Nb 含量對X70 鋼級直縫埋弧焊管組織及強韌性的影響

何小東，張永青，HAN David，陳越峰，楊耀彬

（1. 中國石油集團工程材料研究院有限公司·石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，陜西 西安 710077；2. 國際焊接研究中心，陜西 西安 710077；3. 中信金屬股份有限公司，北京 100004）

管道輸送是石油和天然氣最高效、經濟的運輸方式，尤其是X70 鋼級及以上的大直徑長輸管道。在20 世紀80年代早期，人們就采用加入Nb 來設計新一代高強度低合金鋼[1]，充分利用Nb 的固溶和析出行為，結合熱機械軋制（Thermo-mechanical Controlled Process，TMCP）工藝，達到細化晶粒、控制相變和析出強化的效果，從而獲得高強度高韌性的鋼材，如X70、X80 管線鋼。而對于X70 鋼級及以上的高鋼級管線鋼，其成分設計大都是低碳（超低碳）的Mn-Nb-Ti 或Mn-Nb-V（Ti）合金體系，同時還加入Mo、Ni、Cu 等元素提高淬透性，并通過TMCP 工藝細化晶粒，得到針狀鐵素體、貝氏體乃至馬氏體組織[2]。因此，Nb 是生產高級別管線鋼必不可少的微合金化元素[3]，它可以起到細化晶粒和沉淀強化的作用。當同時加入Mo 與Nb 時，Mo 在控軋過程中可抑制奧氏體再結晶，進而促進奧氏體顯微組織的細化[4]。而且，已有研究表明，晶粒大小、析出相分布、位錯密度及位錯形態等微觀結構對X80 管線鋼的強度、韌性、脆性轉變溫度有明顯的影響[5]。

近20年來，我國在高鋼級管線鋼開發及工程應用方面取得了巨大進步。西氣東輸二線管道工程的成功建設使我國從X70 管道建設的“追跑者”成為了X80管道的“領跑者”。雖然，X70、X80 高級別管線鋼已在我國西氣東輸一線、二線和中俄東線等天然氣管道工程中得到了大規模的應用，但不可否認的是，國內早期的X70 和X80 管線鋼仍有大部分依賴于國外進口[6-14]。2000年，以西氣東輸一線為工程背景，我國開展了高鋼級X70 管線鋼的研究和開發。西氣東輸一線天然氣管道工程全長4 000 km，焊管用量約為156.7 萬t，其中60.7 萬t螺旋縫埋弧焊管用X70 卷板由國內廠家提供，而能生產X70 鋼級寬厚板及X70 鋼級直縫埋弧焊管的廠家較少，約85%的直縫埋弧焊管依賴國外進口。2003年，我國開始X80 管線鋼的研制，并于2004年在西氣東輸管道工程冀寧支線建設了長度為7.8 km 的X80 試驗段。2007年，國內X80 鋼級寬厚鋼板、卷板和焊管的試制工作全面展開，并在西氣東輸二線工程得到大規模的應用，國產化率達到90%[15]。但是，壁厚25.4 mm 以上的X80 鋼級直縫埋弧焊管仍以進口為主。因此，我國對X70鋼級及以上管線鋼的研究和應用歷史較短，在大直徑、厚壁高鋼級管道化學成分設計、軋制工藝和組織性能等相互之間的影響規律尚待進一步完善和系統研究。

本文針對不同Nb 含量的X70 直縫埋弧焊管，采用拉伸、夏比沖擊和落錘撕裂試驗測試了其強度和韌性，并采用金相顯微鏡和透射電鏡分析了管體的微觀組織，探討了X70 直縫埋弧焊管的成分、組織和強韌性的關系，以期為X70 管線鋼的成分設計、軋制工藝和制管焊接工藝的進一步優化提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

試驗材料為Φ1 219 mm×22 mm X70 鋼級直縫埋弧焊管，其實測化學成分見表1。表1 中，XG20、XG22 和XG23 分別代表不同成分的樣品編號，其成分設計主要合金元素為C、Mn、Cr，以及極少量的Mo、Ni、Cu 和Nb、V、Ti 微合金元素。XG20 和XG23 鋼管成分設計的Nb 含量為0.075%，但XG23 鋼管的C 含量為0.058%，略高于XG20鋼管的C 含量0.048%；而XG22 鋼管成分設計的Nb 含量為0.046%，C 含量為0.053%。XG20、XG22 和XG23 鋼管母材的S、P、N 元素含量極低，冷裂紋敏感系數（CEPcm）范圍為0.150%～0.162%，具有良好的焊接性。試驗用X70 直縫埋弧焊管均采用低碳微合金控軋管線鋼板經JCOE 成型后，再進行內、外多絲埋弧焊接。

表1 X70 鋼級直縫埋弧焊鋼管的化學成分（質量分數）%

分別在埋弧焊接頭和距焊縫180°位置管體橫向制備矩形拉伸試樣，試樣寬度為38.0 mm，標距為50 mm，采用SHT4106 材料試驗機，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》測試鋼管的拉伸性能。在距焊縫90°管體橫向和埋弧焊接頭取樣，制取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的V 型缺口夏比沖擊試樣，并采用PIT752D-2 沖擊試驗機，依據GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行系列溫度夏比沖擊試驗。同時，在距焊縫90°管體橫向制備尺寸為305 mm×76.2 mm×22 mm 的落錘撕裂試驗（Drop-weight Tear Test，DWTT）試樣，借助HIT50KP大能量擺錘沖擊試驗機依據SY/T 6476—2017《管線鋼管落錘撕裂試驗方法》測試DWTT 試樣斷裂過程中的力-位移曲線和斷裂吸收能量及斷口的剪切面積百分比。用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡和JEM-2100F 高分辨透射電子顯微鏡分析了鋼管的微觀組織特征。

2 試驗結果及討論

2.1 強度及韌性

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的拉伸性能對比如圖1 所示。由圖1（a）可知，X20、XG22和XG23 圓棒和矩形試樣表現為連續屈服，拉伸應力-應變曲線為“拱頂”型。圖1（b）所示為管體橫向矩形試樣拉伸性能對比，結果表明，XG20、XG22和XG23 的拉伸屈服強度Rt0.5、抗拉強度Rm、屈強比和斷后伸長率（圖1c）均滿足API Spec 5L—2019《管線鋼管規范》要求，且XG20、XG23 的屈服強度和抗拉強度均高于XG22。圖1（d）表明，3 種Nb含量的X70 鋼級埋弧焊焊接接頭的抗拉強度大小關系與管體橫向的抗拉強度大小關系一致，即XG23XG20 XG22，其值均滿足API Spec 5L 要求，且試樣均在母材處斷裂。

圖1 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的拉伸性能對比

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的夏比沖擊吸收能量對比如圖2 所示。結果表明，X70 鋼級直縫埋弧焊管管體橫向和焊接接頭熱影響區的夏比沖擊吸收能量和斷口剪切面積百分比均符合API Spec 5L 要求。由圖2（a）可知，XG20、XG22 和XG23 管體橫向在-70 ℃以上的平均沖擊吸收能量均高于290 J，具有優良的沖擊韌性，其韌-脆轉變溫度（DBTT）低于-80 ℃；但在-70～20 ℃，XG20 和XG23 管體橫向的平均夏比沖擊吸收能量略高于XG22，且在-80 ℃以上時XG23 管體橫向的沖擊吸收能量保持相當穩定的水平。由圖2（b）可知，-80℃時，XG20 外焊道熱影響區仍具有較好的沖擊韌性，其沖擊吸收能量平均值大于100 J；在-10 ℃以上，XG20 外焊道熱影響區的平均沖擊吸收能量高于XG22 和XG23。按50%上平臺能計算韌-脆轉變溫度，XG20 鋼管埋弧焊接頭熱影響區的韌-脆轉變溫度為-74 ℃，XG22 鋼管埋弧焊接頭熱影響區的韌-脆轉變溫度為-56 ℃，XG23 鋼管埋弧焊接頭熱影響區的韌-脆轉變溫度為-51 ℃。因此，較高Nb 含量的XG20 埋弧焊管的熱影響區具有更好的低溫韌性，而較高Nb 含量的XG23 熱影響區的低溫韌性與較低Nb 含量的XG22 的熱影響區低溫韌性相近，這可能與XG23 鋼管較高的C 含量和原始組織狀態有關。

圖2 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的夏比沖擊吸收能量對比

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的DWTT韌-脆轉變曲線如圖3 所示。結果表明，XG20、XG22 和XG23 鋼管在-5 ℃下的DWTT 斷口剪切面積百分比符合API Spec 5L 要求。同時，XG20 和XG23 鋼管的DBTT分別為-44 ℃和-37 ℃，而XG22鋼管的DBTT為-30 ℃。因此，XG20 和XG23 鋼管的DBTT低于XG22。這也表明，XG20 和XG23 鋼管具有更好的低溫韌性。XG20、XG22 和XG23 鋼管在典型溫度-5 ℃和-30 ℃下的DWTT 斷口形貌如圖4～6 所示。表明，在-5 ℃時，3 種Nb 含量的X70 鋼級直縫埋弧焊管管體DWTT 斷口的剪切面積百分比相近。但是，當試驗溫度降低至-30 ℃，Nb 含量較高的XG20 和XG23 管體的DWTT 斷口的平均剪切面積百分比明顯高于Nb 含量較低的XG22 管體。

圖3 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管的DWTT 韌-脆轉變曲線

圖4 XG20 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

圖5 XG22 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

圖6 XG23 鋼管典型溫度下的DWTT 斷口形貌

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管典型溫度下DWTT 的力-位移曲線如圖7 所示。在20 ℃時，XG20 和XG23 落錘撕裂試驗過程中啟裂能略高于XG22，而XG22 的裂紋穩態擴展能大于XG20 和XG23；試驗溫度為-5 ℃時，XG22 的總的吸收能量和裂紋穩態擴展能大于XG20 和XG23；但溫度降低至-20 ℃時，XG20 和XG23 試樣缺口根部啟裂后裂紋能夠穩態擴展，而XG22 啟裂后迅速失穩擴展。因此，Nb 含量較高的XG20 和XG23 鋼管的低溫斷裂韌性好于Nb 含量較低的XG22 鋼管。

圖7 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管典型溫度下DWTT 的力-位移曲線

2.2 微觀組織分析

金相分析表明，XG20、XG23 管體表面附近、壁厚1/4 處和壁厚中心的顯微組織為B粒+PF+MA，平均晶粒度均為11.5 級，夾雜物為0.5 級；而XG22 的表面附近和壁厚中心的顯微組織以PF+B粒為主，壁厚1/4 處為B粒+PF，平均晶粒度均為11.0級，夾雜物為0.5 級。不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體壁厚中心的顯微組織如圖8 所示。

圖8 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體壁厚中心的顯微組織

不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM）組織形貌如圖9 所示。結果表明，在XG20鐵素體尺寸較大，很少以長的板條狀存在，位錯數量也較少；M/A 島多以規則的塊狀存在，長條狀的M/A 島數量較少；小顆粒析出相主要位于晶粒內部，少量處于晶界處。XG22 管體組織的晶粒內部有著高密度的位錯，同時晶粒內部分布著一些析出相，析出相的平均間距 500 nm；同時，也可以清楚看到位錯的形態，以及主要分布在晶內的析出顆粒，其平均尺寸在30 nm 左右。XG23 管體有較多的板條貝氏體存在，晶內位錯密度較高，M/A 島多以條狀分布在基體中，其組織形態更接近于X80鋼級管線鋼。

圖9 不同Nb 含量X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的TEM 組織形貌

2.3 討論與分析

由于XG20、XG22 和XG23 鋼管的化學成分和顯微組織存在一定差異；因此，含Nb 較高的XG20 和XG23 管體的強度和韌性高于XG22 管體的，但XG22 管體的斷后伸長率大于XG20 和XG23 管體的。在0 ℃以上進行落錘撕裂試驗時，XG22 鋼管管體的變形能力較大，其沖擊吸收能量高于XG20 和XG23；溫度低于0 ℃時，XG22 鋼管的DWTT 吸收能量迅速降低，并且裂紋擴展過程中可能出現脆性失穩。

一般情況下，位于晶界的析出相有釘扎晶界的作用，內部的析出相對于晶粒長大的阻礙作用有限，但對阻礙位錯的運動則有顯著地貢獻，在變形過程中，析出相可以與位錯發生相互作用。對于XG20 鋼管，析出相對晶界的釘扎起到了一定的強化作用。與XG20 相比，XG22 鋼管中的析出相數量接近，且晶界處分布較少；因此，析出相對晶界的釘扎作用更弱。XG23 析出相數量減少，且主要分布于晶內，但軋制過程的形變強化引入的位錯數量較多，且XG23 中板條界也較多，平均寬度較小，可以有效阻礙位錯的運動，形成位錯胞或位錯纏結，從而使其強度提高。

3 結 論

（1） 隨著Nb 含量的升高，X70 鋼級直縫埋弧焊管管體的顯微組織由PF+B粒為主轉變為以B粒為主，平均晶粒尺寸也更細小；在其他成分相同情況下，C、Nb 含量，組織類型、析出相及位錯密度對X70 鋼級管線鋼的強韌性具有重要影響。

（2） 對于Nb 含量為0.046%和0.075%的X70鋼級直縫埋弧焊管，管體橫向拉伸應力-應變曲線為典型的“拱頂”型，屈服強度、抗拉強度、屈強比和斷后伸長率均滿足API Spec 5L 要求。但含Nb較高的X70 鋼級直縫埋弧焊管管體橫向的屈服強度和抗拉強度均高于含Nb 較低的X70 鋼級；Nb含量相同時，C 含量越高，其屈服強度和抗拉強度也越高。

（3） 對于Nb 含量較高的X70 鋼級直縫埋弧焊管，其管體橫向的韌-脆轉變溫度更低，具有更好的低溫沖擊韌性，鋼管啟裂后不易失穩擴展。但Nb 含量較低的X70 鋼級鋼管的韌-脆轉變曲線具有更高的上平臺能。

（4） 對于X70 鋼級直縫埋弧焊管，Nb 含量較高、C 含量較低的鋼管（XG20）的熱影響區具有更好的低溫韌性，其韌-脆轉變溫度低于Nb含量較低的X70 鋼級鋼管（XG22）。

致謝：感謝巴西礦冶公司（Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao）對本項目的支持。