X80高钢级管线钢组织与力学性能

张小立

（中原工学院，郑州450007）

X80高钢级管线钢组织与力学性能

张小立

（中原工学院，郑州450007）

在所选用的4种X80高钢级管线钢中，经过夏比冲击试验、拉伸试验和屈强比计算，发现其力学性能与其组织有很好的对应性.研究结果表明，针状铁素体和细小弥散的贝氏体相结合的组织是X80钢的理想组织形貌，该组织可以使得材料的强度达到最高，而屈强比接近于0.85，从而达到强韧性的很好匹配.该组织的强韧性原理类似于短纤维和颗粒增强复合材料.

X80高钢级管线钢；力学性能；显微组织

随着输气管道输送压力的不断提高，输送钢管也相应地迅速向高性能发展.高性能钢管保证了高压输送的安全性，使管道建设的成本大大降低.管道建成后，管道运营的经济效益更加良好.加拿大的统计分析表明，每提高一个钢级可减少建设成本7%［1］.

提高输送压力意味着高效率，是天然气输运技术发展的趋势，但这必须以管道型材的高韧性、高强度作为安全性保障.这就为材料设计提出了更高的要求.目前，钢铁作为传统材料，面临着其他材料的竞争，铝、钛及其合金和塑料逐渐蚕食原本属于钢铁的领地.如果钢铁不想退出竞争，就必须保持成本和价格优势，不断地通过改善钢材内部组织结构，来提高性能、迎接挑战.

在西气东输中，我国首次应用了X70级钢管，这是我国管线钢的一大进步，达到了国际水平，但是在管型的选择、材料的组织性能、材料热加工及断裂控制等几个方面遇到了一系列的难题，这些问题的解决对高压油气管线的经济性和安全可靠性至关重要，也是管线顺利建设的前提.

目前，国际上X80－X120管线钢，都采用控轧控冷工艺获得优良性能.控轧钢的一个近代发展是控制冷却.轧后引入加速冷却，使γ→α相变温度降低，过冷度增大，从而增大了α的形核率；同时由于冷却速度的增加，阻止或延迟了碳、氮化物在冷却中过早析出，因而易于生成更加弥散的析出物.进一步提高冷却速度，则可形成贝氏体或针状铁素体，进一步改善钢的强韧性.

有文献对X70钢的组织与性能已作过较多的研究［1］.本文拟对几个品牌的X80钢的组织与力学性能的对应性进行分析，并对X80高钢级管线钢理想的组织进行描述.

1 试 验

试验研究材料包括2个钢级：X70和X80，拥有不同组织且分别购自国内外4个生产厂家，均为管线实际使用管材，或为管线研究开发的管线钢，化学成分见表1和表2.钢管规格：X70为φ1 016mm×21mm，X80为φ1 016mm×17.5mm，均为TMCP技术生产产品.

光学金相在适当的放大倍数下，有利于掌握组织特征的全貌，另外，由于高强度管线钢往往组织细小，光镜下不易分辨其细微特征，因而高钢级管线钢的组织与断口分析结合扫描电镜SEM和光学金相.

表1 X80管线钢化学成分 %

表2 X70管线钢化学成分 %

金相样品直接从试验钢板上切取，金相组织观察在MEF4M金相显微镜及图像分析系统上进行，观察面为平行轧向的样品正面，经粗磨、细磨、抛光和3%硝酸酒精腐蚀而成.

从试验钢板端部垂直于轧制方向切取冲击样坯，经机床加工成7.5mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口冲击试样.在10℃、0℃、－20℃、－40℃、－60℃、－80℃6种温度条件下，分别按照GB2975—82、GB／T229294标准规定，在JB2300B机械式半自动冲击试验机上进行冲击试验.

拉伸试样均采用 φ12.5mm 的试样，并按ASTM A370—2002标准规定，在MTS810—15自动拉伸试验机上进行.

2 试验结果及分析

2.1 冲击韧性和金相组织

如图1所示，试验钢的冲击韧性随温度的降低而减小，且在10℃～－40℃区间下降趋势较小，在－40℃～－80℃区间下降趋势较大.

图1 温度对实验管线钢冲击韧性的影响

如图2所示，高钢级管线钢的金相组织是由B（以B粒为主）＋PF＋P组成，其中B（贝氏体）、PF（多边铁素体）、P（珠光体）均为典型的AF组织.

图2 试验高钢级管线钢的金相组织（500X）

2.2 SEM组织对比

为了准确掌握各高钢级管线钢的相组织形态，进一步对其进行了SEM扫描电镜观察，其组织如图3所示.

图3 各高级管线钢SEM组织观察

从图3可以看出，X80和X70管线钢的区别在于贝氏体相的多少，在X70管线钢中，很明显贝氏体相要少于X80管线钢，且前者的分布均匀性较后者差；另外，对于1＃和2＃X80管线钢，铁素体形状都显示被拉长，成细条状，呈典型的针状铁素体形貌，而3＃X80和4＃X80的铁素体晶粒呈等轴多边形；在铁素体晶内和晶粒界面处，以上高钢级管线钢都存在由M—A岛构成的贝氏体粒，所不同的是2＃X80和4＃X80的贝氏体粒细小弥散，而1＃X80和3＃X80的贝氏体粒较为粗大，成片状.同以上各X80管线钢相比，3＃X80的贝氏体组织所占比例很高.因而由以上可见，2＃X80应该拥有极佳的力学性能，而3＃X80应该拥有较高的强度和硬度.

目前，对于不同种类的高强度钢，分别建立了“形变诱导铁素体相变（DIFT）”、“驰豫析出控制相变（RPC）”和“针状铁素体”3种理论体系.针状铁素体管线钢的形成过程为：低碳微合金管线钢在奥氏体再结晶温度区间粗轧后，在奥氏体未再结晶温度Tnr～Ar3的温度区间进行轧制，或进入Ar3以下的γ＋α两相区进行轧制，终轧后冷却速度控制在10～30℃／s，终轧温度在400～600℃，最终获得超细化的针状铁素体结构.由于各厂家在生产高钢级管线钢的过程中，选择的轧制工艺、冷却速率及最终的热处理工艺不同，致使管线钢形成的针状铁素体晶粒度不同、含量不同［2］.

针状铁素体是低碳钢（C＜0.15%）典型的贝氏体组织，由带有高位错密度的板条铁素体晶粒组成，若干铁素体板条平行排列构成板条束，一个奥氏体晶粒可形成很多板条束，板条界为小角度晶界，板条束界面则为大角度晶界.针状铁素体所以具有较高的韧性，是因为裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、互相交错分布的针状铁素体的阻碍.而弥散分布的贝氏体粒，可以起到细晶强化和韧化的作用［2］.这是因为韧性代表了材料抵抗变形和断裂的能力.由于晶粒细小，外力可以由更多细小的晶粒所承受，晶粒内部和晶界附近的应变度相差小，因而材料受力均匀，应力集中较小，裂纹不易形成.即使产生了裂纹，由于晶粒细小，晶界较多，而且相邻晶粒具有不同的位向，于是当塑性变形或微裂纹由一个晶粒穿越晶界进入另一晶粒时，塑性变形或微裂纹将在晶界处受阻.同时，一旦塑性变形或微裂纹穿过晶界后，滑移方向或裂纹扩展方向发生改变，必然消耗更多的能量.以上因素均促使裂纹形成和扩展的能量提高，即表现为韧性的提高.

实际上，由位于晶界的细小弥散贝氏体粒和针状铁素体形成的高钢级管线钢组织，就相当于短纤维增强和颗粒增强的复合材料.短纤维具有使裂纹偏转反射的作用，而位于晶界的硬相—贝氏体粒可以使变形中的位错钉扎，从而使强度进一步提高.关于贝氏体粒是硬相的说法，可见图4所示高钢级管线钢中铁素体相和贝氏体相能谱分析结果.

图4 高钢级管线钢中铁素体相和贝氏体相元素能谱分析图示

表3所示为高钢级管线钢中各相的元素能谱分析结果.

表3 高钢级管线钢中各相的元素能谱分析 Wt%

从表3可以看到，在贝氏体中，C、Mn含量都较铁素体中高.Mn具有降低钢液中的氧含量，消除硫的有害影响，从而提高钢的强度和硬度的作用.C是决定钢材性能的最主要元素，C含量高意味着其强度、硬度增高［3］.因而贝氏体中的高C、Mn含量使得贝氏体相拥有较高的强度和硬度，增加组织中的贝氏体含量将使得钢材整体强度和硬度提高.

2.3 力学性能

不同高钢级X80管线钢的抗拉强度和屈强比的对比分别见表4和表5.从表4可知，抗拉强度从高到低的顺序为2＃＞1＃＞4＃，这和显微组织的预测结果是一致的；另外，X70管线钢的抗拉强度最低，这和其与上述X80相比较有粗大的晶粒尺寸和较少的贝氏体含量是一致的.而屈强比从高到低的顺序为4＃＞1＃＞2＃（表5）.

表4 X80管线钢抗拉强度的比较 MPa

表5 不同X80管线钢的屈强比比较

管线钢管的屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）是钢管抵抗破裂的重要参数，它表示了材料从屈服到最后断裂过程中的变形能力［4］.以往世界上各石油公司的天然气管线钢管的技术条件对屈强比的限定值多数在0.85以下，根据此规范只有2＃X80管线钢达到要求.但在管线钢管的强度水平有了很大提高之后，较低的屈强比要求与高强度钢管的发展产生了矛盾.

现有的技术规范中，API 5L规定，冷扩径钢管屈强比不允许超过0.93；ISO3183－3规定，钢级低于X52的钢管屈强比不允许超过0.90，钢级超过X52的钢管屈强比不允许超过0.92.EPRG研究表明，在钢管承受内压变形时，环向变形存在一个极限值，该值取决于钢管的屈强比［5］.当屈强比升高时，环向变形极限值下降.环向变形极限值对应于钢管拉伸试验室的均匀伸长率.

近年来的技术规范一般按照强度级别规定屈强比的限定值.对X65以上的钢管屈强比的限定值，一般都提高到0.90～0.92.最新的ISO和DNV规范都是如此.根据国外X70管线钢管的实物质量水平，我国西气东输管线的屈强比最大值定为0.90，其中5%的屈强比允许到0.92［6］.若根据此标准，也只有1＃和2＃X80钢符合要求.另外，根据2005年3月1日实施的Q／CNPC107－2005和Q／CNPC105－2005企业标准，对X80螺旋缝埋弧焊钢管用热轧板卷技术条件和热轧钢板技术条件，其屈强比要求为≤0.92，根据此标准，1＃和2＃X80钢全部符合要求，而4＃屈强比接近上限，并且只有部分符合要求.

文献［7］也认为当X80管线钢中针状铁素体的比例增多时，材料将获得高的夏比冲击韧性，本文所得结论与其是一致的.然而根据屈强比的定义来看，对于1＃X80钢，由于其组织的针状铁素体和细小弥散贝氏体的形貌，使得该材料强韧性都得到了很好的匹配，因而是高钢级管线钢质量控制和发展的趋势.

3 结 语

在X80高钢级管线钢中，针状铁素体和细小弥散的贝氏体相结合的组织是X80钢的理想组织形貌，该组织可以使得材料的强度达到最高，而屈强比接近于0.85，从而达到强韧性的很好匹配.

［1］ 霍春勇.高压天然气高强度管线钢管关键技术研究［D］.西安：西安交通大学，2005.

［2］ 张小立.X80高级管线钢组织图谱［J］.中原工学院学报，2010，21（4）：4－10.

［3］ 李世柳.石油化工厂用钢材性能［J］.石油化工设计，1997，14（3）：58－66.

［4］ 霍春勇，马秋荣，袁鹏斌，等.西气东输管线钢技术条件关键技术指标研究［C］／／.西气东输管道与钢管应用基础及技术研究论文集.北京：石油工业出版社，2004：11.

［5］ Sloterdijk W，Nederlandse Casunie N V.Effect of Tensile Properties on the Safety of Pipelines［C］／／.EPRG Anniversary Meeting.Brussels：EPRG，1997：10.

［6］ 王茂棠.西气东输管线用钢、钢管“技术条件”编制中的几个问题及回顾［J］.焊管，2003，26（2）：1－6.

［7］ Hiroyuki Motohashi，Naoto Hagiwara，Tomoki Masuda.Tensile Properties and Microstructure of Weld Metal of X80Steel［J］.Materials Science Forum，2003，426－432：4013－4018.

The Microstructure and Mechanical Properties of X80 Linepipe Steel

ZHANG Xiao－li
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In this study，four kinds of X80linepipe steel aere selected.And after the measurement of sharpy impact energy，tensile strength，the calculation of Rt0.5／Rmand observation of microstructure，it is found that there are excellent corresponding relationship between them.It is shown that the microstructure combination with needle－like ferrite and dispersed bainite is the idealest.This kind of microstructure could make the strength reach the highest and Rt0.5／Rmnear to 0.85，which get the good match between strength and toughness.The tenacious mechanism is similar to short whisker and particle reinforced composites.

X80linepipe steel；mechanical property；microstructure

TG142.1

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.04.003

1671－6906（2010）04－0009－05

2010－08－02

博士后基金项目（20060390319）

张小立（1969－），女，甘肃威武人，高级工程师，博士.