X90高强度螺旋埋弧焊管组织性能研究*

刘刚伟， 毕宗岳， 牛 辉， 刘 斌，刘海璋，赵红波，杨耀彬，马 璇

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

X90高强度螺旋埋弧焊管组织性能研究*

刘刚伟1,2， 毕宗岳1,2， 牛 辉1,2， 刘 斌1,2，刘海璋1,2，赵红波1,2，杨耀彬1,2，马 璇1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

对工业生产的X90管线钢及X90钢级φ1 219 mm×16.3 mm钢管成型、水压后的组织和力学性能进行了研究。结果表明，工业生产的X90管线钢微观组织主要以粒状贝氏体（GB）/贝氏体铁素体（BF）为主，并且心部组织中粒状贝氏体含量较高，而1/4处多以贝氏体铁素体为主；力学性能方面，卷板屈服强度Rp0.2为623～651 MPa，钢管成型后Rp0.2为542～568 MPa，钢管水压后Rp0.2为635～657 MPa；另外，试验材料在厚度方向的硬度呈V形变化趋势。该试验结果为工业化生产X90钢管积累了一定的试验数据。

螺旋埋弧焊管；X90；力学性能；屈服强度；显微组织；硬度

高压大流量长距离油气输送已经成为国际石油天然气管线的发展方向。然而管道输送能力直接受到强度水平的影响，为了更经济的将油气输送到目的地，长输管道所采用的钢管强度级别不断提高[1-4]。根据测算，管道建设相关数据的同样输量情况下，管材强度每提高一个等级，可节约钢材使用量7%～8%，节约管道建设成本3%～5%。与X80钢级相比，西气东输四线/五线如果采用X90管线钢管可减少用钢量23万t/44万t，节省管材采购成本14.1/26.6亿元。X90及更高钢级的管线钢是高强度、高韧性输送管材的发展方向[5-9]。

开发X90及以上钢级已经提到我国石油天然气管线建设的议事日程，目前我国对于X90管线钢的研究相对较少，笔者以工业试生产的X90螺旋埋弧焊管为研究对象，重点对X90钢管在生产过程中材料力学性能的变化进行了研究，为日后大规模工业化生产提供更多的技术支撑。

1 试验材料及方法

试验材料选用国内某钢厂生产的X90钢级热轧卷板，规格为1 550 mm×16.3 mm，生产的螺旋埋弧焊管规格为φ1 219 mm×16.3 mm，其化学成分见表1。

表1 X90试验钢的化学成分 %

为了使卷板和试验钢管取样位置相对应，卷板所有取样均按轧制30°方向（成型角）取样。金相试样和冲击试样在板宽1/4处切取，拉伸试样在板宽1/2处切取，试样编号为1#。

管线钢管在服役过程中承受内压力，其主要服役强度是钢管在横向（环向）的拉伸强度，因此2#和3#试样沿试验钢管横向切取，拉伸试样在距焊缝180°位置切取。其次，为了避免包辛格效应对材料强度的影响，本试验采用未被展平的圆棒试样进行拉伸试验；金相和冲击试样在距焊缝90°位置切取。

金相试样用4%硝酸酒精溶液侵蚀，在日立S－3700冷场扫描电子显微镜下观察组织；在CMT5505微机控制电子万能试验机上进行室温板拉伸；冲击试验采用V形缺口在JB800型冲击试验机上进行；硬度试验在司特尔Durascan－70全自动维氏硬度机上进行，载荷为10 kg。

2 试验结果分析

2.1 显微组织分析

图1 X90管线钢的显微组织形貌

X90管线钢的组织形貌如图1所示。从图1可以看出，试验用钢的显微组织主要以粒状贝氏体和板条形的贝氏体铁素体为主。X90管线钢的心部组织粒状贝氏体含量比1/4处较高，且粒状贝氏体中的M/A呈岛状分布，较为弥散的分布于铁素体基体上，这是由于心部冷却速率较慢所致，板条贝氏体（贝氏体铁素体）组织的形成温度低于粒状贝氏体组织，且组织粗大。X90管线钢厚度的1/4处组织以板条贝氏体铁素体为主，粒状贝氏体组织含量相对较少，且较为均匀细小；板条贝氏体中的M/A是短棒状且沿板条束分布，对于高钢级管线钢采用的低碳设计原理获得的板条贝氏体组织，其板条束比较清晰可见，板条之间和板条内均无渗碳体型碳化物，而是存在一些细小的M/A组元，岛状组织沿板条方向排列，板条内存在大量的位错[10-12]。粒状贝氏体基体含有高密度位错的等轴铁素体，但位错密度低于贝氏体铁素体的位错密度，从而粒状贝氏体的强度较贝氏体铁素体的强度低。

2.2 力学性能

表2为工业试制的X90钢级 φ1 219 mm×16.3 mm焊管及热轧卷板在不同状态的力学性能。其中，1#为热轧卷板的力学性能，2#为冷成型后钢管的力学性能，3#为水压试验后钢管的力学性能。水压试验采用实际生产情况定制的SYMS 95%水压，可使管体均匀变形量达到0.2%。根据API 5L以及X90螺旋埋弧焊管技术条件，原材料采用φ12.7 mm圆棒试样，钢管采用φ8.9 mm圆棒试样。

表2 X90管线钢及其钢管的力学性能

从表2可看出，1#试样的Rp0.2为626～651MPa，2#试样的 Rp0.2为 542～568 MPa， 3#试样的 Rp0.2为635～657 MPa，3种状态下的抗拉强度Rm均在740～758 MPa。X90管线钢从卷板到成型再到水压后3种不同的冷变形状态下，试验钢管屈服强度出现“V”字形变化规律，这是由于原料采用φ12.7 mm圆棒试样，包含了整个厚度方向的3/4以上，而2#和3#试样采用φ8.9 mm圆棒试样，去掉了上下表面的硬化层，使2#和3#试样测试结果更偏向于材料心部的力学性能。另外，试验用钢在3种状态下对抗拉强度影响不大，均在740 MPa以上。1#，2#和3#试样的冲击韧性总体变化不是很明显，水压后3#试样的冲击韧性略有降低，这可能是由于加工硬化现象所致。由于DWTT性能主要由有效晶粒尺寸所决定，在钢管制造过程中不发生晶粒尺寸的变化，因此1#，2#和3#DWTT试验结果没有发生变化，剪切面积均达到了100%。

图2为X90管线钢在不同状态沿厚度方向的维氏硬度分布情况。首先从1#试样可以清楚的看到，从边部到心部的硬度分布基本呈“V”字形变化，最高处在距边部2 mm处为256 HV10，在距边部9 mm左右即中心位置为225 HV10，硬度值相差31。经过成型水压后的3#试样壁厚方向的维氏硬度分布趋于一致，最高硬度值与最低硬度值相差5。

图2 X90管线钢形变强化前后厚度方向硬度分布

3 讨 论

本试验研究的X90螺旋埋弧焊管厚度方向1/4处位置在轧制以及冷却过程中能较好的控制参数，所以获得的组织以板条贝氏体（贝氏体铁素体）为主，心部由于冷却过程中冷速较慢，所以组织多以粒状贝氏体为主；贝氏体铁素体组织中的硬相M/A以短杆状分布，且内部存在较高密度的位错，导致1/4位置具有较高的强度，而心部的粒状贝氏体组织位错密度较贝氏体铁素体低，M/A以小岛状分布在等轴铁素体基体上，所以心部的屈服强度较低。另外，对于厚度较大的卷板，其厚度方向的变形程度、冷速分布和温度分布不均匀，心部组织较1/4处粗大，这也是导致心部强度降低的主要原因之一。因此，高强度X90管线钢所获得的低碳贝氏体组织不是单一的贝氏体组织，是以粒状贝氏体和板条贝氏体（贝氏体铁素体）混合的组织，这样可使板条贝氏体的板条束尺寸不至于过分长大，包含硬脆相M/A组元的粒状贝氏体中含量也不会过高，因此可表现出较好的强韧性，这样可在获得高强度的同时具有较高韧性。

热轧卷板在生产过程中上下表面要进行喷水冷却工艺，表面的冷却速度大于心部，冷却速度越大，形核激活能越大，形核率也增大，所以相变后的组织越细小，导致表面的显微组织比心部的组织强度高，使2#试样屈服强度Rp0.2有所降低。但是3#试样是在2#试样冷成型后的钢管上进行了水压打压试验，通过测量管体周长的变化情况，发现管体产生了0.2%的变形量，使得3#试样屈服强度有了很大的提升。这是由于高钢级管线钢具有较高的形变强化指数，形变强化能力越强，材料的强度随变形能力的提高而上升，使得3#试样屈服强度有了很大的提升[13-14]。可以看出，X90管线钢形变强化效果较为明显，形变量为0.2%时屈服强度增幅较大，但屈强比与钢铁材料的塑性并非呈线性关系，钢的塑性变形包括均匀延伸和颈缩后的局部集中延伸两部分，当对金属进行冷加工时，晶体内部会增加较大的畸变能，相应的就会有一定的残余应力，促进铁素体晶界及其内部可动位错滑移，最后导致位错在晶界处或第二相处形成塞积，即可动位错密度减小，制管变形后，可动位错减少量大，塑性降低，断后延伸率会有少量损失。

另外，板条贝氏体中较细的板条和高密度位错的缠结等决定了其硬度要明显高于粒状贝氏体。上下表面冷却速度较快，冷却温度较低，而温度越低M/A组元越多，并且M/A中硬相马氏体的含量会增加，这导致从边部到心部材料的硬度呈减小变化趋势。经过成型水压试验后，高钢级X90管线钢发生了较为显著的形变强化效果，特别是心部的强度得到了进一步提升，这是因为在变形前，心部组织的屈强比较低，边部屈强比较高，屈强比越低，其后的形变强化效果越显著，反之，形变强化效果不明显。我们知道，硬度是材料力学性能的综合体现，并且与材料的强度具有明显的正比例关系，从表2可以看出材料心部的硬度值得以提高。从而可知，经过适当的水压试验后组织强度可均匀提升。

4 结 论

（1）16.3 mm厚X90管线钢厚度方向上存在不同的组织形貌，心部组织多以粒状贝氏体为主，并且显微组织较为粗大；而1/4处多以板条贝氏体组织为主，组织细小，这是造成成型后材料厚度方向屈服强度和硬度降低的主要原因。

（2）X90管线钢管通过水压试验，变形量0.2%时，管体形变强化效果较为显著，增幅在70～100 MPa，并且使钢管横向各部分硬度等性能得到了均匀分布，有效改善了厚度方向力学性能不均匀的现象。

［1］黄志潜.黄志潜文集（第一卷）[M].西安：陕西科学技术出版社，2006：71－75.

［2］衣海龙，薛鹏，崔荣新，等.X80管线钢连续冷却过程中的相变研究[J].轧钢， 2008， 25（2）： 10－12.

［3］A SAHI H， HARA T， TSURU E， et al.Development of ultrahigh-strengthlinepipe X120[J].Nippon Steel Technical Report， 2004（90）： 70－75.

［4］钟勇，王忠军，单以银.热变形对超纯净管线钢组织的影响[J].材料研究学报， 2003， 17（3）： 304－309.

［5］王晓香.超高强度管线钢研发新进展[J].焊管，2010，33（2）： 5－12.

［6］张晓勇，高慧临，吉玲康，等.X100管线钢连续冷却转变的显微组织[J].材料热处理学报，2010，31（1）：62－63.

［7］ZHENG LEI， GAO SHAN.The devolopment of high performance pipeline steel in China[C]∥Proceeding of the International Pipeline Steel Forum.Beijing：[s.n.]， 2008：95－111.

［8］WEI W， SHAN Y， YANG K.TMCP process of ultrahighstrength pipeline steel[C]∥Proceeding of the International Pipeline Steel Forum， Beijing：[s.n.]， 2008： 180－186.

［9］孔祥磊，黄国建，黄明浩，等.X80管线钢连续冷却相变研究[J].金属热处理， 2010， 35（2）： 66－70.

［10］方鸿生，杨志刚，杨金波，等.钢中贝氏体相变机制的研究[J].金属学报， 2005， 41（5）： 451－453.

［11］尚成嘉，杨善武，王学敏，等.低碳贝氏体钢的组织类型及其对性能的影响[J].钢铁，2005，40（4）：59－60.

［12］张鹏程.成分、工艺对X80管线钢组织性能的影响[D].北京：北京科技大学，2007.

［13］高慧临.管线钢与管线钢管[M].北京：中国石化出版社，2010.

［14］翁宇庆.超细晶钢－钢的组织细化理论与控制技术[M].北京：冶金工业出版社，2003：36－37.

Study on Microstructure and Properties of High Strength X90 Grade SAWH Pipe

LIU Gangwei1,2,BI Zongyue1,2,NIU Hui1,2,LIU Bin1,2,LIU Haizhang1,2,ZHAO Hongbo1,2,YANG Yaobin1,2,MA Xuan1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

The mechanical properties and microstructure of industrially trial-produced X90 pipeline steel and two states（postforming,after-hydrostatic） of φ1 219 mm×16.3 mm specification steel pipe,were investigated.The results showed that the microstructure of X90 pipeline steels consist of granular bainite（GB） and bainitic ferrite（BF），in addition the central part contains more GB,a quarter of position contains more BF.In the aspect of mechanical properties,the plate yield strength Rp0.2was in range of 623～651 MPa,the yield strength Rp0.2was in range of 542～568 MPa postforming,and was 635～657 MPa after hydrostatic testing.In addition,the hardness of experimental material in the thickness direction showed a trend of"V"type change.The results accumulated a certain amount of test data for X90 steel pipe industrialized production.

SAWH pipe;X90;mechanical properties;yield strength;microscopic structure;hardness

TG113

A

1001-3938（2015）10-0009-05

中国石油天然气股份有限公司科技项目“X90/X100焊管开发及综合评价技术研究”（项目号2012E-2801-04）。

刘刚伟（1986―），男，工程师，硕士，主要从事油气输送管材研发工作。

2015－02－05

李红丽