再加热工艺对X100管线钢组织和性能的影响

张小立

（中原工学院材料与化工学院，郑州450007）

0 引 言

在大口径长距离天然气输气管道建设中常常需要使用大量的感应加热弯管，用以改变管线的敷设方向，其中弯管的质量将直接影响到管道的运行安全。目前，感应加热弯管制备技术中主要有三种热处理［1］：完全淬火、局部淬火和回火以及完全淬火和回火。其中，最常采用的就是局部淬火和回火。也就是说淬火只应用于弯管部位，整个管子包括直管段都进行回火，称之为Q－T型弯制工艺。

由于在感应加热弯管制备中，母管经过了再加热，这时管线钢组织和性能会发生变化。如果再加热时的加热工艺控制不当，其强度将会损失50%以上，严重时还会出现开裂［2］。

在我国“西气东输”二线工程中已全部使用了X80管线钢，而X100管线钢还处于试制阶段，关于其再加热后组织和性能变化规律的研究报道较少。针对这一现状，作者采用Q－T型弯制工艺的加热工艺对国外某品牌X100管线钢进行热处理，并对其组织和硬度等的变化规律等进行了研究，期望为制定X100管线钢弯管的制备工艺提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料采用国外某品牌X100管线钢，其供货状态为热轧管，化学成分见表1，碳当量wCeq＝0.492 5，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝0.220 5，其中wCeq＝wC＋wMn／6＋w（Mo＋Cr＋V）／5＋w（Ni＋Cu）／15，Pcm＝w（C）＋wSi／30＋w（Mn＋Cu＋Cr）／20＋wMo／15＋wNi／60＋wV／10＋5wB。在上述管线钢上截取尺寸为300mm×280mm的试样用于后续试验。

取一部分试样分别在850，950，1 050，1 150℃进行淬火处理，淬火介质为水，加热时间为1h，然后分别在250，350，450，550℃（空冷）回火，加热时间为30min，用以研究淬火和回火对弯管组织和性能的影响。

另取一部分试样直接在250，350，550℃回火，加热时间为30min，用以研究回火对直管组织和性能的影响。

表1 X100管线钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of X100pipeline steels（mass）%

1.2 试验方法

沿垂直于轧制方法在管体横向截取金相试样，经机械抛光、3%（体积分数）硝酸酒精腐蚀后，采用MEF4M型光学显微镜观察显微组织；采用HV－50型维氏硬度计测硬度，加载载荷为98N，加载时间为30s；按照GB 2975—1982加工规格为10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口冲击试样，在20，0，－20，－40，－60，－80，－100℃下参考 GB／T 229—1994在JB2300B型机械式半自动冲击试验机上进行冲击试验；采用QTS136XL型扫描电镜观察断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 母管的组织与性能

由图1可见，供货态X100管线钢（母管）的组织为粒状贝氏体（含M／A岛），其中弥散、均匀分布着细小的Fe3C。母材的硬度为265HV（强度与硬度成正比，以硬度替代强度）。

图1 供货态X100管线钢的显微组织Fig.1 Microstructure of X100 pipeline steels in delivery state

图2 供货态X100管线钢的夏比冲击功与纤维断面率Fig.2 Sharpy impact energy and shearing rate of X100pipeline steels in delivery state

由图2的冲击功和纤维断面率曲线可得出，供货态X100管线钢的韧脆转变温度为－60℃。

2.2 淬火回火对弯管组织和性能的影响

从图3可以看出，X100管线钢在不同温度淬火并在250℃回火后，随淬火温度的升高，所得到的显微组织依次为PF（多边形铁素体）＋M（马氏体）、M（马氏体）和B（贝氏体）。

由图4可见，随着淬火温度的升高，不同温度回火后X100管线钢的硬度均先升后降，其中850℃和1 050℃淬火并250℃回火后的硬度和供货态的相匹配。

从图5可以看出，X100管线钢在不同温度淬火并经550℃回火后，随淬火温度的升高，所得到的显微组织分别为PF＋P、B＋PF＋P、B。由图4可以看出，经在950℃淬火和550℃回火后，X100管线钢的硬度和供货态的也匹配。

多边形铁素体是一个韧性相［3］，珠光体是一种具有良好强度和韧性的物相。而贝氏体，特别是粒状贝氏体，是马氏体和残余奥氏体的混合物，具有高的强度以及良好的韧性。

图3 不同温度淬火和250℃回火后X100管线钢的显微组织Fig.3 Microstructure of X100pipeline steels after quenching at different temperatures and tempering at 250℃

图4 X100管线钢在不同温度淬火、回火后的硬度Fig.4 Hardness of X100pipeline steels after quenching and tempering at different temperatures

在弯管制备的再加热后，如果淬火处理使马氏体含量增多，那么材料的强度会大大提高，肯定可以满足管件标准中强度指标的规定，但是马氏体的增多使材料的韧性下降。因此，淬火后采用250℃回火能使弯管得到马氏体组织，但马氏体组织并不是热处理要得到的最终组织。因为马氏体组织和铁素体组织相比，其作用主要是提高强度；虽然回火处理能使材料的弹性和强韧性增加，但是为了最终缓解屈服强度和韧性指标之间的矛盾［4］就需要控制马氏体的形成。而550℃回火后获得的贝氏体组织具有良好的强度和韧性匹配，与铁素体相比强度和硬度较高。

图5 不同温度淬火和550℃回火后X100管线钢的显微组织Fig.5 Microstructure of X100pipeline steel after quenching at different temperatures and tempering at 550℃

正因为多边铁素体、贝氏体及其珠光体是强韧性相，能够完全满足X100级弯管对强度与韧性指标的需求，所以B＋PF＋P组织为X100管线钢弯管的理想组织［5］。从图3和图5可知，X100管线钢在950℃淬火再在550℃回火可以得到理想的组织。

虽然，在弯管段采用850℃或1 050℃淬火并经250℃回火，能使热弯管达到与母管良好的强韧性匹配，但这时组织为PF＋M或B，弯管段在服役过程中容易开裂，另外这样一种再加热工艺会导致工艺复杂，操作困难，成本提高等。

2.3 回火工艺对直管组织与性能的影响

由图6可知，X100管线钢直接在250℃回火后，其显微组织主要为回火马氏体，且很不均匀，还存在带状结构；随着回火温度的升高（350，550℃），显微组织主要为回火索氏体，组织的均匀性逐渐改善，带状组织消失，显微组织也变得更加均匀。当回火温度升高到550℃后，其组织均匀性最好。

图6 X100管线钢在不同温度直接回火后的显微组织Fig.6 Microstructure of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

文献［6］的研究表明，对于高钢级管线钢，其组织均匀性愈高，材料的强韧性匹配愈好。因此可知，当X100管线钢直接在550℃回火后可获得较高的强韧性匹配。由图7可以看出，当回火温度为550℃时，X100管线钢的硬度适中，并且可与母管相匹配。

2.4 冲击性能与断口形貌

由图8，9可知，X100管线钢经950℃淬火和550℃回火后，在－20℃下的冲击断口中纤维区韧窝被拉长，呈抛物线形，韧窝稍浅，这表明即使在－20℃时，该管线钢的塑性也较好；剪切区韧窝较深，放射区断口亦被拉长，其韧窝比纤维区的更深；其断口形貌与母管的非常接近，这说明两者的冲击韧性也较接近。由此表明，在该再加热工艺下，X100管线钢弯管与母管可以实现良好的强韧性匹配。

图7 X100管线钢在不同温度直接回火后的硬度Fig.7 Hardness of X100pipeline steel after direct tempering at different temperatures

3 结 论

（1）X100管线钢经950℃淬火和550℃回火的再加热工艺处理后，其显微组织为B＋PF＋P，且其硬度适中，冲击断口的纤维区、放射区、剪切区均具有良好的韧窝形貌，可与母管实现良好的强韧性匹配。

（2）X100管线钢直接经550℃回火后，组织为回火索氏体，组织的均匀性最好，硬度适中，可与母材相匹配。

［1］KNODO J，TAKAGISHI M.Development of induction bend pipe［C］／／Proceedings of OMAE′02.Oslo，Norway：ASME，2002.

［2］马永山.控轧钢UOE管热煨弯管弯制工艺研究［D］.天津：天津大学，2004.

［3］王英杰.金属材料及热处理［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［4］刘迎来，池强，王鹏.加热温度对X80弯管钢组织与性能的影响［J］.金属热处理，2010，35（10）：25－30.

［5］张小立，张勇，李刚.X80级弯管热处理工艺和组织性能相关性研究［J］.中原工学院学报，2011，22（2）：8－13.

［6］张小立，冯耀荣，赵文轸，等.X80级管线钢的组织和力学性能［J］.特殊钢，2006，27（3）：11－13.