PSL2 X65Q管线用无缝钢管力学性能分析

周晓锋，刘江成，张传友，周家祥，张国柱

（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津 300301）

近年来，能源结构的变化以及对能源需求的增长，极大地促进了长距离输送管线的发展。管道输送是长距离、大规模输送石油和天然气最经济、最安全的运输方式。为了增大输送压力，提高输送效率，长距离石油天然气输送管线用管不断向高钢级、大壁厚发展。高强度管线钢的应用可以降低管线工程的投资和运营费用，但同时也对管线用管的可靠性提出更高要求，特别是海洋管线，由于管道的铺设方式复杂，作业环境苛刻，因此对其机械性能有着更高的要求。

本文将对天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）近6年PSL2 X65Q管线用无缝钢管产品的拉伸性能、冲击性能、硬度及相关性能试验数据，进行统计和分析，并归纳其特点。

1 力学性能的要求

API Spec 5L—2012 标准［1］对 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的力学性能要求见表1。

2 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的拉伸性能

2.1 屈服强度和抗拉强度

根据API Spec 5L—2012标准的要求，需要测定管线用无缝钢管0.5%规定总延伸强度Rt0.5。在拉伸试验中，将试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度［2］。PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈服强度和抗拉强度统计如图1所示。

图1（a）统计数据为3 432个，平均值为504.5 MPa，标准差为29.55 MPa，平均值的标准误差为0.50 MPa，PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈服强度多集中在480~530 MPa，可满足OED-TP-104—2009 Addendum to API 5L For Procurement of CMn Seamless Pipe For Reel Lay Installation标准屈服强度波动范围≤100 MPa的要求；图1（b）统计数据为3 432个，平均值为603.5 MPa，标准差为26.94 MPa，平均值的标准误差为0.46 MPa，抗拉强度多集中在580~630 MPa，很好地满足了API Spec 5L—2012标准要求。

表1 API Spec 5L—2012标准对PSL2 X65Q管线用无缝钢管力学性能的要求

图1 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈服强度和抗拉强度统计

2.2 断后伸长率

API Spec 5L—2012标准中规定测量50 mm定标距的断后伸长率。根据该标准规定，对于壁厚≥19 mm的管线用管，纵向拉伸试验可取直径为12.7 mm的圆棒试样；其他壁厚依据外径不同截取不同宽度的全壁厚板条拉伸试样。PSL2 X65Q管线用无缝钢管的纵向拉伸断后伸长率统计如图2所示。

图2（a）统计数据为3 219个，平均值为38.6%，标准差为4.65%，平均值的标准误差为0.098%，板条拉伸断后伸长率≥25%，满足API Spec 5L—2012标准规定的选用最大截面积485 mm2，使用公式（Af为规定的最小断后伸长率，%；C为常数；AXC为适用拉伸试样横截面积，mm2；U为规定的最小抗拉强度，MPa）计算得到的断后伸长率≥23%的要求，也能满足OED-TP-104—2009标准断后伸长率≥25%的要求；图2（b）统计数据为213个，平均值为29.5%，标准差为2.05%，平均值的标准误差为0.147%，圆棒拉伸断后伸长率≥23%，满足API Spec 5L—2012标准规定的选用截面积130 mm2计算得到的断后伸长率≥18%的要求，说明该钢级管线用无缝钢管有优良的塑性。

图2 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的纵向拉伸断后伸长率统计

同时需要指出：①相同规格、钢级管线用无缝钢管采用板条拉伸和圆棒拉伸得到的屈服强度和抗拉强度差别不大，只是板条拉伸断后伸长率远远大于圆棒拉伸，这是因为板条拉伸试样的横截面积远远大于圆棒试样；②相同规格、钢级管线用无缝钢管采用API Spec 5L—2012标准的50 mm定标距与采用5.65（S0为适用拉伸试样横截面积，mm2）比例标距计算得到的断后伸长率也存在巨大差别，这是因为拉伸变形的伸长主要发生在颈缩部分，比例标距规定的长度远远大于50 mm，在伸长量差别不大的情况下，标距越大，断后伸长率越小。

2.3 屈强比

通常认为，金属材料的屈强比越大，材料屈服后的塑性范围越小，这对于工程输气管道、尤其是支线接管连接处应力与应变集中区域等，意味着塑性可变形量和安全裕度的减小［3］。PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈强比统计如图3所示。

图3 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈强比统计

图3统计数据为3 432个，平均值为0.84，标准差为0.024，平均值的标准误差为0.000 46。从图3可以看出：PSL2 X65Q管线用无缝钢管的屈强比最大值为0.92，多数在0.82~0.88，可满足OED-TP-104—2009标准屈强比≤0.89的要求，也较好地做到了强塑性匹配。

2.4 横向拉伸

当管线用无缝钢管外径≥219.1 mm时，也有某些客户要求做横向拉伸试验，根据不同外径和壁厚横向拉伸试验可采用横向展平全壁厚板条拉伸试样和小直径圆棒试样。在总结PSL2 X65Q管线用无缝钢管大量纵横向（展平）拉伸试验的基础上，可得到比较典型的纵横向拉伸曲线，试验所用PSL2 X65Q管线用无缝钢管规格为Φ355.6 mm×15.9 mm，横向拉伸为展平试样。PSL2 X65Q管线用无缝钢管的纵横向拉伸曲线如图4所示。

图4 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的纵横向拉伸曲线比较

从图4可以看出：与纵向拉伸曲线相比，X65Q管线用无缝钢管的横向展平拉伸曲线平滑，无屈服平台，得到的屈服强度略低于纵向，抗拉强度高于纵向。这是因为横向试样在展平过程中发生了变形，钢管外径越小，变形越大，相当于钢管内壁产生了拉应变，外壁产生压应变，而应变产生大量位错，使得强度升高。

2.5 模拟应变时效

进行了小样模拟从2.5%到7.5%拉应变和250℃保温1 h的时效试验，再加工成Φ12.7 mm的圆棒试样进行拉伸试验。不同应变下X65Q管线用无缝钢管的拉伸曲线如图5所示。

从图5可以看出：原试样的均匀伸长率大于10%，说明加工硬化指数n∧0.1，满足抗大变形管线的两个重要特点［4］；并且2.5%拉应变后试样的均匀伸长率∧8%，满足GS EP PLR 201—2012 Fabrication of Seamless Pipes for Pipelines（Sweet Service）标准未应变时效均匀伸长率≥8%、应变时效后均匀伸长率≥6%的要求。

图5 不同应变下PSL2 X65Q管线用无缝钢管的拉伸曲线

3 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的冲击性能

3.1 冲击功

统计PSL2 X65Q管线用无缝钢管4种尺寸横向V型2 mm缺口冲击试样在0℃的冲击功，如图6所示。

图6 PSL2 X65Q管线用无缝钢管在0℃的横向冲击功统计

图6（a）统计数据为550个，平均值为276.6 J，标准差为28.19 J，平均值的标准误差为1.21 J，全尺寸（10 mm×10 mm×55 mm）试样冲击功最小为160 J，大部分在240~320 J，远远大于API Spec 5L—2012标准冲击功≥27 J和 OED-TP-104—2009标准冲击功≥100 J的要求；图6（b）统计数据为105个，平均值为226.1 J，标准差为26.27 J，平均值的标准误差为2.56 J，3/4尺寸（10 mm×7.5 mm×55 mm）试样冲击功最小为140 J，大部分在180~260 J；图6（c）统计数据为103个，平均值为168.4 J，标准差为16.19 J，平均值的标准误差为1.59 J，2/3尺寸（10 mm×6.7 mm×55 mm）试样冲击功最小为110 J，大部分在140~180 J；图6（d）统计数据为78个，平均值为118.4 J，标准差为11.53 J，平均值的标准误差为1.32 J，1/2尺寸（10 mm×5 mm×55 mm）试样冲击功最小为90 J，大部分在105~135 J。因此，PSL2 X65Q管线用无缝钢管具有优异的冲击韧性。

3.2 韧脆转变曲线

韧脆转变温度（FATT）决定了管线钢的低温性能，是衡量管线钢脆性转变的重要指标，其大小直接影响了管线钢的使用范围。材料的韧脆转变温度一般使用标准V型缺口在不同温度进行夏比冲击试验来测定。典型的PSL2 X65Q管线用无缝钢管的韧脆转变（FATT50）曲线如图7所示，试验用无缝钢管规格为Φ323.9 mm×16 mm，屈服强度 510 MPa，抗拉强度600 MPa。

图7 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的韧脆转变曲线

由图7可看出：Φ323.9 mm×16 mm规格PSL2 X65Q管线用无缝钢管的韧脆转变温度（FATT50）低于-80℃，从生产数据来看PSL2 X65Q管线用无缝钢管的韧脆转变温度可以保证在-60℃以下。

3.3 应变时效

应变时效敏感性系数越大，管材对应变时效越敏感，应变时效后的管材韧性越差，钢变脆［5］。根据GB/T 4160—2004《钢的应变时效敏感性试验方法（夏比冲击法）》标准［6］要求，进行了从2.5%到7.5%应变和250℃保温1 h的时效，加工成10 mm×10 mm×55 mm的横向V型2 mm缺口冲击试样，进行-30℃冲击韧性试验，应变时效敏感性系数与应变的关系如图8所示。

图8 应变时效敏感性系数与应变的关系

从图8可以看出：应变≤5.0%并时效后的冲击功降低较为缓慢，冲击功降低值 ∧10%，对于抗大变形管线和卷管海上施工管线塑性应变大都≤5.0%，应变时效后管材仍具有很好的韧性；应变∧5.0%后冲击功降低较迅速。因为随着施加拉应变的增加，钢管加工硬化现象越发明显，强度升高，韧性降低。

4 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的硬度性能

用98 N的载荷，将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入PSL X65Q管线用无缝钢管的横截面，以其压痕面积除载荷所得之商，即为其维氏硬度值。PSL2 X65Q管线用无缝钢管的平均硬度统计如图9所示。

图9 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的平均硬度统计

图9统计数据为2 621个，平均值为198.8 HV10，标准差为12.38 HV10，平均值的标准误差为0.24 HV10。从图9可以看出：PSL2 X65Q管线用无缝钢管的最大硬度小于260 HV10，大多集中在180~220 HV10，满足API Spec 5L—2012标准硬度≤270 HV10要求的同时，还可以满足OED-TP-104—2009标准硬度≤230 HV10的要求，甚至对于酸性服役环境PSL2 X65QS管线用无缝钢管可满足硬度≤220 HV10的要求。

5 PSL2 X65Q管线用无缝钢管的性能控制

5.1 钢种设计

天津钢管PSL2 X65Q管线用无缝钢管，其钢种采取以低碳含Mn钢为基础辅以微合金元素强化的钢种设计，根据不同外径和壁厚添加少量的Cr、Mo元素来提高钢的淬透性［7-8］；添加Nb、V微合金强化元素细化晶粒，以提高钢的强韧性指标；添加适量的Cu、Ni元素提高钢的低温韧性；采用纯净钢质冶炼技术，减少了钢中夹杂物含量，严格控制S和P含量；在炼钢生产时设定各个元素波动范围和目标值［9］，确保最终钢的碳当量或者冷裂纹系数变化很小，为减小力学性能波动提供了保证。

5.2 调质热处理

天津钢管对所冶炼的管线钢都绘制了连续冷却转变曲线（CCT曲线），这是进行热处理的基础，加之通过多年生产经验摸索出的管线钢碳当量或者冷裂纹系数与性能的关系，都为制订合理的热处理工艺打下了基础。同时，配有的“旋转内喷+外淋”和“旋转浸入式+内喷”淬火设备，可根据钢管的不同外径和壁厚选择合适的淬火工艺，确保整管的淬透性和均匀性；然后进行高温回火，最终得到的组织均匀细小，晶粒度可达到8级及以上水平，确保调质后的管线用无缝钢管成品具有优良的力学性能。

6 结 语

通过对天津钢管PSL2 X65Q管线用无缝钢管力学性能的统计及试验研究，证实PSL2 X65Q管线用无缝钢管具有屈服强度波动范围小、屈强比低、塑性高、低温韧性优良、硬度低、抗腐蚀性能好等特点。这些特点不仅可以满足海洋管线用管的苛刻要求，并可适用于抗大变形管线和卷管施工方式管线的生产，为深海管线的国产化奠定基础。

［1］ American Petroleum Institute.API Spec 5L—2012 Specification for line pipe［S］.45th.2012.

［2］黄炜，安碧丽．金属材料强度、塑性和冲击韧性的规范化表达［J］.中国科技期研究，2007，18（2）：338-339.

［3］李晓红，辛希贤，樊玉光.高强度管线钢屈强比参数的一些探讨［J］.石油机械，2006，34（9）：105-107.

［4］王伟，严伟，胡平，等．抗大变形管线钢的研究进展［J］.钢铁研究学报，2011，23（2）：1-6.

［5］周晓锋，史庆志，张传友．PSL2 X65深海卷管的研制［J］.钢铁研究，2011，39（3）：33-35.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 4160—2004钢的应变时效敏感性试验方法（夏比冲击法）［S］.北京：中国标准出版社，2004.

［7］胡克迈，傅继成，张传友.X56钢级海底无缝管线管的研制［J］.钢管，2006，35（1）：43-46.

［8］肖鸿光.HSL450S海底管线管的开发［J］.钢管，2008，37（2）：23-28.

［9］周晓锋，史庆志，张传友，等．卷管式铺管作业管道用X65 钢级无缝管线管综合评价［J］.钢管，2011，40（5）：21-25.