X70大变形管线钢管的组织和性能

陈 凯，晏利君，刘 宇，范玉然，冯 斌，易 诚，张明旭，杨 眉

（1.中石化西南油气分公司，成都610500；2.西南石油大学材料科学与工程学院，成都610500；3.中国石油天然气管道科学研究院，廊坊065000）

0 引 言

大变形管线钢管既可以满足高压管道强度和韧性的要求，又具有良好的应变强化性能和较高的临界屈曲应变，能够抵抗地层位移施加于钢管上的外加应变所引起的局部屈曲、失稳和断裂［1］，可用于地震带、活动断层带和冻土区等环境恶劣地区［2］。

目前，国内外已成功研制出X70～X120级大变形管线钢管［3-5］，相关高校和科研院所也对大变形管线钢进行了研究，但主要集中于成分设计［3］、轧制工艺［6］、制管工艺［7］和 应 变 能 力 的 数 值 模 拟［8］等 方面，对其工程应用方面的研究较少。为使相关研究人员更清楚地了解该管线钢，作者对X70大变形管线钢管进行了组织和性能分析，期望能为X70大变形管线钢管的工程应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验采用国内某钢厂生产的X70大变形直缝埋弧焊管线钢管，其规格为φ1 016mm×17.5mm，主要化学成分（质量分数／%）为0.06C，0.20Si，1.65Mn，0.008P，0.004S；此外还添加了铬、钼、镍、铜、钛、镍和钒等合金元素。

参考GB／T 9711-2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》制备拉伸试样，在距焊缝90°和180°位置取纵向和横向拉伸试样，试样均未冷压平，纵向试样标距为50mm，标距内直径为12.5 mm，横向试样标距为25mm，标距内直径为6.25 mm，拉伸试验在MTS 810型材料试验机上完成；在距焊缝90°位置取纵向和横向冲击试样，参考Q／SY GJX 101-2010《天然气输送管道用钢管通用技术条件》制备V 型缺口夏比冲击试样，在ZBC2452C 型冲击试验机上完成20，0，-5，-20，-40，-60，-80，-100 ℃下的冲击试验，并对焊缝和热影响区在-5 ℃下进行冲击试验，冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm；采用JSM-6360LV 型扫描电镜观察冲击断口形貌。在距焊缝90°位置横向取金相试样，腐蚀剂选用体积分数为4%的硝酸酒精溶液，采用AxioImager M1m 型光学显微镜和JSM-6360LV型扫描电镜观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 拉伸性能

大变形管线钢管不仅要考虑环向承压能力，更要考虑大位移环境下的纵向变形能力，纵向性能决定了钢管的拉伸、压缩和弯曲等塑性变形能力。由图1 可见，纵向拉伸试样的应力-应变曲线均呈“Round house”型，没有屈服平台，呈连续屈服特征；管材从屈服到断裂之间有较大的应变保持范围。表明其具有较强的均匀变形能力。

图1 试验用X70大变形管线钢管不同位置的拉伸应力-应变曲线Fig.1 Tensile stress-strain curves of tested X70high deformability linepipe at different positions

由表1可见，X70大变形管线钢纵向的最小屈服强 度Rt0.5为478 MPa，屈 强 比（Rt0.5／Rm）低 于0.69，断后伸长率（A）大于27.5%，均匀变形伸长率AUEL大于11%，这表明该管线钢具有优异的拉伸变形性能。管体纵向的应力比、断后伸长率（A）和均匀变形伸长率AUEL均高于横向的，屈服强度（Rt0.5）则低于横向的，而抗拉强度相差不大，所以纵向屈强比（Rt0.5／Rm）低于横向的。可见，管体拉伸性能具有各向异性的特点。

大变形管线钢管现场焊接一般要求焊缝的强度高于母材的，即高强匹配，那么管体纵向的屈服强度不宜过高，以避免钢管变形时应变集中于焊缝，同时便于充分发挥钢管的大应变性能。管体纵向屈服强度低于489 MPa，有利于实现大变形钢管环焊接头的高强匹配。

表1 试验用X70大变形管线钢管的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of tested X70high deformability linepipe

纵向屈强比低而应力比、均匀变形伸长率高，说明钢管具有较高的塑性变形能力。当外加应力达到管体屈服强度时，钢管首先发生塑性变形，在外加应力达到管体的抗拉强度之前，钢管会发生较大的塑性变形并产生形变强化，所以钢管从起始塑性变形到开始断裂前的变形容量较大［9］。当屈强比增大时，管道结构所允许的环向应变降低，从而影响钢管的承载能力，所以大变形管线钢的屈强比应控制在一个合理的范围之内。不过屈强比是一个基础性的评价指标，并不能全面反映材料在变形过程中的力学性能变化特点，而应力比却能对此予以补充。对于基于应变设计管线所使用的大变形管线钢管，其纵向的屈强比、应力比和均匀变形伸长率是关键的力学性能指标，它们对钢管的应变强化性能和临界屈曲应变具有重要影响。

2.2 冲击性能

由图2（a）可知，试验温度为-20 ℃时，横向和纵向的吸收能均达到最大，分别为191J和245J，温度低于-20 ℃后，纵向和横向的吸收能均开始降低，纵向吸收能的降速较为缓慢，吸收能受温度的影响较小，而横向吸收能的降速较快。但横向吸收能在-100 ℃时仍高达120J，且没有发生明显的韧脆转变，断口呈韧性断裂特征（见图3）。这表明管体横向的韧脆转变温度低于-100 ℃。

由图2（b）可知，在各试验温度下，纵向的剪切断面率均为100%，横向的则保持在90%以上。另外可知，钢管焊缝和热影响区的冲击韧性良好，试验温度为-5 ℃时，焊缝的吸收能和剪切断面率分别为197J和90%，热影响区的吸收能和剪切断面率分别为226J和97%。吸收能和剪切率的上述变化表明该管材具有良好的低温韧性和抵抗断裂的能力，可用于极地、冻土等严寒地区。

通过分析不同温度下冲击试样的断口形貌可知，当试验温度低于0℃时，断口中心区域出现了断口分离的现象，沿厚度方向有二次裂纹和分层；随着试验温度降低，断口分离现象趋于严重，如图3（a）所示，管材的韧性逐渐降低，表明断口分离现象对温度变化较为敏感。分析认为［10］，断口分离现象与管体中心的带状组织以及未轧合孔洞等有关，钢中的成分偏析、夹杂物、孔洞等缺陷降低了厚度方向的强度和韧性。冲击试验时外加应力使内部缺陷处形成局部应力集中，产生微裂纹，外加应力大于厚度方向上的断裂强度时，微裂纹便会长大、失稳扩展，最终形成宏观上的断口分离，因此该现象是外加应力和材料特性共同作用的结果。

图2 试验用X70大变形管线钢管管体的冲击试样结果Fig.2 Impact results of tested X70 high deformability linepipe：（a）absorption energy vs temoerature and （b）shear section rete vs temoerature

图3 试验用X70大变形管线钢管在-100°C时的冲击断口形貌Fig.3 Impace fracture morphology of tested X70 high deformability linpipe at-100°C：（a）macrograph；（b）layered position；（c）central position and（d）fibrouszone

-100 ℃试样冲击断口中存在严重的断口分离现象，分层裂纹平行于试样表面，如图3（a）所示，断口中心分层位置具有明显的准解理特征，见图3（b），纤维区和瞬断区为明显的穿晶断裂，断口中存在大小不同的等轴韧窝和显微气孔韧窝，大韧窝周围聚集着蜂窝状小韧窝，大韧窝内壁有“蛇形滑移”、“涟波”等滑移线痕迹［10］，如图3（c），（d）所示，具有典型的韧性断裂特征。

2.3 显微组织

由图4可知，管体组织是以铁素体（F）、粒状贝氏体（GB）为主的双相组织，这些组织的不同含量和分布对大变形管线钢的力学性能具有显著影响［11-12］。管体壁厚中心存在显著的粒状贝氏体带，如图4（b）和图5（b）所示，这是奥氏体冷却时不同转变产物呈带状分布的特征，由成分偏析引起［13］。钢中带状组织严重时，会影响管体的强度、韧性和硬度，尤其是低温韧性和断口分离。对于力学性能要求较高的大变形管线钢，在轧制过程中应严格控制轧制和冷却工艺，以减少带状组织的形成。

图4 试验用X70大变形管线钢管不同位置处的显微组织Fig.4 Microstructe of tested X70 high diformability linepipe at different positions：（a）near surface and（b）in the centre of wall thickness

图5 试验用X70大变形管线钢管不同位置处的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of tested X70 high deformability linepipe at different positions：（a）near surface and（b）in the centre of wall thickness

从图5中可以看出，准多边形铁素体（QF）基体和晶界上零星分散着尺寸较小的M／A 岛状组织，QF内部位错密度较高，强度和塑性较高，其含量增加会使钢的强度降低，塑性增加，QF 内部较高密度的可动位错和弥散于QF 上的M／A 岛会促使钢具有较低的屈强比、较高的形变强化指数和连续屈服行为［14］。贝氏体是X70大变形管线钢中最重要的硬质相与强化相，决定了管材的强度、塑性和韧性［1］。图5（b）显示出了块状贝氏体内部的形貌，主要为针状片层结构，针叶不交叉，有不同的位向分布，基体上有很多弥散分布的细小白色点状M／A岛，具有下贝氏体特征。弥散分布的M／A 岛可起到沉淀强化作用，不过块状物内部有微裂纹，这不利于提高管材的强度和韧性。ISHIKAWA 等［15］以多边形铁素体为软相，分别以珠光体（P）、贝氏体（B）和M／A 岛为硬相建立了微观力学模型及有限元单胞模型进行研究，他们认为屈强比与组织中软相和硬相的强度差有关，两者强度水平的差值越大，屈强比越低；软相比例越大，屈强比越低。由此可见，PF、QF、GB等组织的合理分布及比例对提高大变形管线钢的塑性和应变强化性能具有重要作用。

3 结 论

（1）X70 大变形管线钢的纵向屈强比低于0.69，最小屈服强度为478MPa，均匀变形伸长率大于11%，断后伸长率大于27.5%，具有良好的均匀变形能力。

（2）该钢管具有良好的低温韧性，试验温度为-100 ℃时，横向冲击吸收能为120J，剪切断面率为90%；冲击断口呈韧性断裂特征，韧脆转变温度低于-100 ℃。

（3）该钢管的组织是以铁素体和粒状贝氏体为主的双相组织，管体中心存在显著的粒状贝氏体带，组织的合理分布和比例对提高大变形管线钢管的塑性和应变强化性能具有重要作用。

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