某油建公司L360NB弯管力学性能异常原因分析

李 娜，陈 斌，殷亚运，孙晓栋

（1陕西铁路工程职业技术学院机电工程系，陕西渭南710043；2洛阳船舶材料研究所，河南洛阳 471039）

随着石油天然气能源的开发利用，其输送管道通常要求高力学性能的管线钢，而针对长运输管道的建设需要大量与主干线管道力学性能相匹配的弯管[1-2]。因此，弯管是长输管道中服役条件较为苛刻，其力学性能决定管道失效与否，整个管道事故中所占的比例最高[3-4]。L360NB是一种新型无缝低碳微合金钢，主要用于石油和天然气的运输，在海底管线、低温管线中应用较多，屈服强度大于360MPa[5-6]。然而，在加热弯管的制造过程中，由于弯管不同部位显微组织存在差异，导致力学性能差异较大，造成弯管失效[7-10]。这就需要进一步研究其失效原因，为后续制造过程提供理论和数据支撑。本文针对某油建公司容器厂煨弯的L360NB弯管力学性能检验发现多个弯管力学性能异常，与母材相比强度几乎升高一倍，冲击韧性大幅下降，且每个弯管各部位性能差别巨大。为了分析其原因，对弯管不同部位进行了取样并测试拉伸性能及硬度，观察其金相组织，研究结果为煨弯工艺的改进提供一定参考。

1 试验材料与方法

选取已经失效的L360NB弯管，其化学成分见表1。

表1 L360NB管线钢的化学成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of pipe line steel L360NB (wt.%)

采用电子万能试验机测试失效L360NB管线钢的拉伸性能，根据ASTM-2013标准选定拉伸试样的尺寸，拉伸速率设置为1mm/min，每组测试3个平行试样并取其平均值评价接头性能。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能试验结果

材料的屈服强度是试样受拉伸发生屈服现象时的屈服极限，即抵抗微量塑性变形的应力；抗拉强度是试样受拉断裂前所能承受的最大工程应力，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力；硬度是试样局部抵抗硬物压入其表面的能力。基于此，针对已经失效的L360NB弯管，截取其不同部位进行力学性能试验，分析该弯管不同部位的拉伸性能和硬度测试结果。表2为已失效的L360NB弯管不同部位与其对应的试件编号。

表2 已失效的L360NB管线钢不同部位试件编号Table 2 The specimen number of different parts of failed pipe line steel L360NB

已失效的L360NB弯管力学性能测试结果如图1～图3所示，由测试结果可知，直管段试件A的各项力学性能指标正常，满足L360NB的要求。将试件按硬度顺序排列为：A＜B＜G＜F＜E＜C＜D，按强度顺序排列为：A＜B＜G＜F＜C＜E＜D，延伸率的顺序与强度顺序相反。强度和硬度顺序只有试件C和E的顺序颠倒，其余均一致。

图1 已失效的L360NB管线钢不同部位试样屈服强度和抗拉强度Fig. 1 The yeild and tensile strength of the different strengths of the different parts of failed pipe line steel L360NB

图3 已失效的L360NB管线钢不同部位试样硬度值Fig. 3 The hardness values of the different parts of failed pipe line steel L360NB

2.2 组织表征结果

试件A是尚未弯管的直管，其性能与组织代表母管,显微组织如图4所示，可以看出组织呈现带状组织的特征，为珠光体和铁素体组织。试件B组织与试件A类似，显微组织如图5示，显微组织仍为珠光体和铁素体，也有带状组织，表明起弯点组织变化不明显。试件C、D、E组织均为马氏体，试件C组织如图6所示，试件D组织如图7所示，试件E组织如图8所示。试件F组织主要由贝氏体组成，如图9所示。试件G的组织如图10所示，显微组织仍为珠光体和铁素体，且已无带状组织，表明原先的珠光体和铁素体在加热时已转变成奥氏体，冷却下来转变成等轴的珠光体和铁素体。

图4 试件A的光镜显微组织 400×Fig. 4 Optical microstructure of specimen A 400×

图5 试件B的光镜显微组织 400×Fig. 5 Optical microstructure of specimen B 400×

图6 试件C的光镜显微组织 400×Fig. 6 Optical microstructure of specimen C 400×

图7 试件D的光镜显微组织 400×Fig. 7 Optical microstructure of specimen D 400×

图8 试件E的光镜显微组织 400×Fig. 8 Optical microstructure of specimen E 400×

图9 试件F的光镜显微组织 400×Fig. 9 Optical microstructure of specimen F 400×

图10 试件G的光镜显微组织 400×Fig. 10 Optical microstructure of specimen G 400×

2.3 讨论与分析

已失效的L360NB弯管力学性能差异较大，主要是由于显微组织差异性较大，对照各试件显微组织可知，凡是强度高的试件，金相组织均为硬度很高的马氏体组织；凡是组织为与母材类似的珠光体+铁素体，其强度与母材差别不大；试件F主要为贝氏体组织，强度介于前两组试件之间。L360NB弯管在服役过程中，由于其工艺特点，组织转变受下列因素影响：

(1) 根据油建公司提供，煨弯时直管通过感应圈中频加热达到980℃，煨弯过程边加热边喷水冷却。尽管加热温度已到奥氏体区，平衡组织本应是单相奥氏体，但快速加热使组织转变滞后，可能仅达到奥氏体+铁素体区，所以高频、中频淬火通常属于亚稳奥氏体淬火，即使快速冷却，得到马氏体组织，可能仍保留少许未转变成奥氏体的铁素体，在本次金相观察中见到过这种情况。

(2) 钢线管与感应圈的同心度在煨管时不易保证，钢线管煨弯过程椭圆度逐渐加大，各部位与感应圈的距离在不断变化，受热不均匀程度加剧，最后获得的组织也会有差异，导致性能不均匀。

(3) 同时有形变作用存在，有些类似形变热处理。现代钢材控轧技术使钢的性能大幅提高，近半数的钢线管为控轧产品。钢线管煨弯时的形变量有限，各个试件的形变量均低于20%，达不到同时保持钢的塑韧性不降低，强度大大提高的效果。且小于20%的形变量反会加速晶界迁移，促使晶粒长大，晶粒长大会使得性能恶化。此外，钢管煨弯时各部位形变量是不同的，对其最终性能不均匀是有影响的。

(4) 影响最大的因素仍然是煨管的工艺参数：感应加热温度，冷却速度，推进速度以及煨管后的回火，最后获得什么组织，主要由工艺参数决定。

综上所述，煨管后其强度、塑韧性取决于获得的显微组织，因形成马氏体组织使强度可以达到很高的水平，但是弯管各部性能又很不均匀。需要提出的是，煨管后要进行590℃的消应力退火，实际上也是一次高温回火，但其着眼点是去除残余应力，而非改善组织。从组织观察看，虽然也能看到有回火处理的痕迹，但强度高的试件，其组织基本上仍维持马氏体原貌。如能调整回火温度，保温时间，达到消除马氏体，使其转变成回火索氏体，则综合性能均得以改善，残余应力也可得到消除。

3 结论

(1) L360NB弯管力学性能差异较大，弯管部分试件强度过高是因为其组织是硬脆的马氏体，组织与母材差异越小，其强度与母材差异也越小。

(2) L360NB弯管受热程度不均匀以及各个部位形变量不同，造成弯管各部组织、性能不同。

(3) 建议可以从调整回火温度着手，制定完善的回火工艺，消除马氏体组织，以达到改善组织和性能的目的。