫服役環(huán)境中出現(xiàn)脆化傾向的可能性較小，具有良好的低溫拉伸性能。

圖3 不同溫度環(huán)境下X80 管線鋼拉伸性能的變化規(guī)律

2.2 顯微組織

X80 鋼管不同厚度處的顯微組織及X80 鋼板的帶狀組織形貌如圖4 所示。 圖4 （a） ～圖4 （c）分別為X80 鋼外層、 中心、 內(nèi)層的顯微組織形貌，從圖4 可以看出，試樣的組織特征為典型的鐵素體+粒狀貝氏體，粒狀貝氏體內(nèi)島狀物 （M-A） 的形態(tài)分布對其力學(xué)性能有著重要的影響。 針狀鐵素體組織含有較高的位錯密度，高密度位錯對基體有很好的強(qiáng)化作用。 此外，試樣中心處的組織晶粒尺寸大于外層和內(nèi)層的組織晶粒尺寸，這主要是由于管體壁厚較厚，在軋制過程中，軋制壓力很難滲透到鋼板中心，從而使板材中心處的晶粒尺寸較為粗大，導(dǎo)致中心部位顯微組織的整體均勻性較差。

有研究[11-14]表明，在高鋼級管線鋼中構(gòu)成帶狀組織的多數(shù)是M-A 島。 管線鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時，在形成鐵素體的過程中，碳會逐漸富集在殘余奧氏體內(nèi)。 由于低碳鋼發(fā)生相變的溫度較高，相變的驅(qū)動力較小，轉(zhuǎn)變不能完全進(jìn)行，少量奧氏體就會殘余下來，以不規(guī)則的島狀分布在板條間和晶界上[15]。 M-A 島的成分中合金元素的含量與基體相近，主要是碳的富集。 但是島內(nèi)的富集程度還不足以析出碳化物，因此會成為一些富碳的奧氏體島。 這些奧氏體島在隨后的冷卻過程中由于成分、冷卻速度不同將轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌漠a(chǎn)物。 當(dāng)鋼中的成分偏析達(dá)到一定程度時，這些M-A 島就會分成條帶狀，形成帶狀組織。 一般鋼板厚度越大，碳偏析就越明顯，帶狀組織就會越嚴(yán)重。 M-A 島屬于淬硬性組織，其強(qiáng)度和硬度一般高于基體，當(dāng)材料發(fā)生變形時，帶狀組織和基體的變形不同步，在相交界面容易產(chǎn)生脆性裂紋，從而發(fā)生斷裂，這對材料的動態(tài)止裂韌性不利。

圖4 X80 鋼管不同壁厚處的顯微組織及X80 鋼板的帶狀組織形貌

3 結(jié) 論

（1） 當(dāng)溫度由 20 ℃下降至－60 ℃時，X80 管線鋼管3 組試樣抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、 斷后伸長率均隨溫度降低而增大，但增幅不大。 溫度對其拉伸性能的影響不明顯，說明該材料具有良好的低溫拉伸性能，且外層低溫拉伸性能相對較好。

（2） 由于管壁較厚，板材中心處的晶粒尺寸較為粗大，構(gòu)成帶狀組織的M－A 島屬于淬硬性組織，當(dāng)材料發(fā)生形變時，容易在其相界面處產(chǎn)生脆性裂紋，導(dǎo)致試驗材料在低溫環(huán)境下發(fā)生脆斷。