海底管线钢X65MO韧性研究

孙照阳，胡学文，张永青,余宣洵,杨 森

(1.马鞍山钢铁股份有限公司 安徽马鞍山 243002;2.中信金属股份有限公司 中信微合金化技术中心 北京 100020)

管道输送石油天然气是目前油气输送最经济合理的方式[1]，而海底管线是将海洋平台开采的油气资源向陆地长距离输送的重要方式。由于海洋环境较陆地更为恶劣，对海底管线的施工和运营安全性的要求远高于陆地管线，因此，海底管线焊管需满足高强度、高韧性、良好的焊接性要求[2]。随着海底开采油气的井深越来越深和工况越来越复杂，对钢管应具有的高强度、高冲击韧性、耐高压、耐腐蚀性、抗低温和抗挤毁的特定要求进一步提高。本文结合X65MO海底管线钢的实际生产，重点研究了热轧板卷的韧性性能。

材料的韧脆转变温度是衡量材料韧脆型转变倾向的重要指标，决定着材料低温韧性的优劣，直接影响着材料的应用范围[2]；夏比冲击性能则是评价冲击韧性的重要依据，反映了材料在剧烈冲击载荷下裂纹起裂及扩展过程[3]。落锤撕裂试验是以全厚度的试样进行冲击试验，更能全面的反应材料的真实韧性性能。本文研究了一种海底管线钢X65MO在不同温度下的冲击韧性，根据冲击吸收能量和剪切断面率确定了其韧脆转变温度，分析了不同温度下的冲击断口的形貌特征[4]。

1 试验材料及方法

试验材料为海底管线钢X65MO，化学成分(质量分数，%)见表1。试验材料经再结晶区和未再结晶区两阶段轧制和控制冷却，成品钢卷规格为20.6×1881 mm。

表1 试验钢化学成分 %

按照GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》标准，夏比冲击试样取自钢板宽度1/4处横向，试样缺口垂直于钢板轧制表面。冲击试样采用10×10×55 mm规格夏比V型缺口试样，按照GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准，在ZBC2452-2型摆锤冲击试验机上依次进行-80℃-0℃夏比冲击试验，温度间隔为20℃，液体控温介质为无水乙醇，保温时间为5 min。每个试验温度下进行3次冲击试验并记录冲击吸收功，观察断面计算剪切断面率。冲击断口试样采用无水乙醇浸泡，用SB2200-HT型超声波清洗仪清洗3 min，随后用吹风机迅速将冲击断口吹干，使用Quanta 450型扫描电子显微镜观察不同温度的冲击断口形貌。

DWTT试样按照API RP 5L3标准进行加工：长305±5 mm、宽75±1.5 mm，厚度为全厚度。为了保证试验的准确性，每个温度下选取两个标准试样进行测试。试验按照API RP 5L3标准进行，试验设备采用威海市试验机制造有限公司制造的试验机，型号JL-50000，最大冲击能量为50000 J。加工好的试样两个为一组，依次放入温度为0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃、-50℃保温箱中保温至少25 min，为保证温度均匀，低温槽内的液体保持流动。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

表2为该海底管线钢X65MO在不同温度下测得的冲击吸收能量以及根据断口评定出的剪切断面率。由表2数据可知，随着试验温度降低，冲击吸收能量和剪切断面率均逐渐减小。

表2 试验钢夏比冲击性能

按API RP 5L3标准要求，试验后将试样断裂表面与经过标定的一组被标定出百分比面积的实际试样相比较，最后得出不同试验温度下，DWTT断口面积中韧性断裂区所占百分比如表3所示。

表3 不同试验温度下断口面积中韧性断裂区所占百分比

图1为该海底管线钢X65MO在不同试验温度下的冲击断口微观形貌。由图1可知，随着试验温度降低，断口形貌由韧窝逐渐转变为解理；随着试验温度降低，韧窝尺寸和深度逐渐减小。0℃和-20℃下冲击断口形貌为尺寸较大的等轴韧窝和围绕在其周围的尺寸较小的韧窝，韧窝的深度较大；-40℃和-60℃下冲击断口形貌为尺寸较小的韧窝，尺寸和深度均开始减小，并存在极少的解理区域；-80℃下冲击断口形貌为扇形解理花样，部分区域仅存在少量小而浅的韧窝。

2.2 韧脆转变曲线

根据表2可绘出图2所示的平均冲击吸收能量-试验温度、平均脆性断面率-试验温度曲线。

图1 试验钢在不同试验温度的微观断口形貌

图2 冲击吸收能量、脆性断面率与试验温度曲线

由图2的冲击吸收能量与试验温度曲线可知，在-40-0℃温度区间，冲击吸收能量均值随温度降低而出现的降幅较小，-40℃下的冲击吸收能量均值仍超过300 J；-80℃-40℃温度区间，冲击吸收能量均值随温度降低而出现的降幅较大，-60℃下冲击吸收能量均值为202 J，-80℃下的冲击吸收能量均值为26 J。若将冲击吸收能量均值达到上平台的50%时(175J)作为韧脆转变温度ETT50的判定点，则该海底管线钢X65MO的ETT50为-67℃。

由图2的脆性断面率与试验温度曲线可知，在-60℃～0℃温度区间，脆性断面率均值随温度降低未发生显著变化，-60℃下的脆性断面率仅为15%；-80-60℃温度区间，脆性断面率随温度降低显著上升，-80℃下脆性断面率达到了97%。若将脆性断面率达到50%时作为韧脆转变温度的判定点，则该海底管线钢X65MO的FATT50为-69℃。

2.3 落锤撕裂试样形貌

落锤撕裂试样在不同温度下的断口形貌见图3。

图3 不同试验温度下DWTT断口形貌

从断口形貌中可以看出，在温度高于-30℃时，断口中呈现明显的韧性断裂，而随着试验温度的降低，在-40℃和-50℃时，断口中韧性断裂的痕迹急剧降低，出现脆性断裂，且脆性区域越来越大。随着试验温度的降低，试样的中心部位最先出现脆性断裂。

3 结论

海底管线钢X65MO在0℃和-20℃下冲击断口形貌为尺寸较大的等轴韧窝和围绕在其周围的尺寸较小的韧窝，韧窝的深度较大；-40℃和-60℃下冲击断口形貌为尺寸较小的韧窝，并存在极少的解理区域；-80℃下冲击断口形貌为扇形解理花样，部分区域仅存在少量小而浅的韧窝；

试验钢的断口分离现象与试验温度存在一定的关系，主要发生在韧脆转变区中的 -60℃-40℃温度区间， -80℃-60℃和-40℃-0℃温度区间未出现明显的断口分离现象；

分别采用冲击吸收能量达到上平台50%和脆性断面率达到50%作为韧脆转变温度的判定依据，确定出海底管线钢X65MO的韧脆转变温度为：ETT50=-67℃，FATT50=-69℃；

落锤撕裂断口中韧性断裂区所占百分比随着温度的降低而显著减少，尤其是温度降到-40℃以下时，韧性断裂区所占百分比低于50%。