X70QS钢级酸性低温管线管热处理工艺研究

夏文斌，赵映辉，黄电源，谢凯意

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

管线管主要用于陆地和海上长距离输送石油天然气等，在国民经济的发展中占有举足轻重的地位；因此，其经济性、安全性和连续性受到各国的广泛关注［1-4］。随着油田逐渐向边远和地理、气候条件恶劣的地带发展，以及为了提高管道输送效率、降低能耗、减少投资和运营费用，大管径、高压以及海底、高寒和腐蚀环境服役已成为管道运输的发展趋势，因而对管线管的强度、低温韧性、焊接性和抗腐蚀性都提出了更高、更严格的要求［5-6］。

目前，低碳微合金高强度高韧性钢成为管线钢的研究热点，其主要采用低碳以及微合金化（加入Cr、Mo和Nb等）管线钢，再通过热处理形成具有高密度位错亚结构的非等轴针状铁素体，从而获得优异的综合力学性能［7］。至今，X80以下钢级的管线钢组织主要为针状铁素体，而且未来20年在管道应用中仍将以X70、X80钢级针状铁素体管线钢为主。工程用针状铁素体管线钢的组织是一种混合型组织形态，由准多边形铁素体、超细铁素体、贝氏体铁素体、M/A组元等组成，其具有优良的强韧性、较强的形变强化抗力和良好的焊接性和耐腐蚀性能［8］。然而，如何制定或优化热处理工艺制度，确定合适的针状铁素体比例和不同组织的配比以保证高的强韧性配合，并具有优异的低温冲击韧性，及深入研究其强韧化机制，仍是管线钢组织控制研究的主要方向［9-10］。

对X70QS钢级酸性低温管线钢进行一系列温度的调质处理，通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验及显微组织观察，研究不同热处理工艺对该酸性低温管线钢力学性能，特别是低温韧性的影响，以期为高钢级管线管热处理工艺制度的制定或优化提供依据。

1 试验材料与方法

试验材料为某工厂生产的X70QS钢级热轧态钢管，其钢锭为某公司自产的连铸圆坯料，经过连轧管机轧制成Φ244.48 mm×20 mm规格X70QS钢级管线管。X70QS钢级管线管的化学成分见表1。

表1 X70QS钢级管线管的化学成分（质量分数） %

将试验用钢管截成长度为300 mm的管段样，在试验炉中进行5种不同工艺的热处理试验，具体热处理工艺及其参数见表2。

表2 不同的热处理工艺及其参数

调质后的钢管试样按ASTM A 370—2013《钢制品力学性能试验方法和定义》加工拉伸和夏比V型缺口冲击试样，并进行试验。拉伸取样方向为纵向，冲击取样方向为横向，试样尺寸为全尺寸。

打磨淬火和调质后的试验钢管的横截面，利用FV-700型维氏硬度计进行硬度测试（持续时间5 s），在试验钢的横截面近外表面、中间和内表面各测试3个点，然后求平均值。在莱卡DM6000M金相显微镜上进行组织观察，金相试样的腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能和低温韧性

X70QS钢级酸性低温管线管经不同调质工艺处理后的力学性能见表3，在不同淬火（水淬）温度下的力学性能变化情况如图1所示。从表3可以看出：除工艺二屈服强度偏低外，其余4种工艺的机械性能均满足API Spec 5L—2012《管线钢管规范》对X70QS钢级的要求。从图1可以看出：随着淬火温度的升高，强度出现降低趋势，经880～930℃淬火后强度变化较平缓，但淬火温度达到950℃时，抗拉强度和屈服强度较其他工艺降低了100 MPa左右，并且随着淬火温度的升高，-40℃冲击韧性出现明显下降趋势；在930℃及以上温度淬火，试验管出现明显的低温脆性断裂，这与冲击功随着淬火温度的升高而逐渐降低的趋势一致。

从表3来看：工艺二的强度较工艺一降低较多，但试验钢经工艺二热处理后表现出优异的低温韧性。这是由于油淬时的冷却速度较慢，淬火时奥氏体转化不完全，试验钢有较多等轴铁素体所致。

表3 X70QS钢级酸性低温管线管经不同调质工艺处理后的力学性能

图1 X70QS钢级酸性低温管线管在不同淬火（水淬）温度下的力学性能

X70QS钢级酸性低温管线管在不同淬火态（水淬）和调质态的维氏硬度变化趋势如图2所示。从图2可以看出：随着淬火温度的升高，试验钢淬火态和调质态的硬度均出现降低趋势，这与强度随温度升高而降低的趋势相吻合。这与不同淬火工艺会使试验钢获得不同类型和含量的组织有关，从而出现维氏硬度的变化。

图2 X70QS钢级酸性低温管线管在不同淬火态（水淬）和调质态的维氏硬度变化趋势

2.2 显微组织

X70QS钢级酸性低温管线管在不同淬火态和调质态的显微组织如图3所示。从图3可以看出：不同调质工艺的淬火态和调质态的显微组织差别均比较大。采用水淬方式时，880℃（工艺一）淬火态组织为贝氏体和少量针状铁素体，而随着淬火温度的升高，针状铁素体的含量逐渐增加；900℃（工艺三）和930℃（工艺四）淬火态组织为贝氏体和呈细长条状的针状铁素体；当淬火温度增加到950℃（工艺五），针状铁素体的宽度开始显著变宽，含量也明显增加。但淬火温度为880℃采用油冷时（工艺二），由于冷却速度较慢，组织为等轴状的块状铁素体和少量贝氏体。这与淬火组织的显微硬度随淬火温度增加而减少的趋势一致，因为贝氏体的硬度要高于针状铁素体的硬度［7］，随着淬火温度的增加，针状铁素体所占的比例逐渐增加，故淬火态组织的硬度随之逐渐减少。一般认为X70QS钢级管线钢组织的再结晶温度≥950℃［11］，所以在950℃保温时会出现晶粒长大，从而使针状铁素体明显变宽，而880℃油淬后组织大部分为块状铁素体，所以此工艺淬火态组织的显微硬度最低。

图3 X70QS钢级酸性低温管线管在不同淬火态和调质态的显微组织

调质态的组织明显受到淬火工艺的影响，淬火态组织经回火后针状铁素体板条明显变粗，且晶粒内有碳化物析出，晶界处有点状M/A组元。采用水淬工艺时，随着淬火温度的升高，形状杂乱的针状铁素体逐渐增多，且板条逐渐变粗，880℃水淬工艺调质态组织中的针状铁素体含量约为30%，900℃、930℃和950℃淬火的调质态组织中针状铁素体的含量分别在40%、55%和70%左右，尤其是950℃水淬时针状铁素体板条明显变得粗大；而880℃油淬工艺淬火组织和调质组织相差不大，都为多边形铁素体和少量贝氏体。文献［12-13］认为，100%的针状铁素体具有高的强度，但韧性较低，韧-脆转变温度较高，低温冲击性能不佳。而提高韧性的有效方法是通过调整淬火工艺获得多边形铁素体和细针状铁素体。所以，淬火温度较高的工艺四和工艺五，其调质态组织中针状铁素体含量较多，且板条较宽，低温冲击性能较差；而调质态组织中针状铁素体较少和较细的工艺一和工艺三，以及多边形铁素体含量较多的工艺二，其低温冲击性能较好。

2.3 生产验证

采用工艺一处理Φ244.48 mm×20 mm规格X70QS钢级酸性低温管线管，对其中的180个样本进行分析，其-40℃低温冲击功和剪切面积百分比的直方图如图4所示。从图4可以看出：-40℃冲击功平均值约为292 J，剪切面积百分比平均值约为97%，说明采用工艺一生产X70QS钢级酸性低温管线管，其冲击功较高、性能稳定，表现出良好的韧性断裂。

图4 X70QS钢级酸性低温管线管-40℃低温冲击功和剪切面积百分比的直方图

3 结 论

（1）淬火工艺对X70QS钢级酸性低温管线管的组织和性能有显著影响，在相同冷却速度下，随着淬火温度的升高，组织中针状铁素体的含量逐渐增加，板条逐渐粗化，进而使钢管的强度和低温韧性逐渐降低；而在相同淬火温度时，降低冷却速度会使组织中铁素体多边形化，钢管的低温韧性升高，但强度降低。

（2）X70QS钢级酸性低温管线管经880～900℃淬火（水淬）+600℃回火后具有最佳的强度和低温韧性匹配。