基于应变设计的大变形高强管线钢的发展

史立强， 牛 辉编译

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

0 前 言

使用高强管线钢可以实现气体的高压传输，从而降低气体管线的运输成本。由于长距离的输气管道穿过偏远地区时会经过不连续的冻土层，在这种情况下大变形管线钢要基于应变设计。本研究描述了大变形高强度X80和X100管线钢基于应变设计的过程。

大变形管线钢首先要具备一定的止裂性能。基于应变设计有两个临界应变极限，一个是拉伸应变极限；另一个是压缩应变极限。对于拉伸应变极限，当环焊部分的管线接触到弯曲压力时需要一个防止管线钢破裂的临界应变值，应考虑到环焊部分的尺寸缺陷和错边，因此必须有一个拉伸应变极限。在纵向上环形焊缝与母材的高强匹配可以有效的实现高的拉伸应变极限。所以要求母材在热时效前后有很窄的强度区间。另一方面，对于临界应变极限，当管线受到弯曲时需要一个防止管线屈曲的临界应变。压缩应变极限与母材的加工硬化率 （n）、屈强比 （Y/T）及均匀延伸率 （UEL）有关系。出于这种考虑，为获得高的抗压极限需要母材具有高n、低屈强比和高的均匀延伸率。为了满足上述基于应变设计的要求，需要抗大变形管线钢。新日铁公司已经开发了基于应变设计的X60到X100大变形管材。以下重点描述X80和X100大变形管线钢材的设计和发展。

1 大变形高强管线钢的合金化设计及工艺过程

大变形管线钢需要基于应变设计，就需要具有高拉伸应变极限和高压缩应变极限。据报道，双相微观组织的形成可以改善钢管的可变形性和止裂性能。铁素体和贝氏体/马氏体双相微观组织或贝氏体和马氏体奥氏体 （M/A）双相微观组织可以改善可变形性，例如，应力比的平衡，将应力比率定义为应变为1.5%时的流变应力与抗拉强度之比。当贝氏体组织转变为双相微观组织的时候抗拉强度有着显著的改善，当微观组织转变成双相组织的时候屈强比会降低。

双相微观组织、带状组织和M/A组织的形成对低温韧性是不利的。对于带状组织，由于分离的出现会明显降低吸收功。当钢材具有许多M/A组织时，导致脆化区的形成从而韧脆转变温度 （DBTT）急剧下降。相反，当硬的第二相是弥散分布时，其吸收的能量与贝氏体组织接近。因此，良好的弥散双相微观组织能有效提高材料的塑性变形行为和低温韧性。有文献表明，热机械轧制工艺 （TMCP）可获得弥散的双相组织。若要形成双相微观组织，在TMCP过程中有一些条件，如延迟淬火处理 （DLQ）、弱加速冷却工艺（MAC）以及在（α+β）区的临界点之间轧制的两相区轧制工艺（DPP）。有观点认为，弱加速冷却工艺可以得到很好的双相弥散组织，从而提高低温韧性、技术准备和成本收益，因而被采纳。

2 X80大变形高强度管线钢管

X80大变形高强度管线钢的工业生产是基于管线钢材料的变形能力和低温韧性之间达到良好平衡设计而产生的。工业上已经生产了壁厚为15 mm，16 mm和22 mm管线钢。转炉冶炼出300 t连铸坯进行再加热，经过控制轧制和弱加速冷却制成15 mm，16 mm和22 mm厚的钢板，随后进行UOE成型制管。下面对壁厚为15 mm和22 mm的X80管线钢管进行其力学性能的研究，并研究钢管在热时效前后的力学性能和DWTT性能。

2.1 热时效前后管体纵向的力学性能

图1（a）是15 mm壁厚X80管线钢管热时效前后管体纵向应力－应变曲线。试样取自距焊缝90°位置，进行再加热温度为220℃和240℃，保持5 min，然后空冷。当热时效温度为240℃时应力－应变曲线呈圆屋顶曲线，屈服强度定义为载荷下总应变为0.5%时的应力值。图1（b）是15 mm壁厚X80管线钢管的热时效温度对其屈强比和均匀延伸率的影响。随着热时效温度的增加，其屈强比也随之渐渐增加。当热时效温度为240℃时，屈强比为0.86～0.88，使其小于0.90很容易实现。当热时效温度达到240℃时，可以使均匀延伸率达到6.5%或者更高。图1（c）为热时效温度对应力比的影响。压缩应变极限与 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0有 关 ，将 σ0.5/σ2.0定 义 为0.5%的屈服应力与2.0%的屈服应力的比值，将σ1.0/σ5.0定义为1.0%的屈服应力与5.0%的屈服应力的比值。当热时效温度达到240℃时，可获得 σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0为0.93或更低。结果表明，15 mm壁厚X80管线钢管经过热时效后表现出良好的可变形性。

图2（a）所示为22 mm壁厚X80管线钢管在热时效前后管体纵向应力－应变曲线。当热时效温度为240℃时，应力－应变曲线呈圆屋顶。屈服强度定义为低于荷载的0.5%。图2（b）所示是22 mm壁厚X80管线钢的热时效温度对屈强比和均匀延伸率的影响。随着热时效温度的增加，其屈强比也随之渐渐增加。屈强比会随着热时效温度达到240℃时达到0.80～0.82，使其低于0.85很容易达到。当热时效温度达到240℃后，均匀延伸率可以达到7%或更高。图2（c）是热时效温度对应力比的影响。当时效温度达到240℃时， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可达0.90或者更低， 从而表明经过热时效后的22 mm厚X80管线钢管具有良好的可变形性。

图1 15mm壁厚X80管线钢管纵向试样力学性能

图2 22mm壁厚X80管线钢管纵向试样力学性能

2.2 微观组织

研究大变形X80管线钢管的微观组织是为了确定其是否由双相组织构成。图3所示是壁厚为15 mm以及22 mm的X80管线钢管壁厚中部的扫描电镜 （SEM）照片。两种管材都是由良好的铁素体＋贝氏体双相组织构成，铁素体的平均晶粒尺寸为5 μm。这种贝氏体是由贝氏体铁素体和微量的M/A组成。大变形管线钢经过热时效后能够形成良好的铁素体贝氏体双相组织，从而可以得到优越的DWTT剪切面积。

图3 不同壁厚X80管线钢管壁厚中部扫描电镜照片

2.3 落锤撕裂试验 （DWTT）性能

图4 不同壁厚X80管线钢管的DWTT转变曲线

研究钢管的DWTT压制缺口 （PN－DWTT）性能是为了进一步研究X80管线钢管的止裂性能。图4所示为壁厚为15 mm和22 mm的X80管线钢管的DWTT转变曲线。通过对其DWTT断口形貌分析可知，15 mm壁厚X80管线钢管在-50℃时可以实现DWTT剪切面积大于85%，22 mm壁厚X80管线钢管在-40℃下可以实现DWTT剪切面积大于85%。当断裂刚刚发生在凹槽下时，DWTT的断裂形貌立刻从脆性断裂转变为韧性断裂。在这些DWTT试样中有少量的分离沟形成。

3 X100大变形高强管线钢管

目前，已经可以生产厚度为14 mm，16 mm及20 mm的X100管线钢板。一个LD转炉可以融化300 t连续钢锭，对其进行再加热和控制轧制、弱加速冷却得出14 mm，16 mm和20 mm厚的钢板，随后进行UOE成型制管。下面对壁厚为16 mm和20 mm的X100管线钢管的力学性能进行研究，并研究钢管在热时效前后的力学性能和DWTT性能。

3.1 热时效前后管体纵向的力学性能

图5（a）是16 mm壁厚X100管线钢管热时效前后管体纵向的应力－应变曲线。取样是据焊缝位置90°管母试样，再加热到220℃和240℃，保温5 min，然后空冷。在热时效温度达到240℃时其应力－应变曲线呈圆屋顶。屈服强度定义为荷载下应变量为0.5%时的值。图5（b）是热时效温度对壁厚16 mm的X100管线钢管屈强比和均匀延伸率的影响曲线。屈强比随着热时效温度的增加而逐渐增加。当热时效温度为240℃时屈强比为0.82～0.85，使其小于0.90很容易实现。当热时效温度达到240℃时，均匀延伸率达到5%或者更高。图5（c）是热时效温度对屈强比的影响。当时效温度达到240℃时， σ0.5/σ2.0和 σ1.0/σ5.0可达0.92或者更低。结果表明，壁厚为16 mm的X100管线钢管经过热时效后表现出优越的可变形性。

图5 壁厚16 mm X100管线钢管纵向试样力学性能

图6（a）是20 mm壁厚X100管线钢管管体纵向热时效前后的应力－应变曲线。在热时效温度达240℃时，应力－应变曲线呈圆屋顶。图6（b）是热时效温度对20 mm壁厚X100管线钢管屈强比和均匀延伸率的影响。屈强比随着热时效温度的增加而逐渐增加。当热时效温度为240℃时，屈强比为0.82～0.86，使其小于0.90很容易实现。当热时效温度达240℃时，可以使均匀延伸率达5%或者更高。图6（c）是热时效温度对应力比的影响。当时效温度达240℃时， 使 σ0.5/σ2.0和σ1.0/σ5.0低于0.93。结果表明，20 mm壁厚X100管线钢管经过热时效后表现出优越的可变形性。

图6 壁厚20 mm X100管线钢管纵向试样力学性能

3.2 微观组织

研究抗大变形X100管线钢管的微观组织是为了确定其是否形成了双相组织。图7分别是壁厚为16 mm和20 mm的X100管线钢管壁厚中部的扫描电镜照片。两种钢管都是由良好的铁素体贝氏体双相组织构成。铁素体平均晶粒尺寸为5 μm。这种贝氏体由贝氏体铁素体和微量的M/A组成。大变形管线钢经过热时效后形成良好的铁素体贝氏体双相组织，从而可以得到优越的DWTT剪切面积。

图7 不同壁厚X100管线钢管壁厚中部扫描电镜照片

3.3 落锤撕裂试验性能

研究钢管的DWTT压制缺口试样 （PNDWTT）性能是为了研究X100管线钢管的止裂性能。图8分别是壁厚为16 mm和20 mm的X100管线钢管的DWTT转变曲线。通过对其DWTT断口形貌分析可知，16 mm壁厚X100管线钢管在-50℃时可以实现DWTT剪切面积大于85%，20 mm壁厚X100管线钢管在-40℃下可以实现DWTT剪切面积大于85%。当断裂刚刚发生在凹槽下时DWTT的断裂形式立刻从脆性断裂转变为韧性断裂。在这些DWTT试样中有少量的分离沟形成。

图8 管线钢管的DWTT转变曲线

表1 大变形X80和X100管线钢管的力学性能

基于应力－应变设计的大变形X80和X100管线钢管的力学性能见表1。当热时效前或温度达到240℃时，X80和X100管线钢管的应力－应变曲线呈现为圆屋顶状，屈强比会低于0.9。其中X80管线钢管的均匀延伸率可以达到6%或更高，X100管线钢管会达到5%或更高。X80和X100管线钢管的 σ0.5/σ2.0会低于0.94， σ1.0/σ5.0低于0.93。就低温韧性来讲，X80和X100管线钢管在-40℃时其DWTT剪切面积会大于85%。因此，X80和X100管线钢经过热时效后可以实现优越的可变形性和低温韧性。

4 结 论

（1）双相组织有效改善了管材的可变形性，细小弥散的双相组织也有效地提高了塑性变形能力和低温韧性。因此，应用细小弥散的双相组织可以制造具有优越低温韧性的抗大变形管线钢。

（2）目前已生产的X80和X100管线钢管，在热时效后具有优越的可变形性和低温韧性。