X80管线钢组织热稳定性研究

林基艳,崔 巍,林 凯,尉 鹏

(1.榆林学院 信息工程学院,陕西 榆林 719000; 2.中化工储运有限公司,山东 烟台 261400;3.兖州煤业榆林能化有限公司,陕西 榆林 719000)

管线钢是用来制造输送石油、天然气等物质的输送管道及与之配套的各种管件的系列钢种,是随着油气输送管道的发展而发展起来的一类钢。为了降低输送成本,提高输送效益,管道应向高压力、大管径的方向发展,从而促使管线钢向高强度和高韧性发展[1-5]。输送管道施工建设中,根据地形的变化,常需要改变管道的方向,因此需要大量的弯管。弯管是油气输送管道的重要组成部分,它可以缓冲管道所在地域的地层迁移、外界环境温度的变化以及地震等附加在直管上的拉、压应力和扭矩作用,是管线中承载较为苛刻的重要构件之一。在已建成运行的管线中,与弯管质量相关的管线事故在所有管线事故中占有相当高的比例。弯管质量的好坏将直接影响到管道的安全运行,因此弯管的质量是制约管线安全运行的关键。西气东输二线是中国第一条引进境外天然气的大型管道工程,这条管道要翻山越岭,穿越湖泊、长江、黄河、珠江流域,一路上要适应不同的地形,这就需要很多弯管灵活的转变方向。因此对X80弯管的性能要求也就十分严格。

影响弯管产品性能的因素较多, 主要有原材料的化学成分、力学性能及加热温度、冷却方式、推制速度、加热带宽和弯后热处理工艺等[6-8]。其中,原材料的成分和性能对弯管制造工艺和弯后热处理工艺的制订起着决定作用;加热温度和冷却方式除影响弯管的力学性能外, 还将影响弯管的成形, 加热温度高、冷却速度快、推制速度慢、加热宽度窄都有利于减小弯管的椭圆度, 减少弯管的回弹;弯后热处理能够减小弯管的残余内应力, 改善弯管组织,提高弯管的韧性。因此,对弯管弯后热处理工艺进行系统的试验研究,提高弯管的强韧性,才能保证弯管运行的可靠性。本文通过对X80管线钢进行不同温度的热处理,了解X80管线钢热敏感性变化规律,研究X80钢组织及性能变化,为实际应用提供参考。

1 实验条件

1.1 实验材料

试验选用的材料为马钢生产的X80管线钢板材,其原始组织如图1所示,由图1可见,试验用X80管线钢板材的显微组织以呈块状分布的粒状贝氏体为主,辅之少量的多边形铁素体。其成分和力学性能如表1和表2所示,金相腐蚀液4%硝酸酒精溶液。

表1 X80管线钢的化学成分wt%

表2 X80管线钢的力学性能

图1 X80管线钢的显微组织

1.2 实验方法

将X80管线钢热稳定性试验分为四组(A、B、C、D),四组试样分别在SX-10-12型箱式电阻炉中加热到900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃,保温2个小时,然后将试样随炉冷到550 ℃,最后将试样空冷到室温。利用PME3-323UN型金相显微镜观察X80管线钢的显微组织;利用MH-5D型显微硬度计测量X80管线钢的显微硬度,载荷为0.98 N,保压时间为10 s,每个试样测试8次,取其平均值。

2 实验结果分析

2.1 加热温度对X80管线钢晶粒度和显微组织的影响

用直线截距法测试奥氏体晶粒度评定试验,采用公式1来计算奥氏体晶粒平均截距D,用公式2计算晶粒度G:

D=L/MN

(1)

G=-6.644 lgD-3.288

(2)

式中,L为距法所采用的直线长度,mm;M为显微镜放大倍数; D为晶粒平均截距,mm。

不同加热温度下X80试板铁素体晶粒大小的测试结果见表3。由表3可看出,随着加热温度的升高,X80钢的晶粒尺寸增加。当经过900 ℃热处理后,试验用X80钢的晶粒平均截距为6.9 μm,晶粒度11.6级,当经过1 000 ℃热处理后,试验用X80钢的晶粒平均截距为7.8 μm,晶粒度10.8级,在此温度下试验用X80管线钢具有较高的强韧性;当经过1 100 ℃热处理后,试验用X80钢的晶粒平均截距为10.5 μm,铁素体晶粒度评定为10级。当经过1 200 ℃热处理后,由于试验钢中微合金元素碳氮化合物的溶解,致使其对奥氏体晶粒粗化过程的抑制作用减弱或消失[9-12],引起奥氏体晶粒的急剧长大,晶粒平均截距可达25.7 μm,铁素体晶粒度评定为7.5级,X80级管线钢晶粒明显开始粗化。

表3 X80钢在不同加热处理温度下的铁素体晶粒尺寸

图2为不同热处理工艺下的金相组织,由图2可知,随着热处理温度的提高,晶粒发生长大、粗化,但其最终组织均为珠光体和铁素体[13-16]

图2 不同热处理温度后的金相组织图

2.2 加热温度对X80钢硬度的影响

表4为不同热处理工艺下X80管线钢的平均硬度值,同时为了更直观的反应试样经加热后的硬度分布以及硬度随加热温度的变化情况,给出了所测得的硬度分布情况如图3所示。综合硬度表以及硬度分布图可以看出X80管线钢分别经900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃以及1 200 ℃加热其硬度分布体现出一定的规律性,随着加热温度的升高,X80钢的硬度也随之下降,未经热处理的试样硬度为171.9 HV,900 ℃热处理后的试样硬度达均值为161.5 HV,当试样经过1000℃热处理后时,试样硬度均值降为151.9 HV,当试样经过1100℃热处理后,试样硬度值降了145.7 HV,在900 ℃～1 100 ℃热处理温度范围内,随着加热温度的升高硬度不断减小,但在900 ℃～1 000 ℃硬度减小幅度最大:当热处理温度超过1 100 ℃,随着温度继续上升硬度下降幅度变小,1 200 ℃热处理后的X80材料硬度下降为143.8 HV。研究证明,钢的硬度的高低一方面取决于试验钢晶粒度的大小,另一方面还与钢的化学成分有关[17-19]。试验结果表明:试验钢中,在获得同种显微组织的前提下,晶粒越细小,变形抗力越大,钢的硬度值越大,硬度随着尺寸的细化越来越大,同时随着温度不断升高,晶粒尺寸将会变大,硬度也将会下降。

表4 X80管线钢在不同热处理温度下的硬度值

图3 X80管线钢在不同温度下的硬度分布图

2.3 加热温度对X80钢试样抗弯强度影响

将不同热处理下的试样分别放在弯曲试验机上,加载载荷力分别观察试样弯曲角度变化如图4并截取每个图像上相同两点数据制成表5。

表5 弯曲角度与加载力对应表

图4 不同温度热处理后试样弯曲曲线图

通过观察图4,可以发现试样经过900 ℃热处理后,试样所能加载的最大载荷力为6 079.485 N,经过1 000 ℃热处理后的试样所能加载最大载荷力为6 078.536 N,经过1 100 ℃

热处理后的试样所能加载最大载荷力为5 790.017 N,经过1 200 ℃,热处理后的试样所能加载最大载荷力为4 987.166 N。通过表5,我们同时发现,在加载力为4 000 N时,900 ℃热处理后的试样弯曲角度只能达到2.3°,1 000 ℃热处理后的试样弯曲角度能达到3.5°,而经过1 100 ℃热处理后的试样弯曲角度能达到10.7°,1 200 ℃热处理后的试样弯曲角度能达到15.6°;当加载力为5 000 N时,900 ℃热处理后的试样弯曲角度只能达到5.5°,1 000 ℃热处理后的试样弯曲角度能达到7.6°,而1 100 ℃热处理后的试样弯曲角度达到了29.1°,1 200 ℃热处理后的试样弯曲角度达到了57.9°。

同时根据三点弯曲度计算公式3可以计算出每个温度下试样抗弯强度σb,如表6。

表6 不同温度下试样抗弯强度

(3)

式中,P是破坏载何力,N;L是跨距,mm;b是宽度,mm;h是厚度,mm。

分析表6可以发现,经过900 ℃热处理后试样的抗弯强度为125.4 MPa经过1 000 ℃热处理后试样的抗弯强度为124.9 MPa,经过1 100 ℃热处理后试样的抗弯强度为112.7 MPa,经过1 200 ℃热处理后试样的抗弯强度为102.4 MPa。综合两者,我们可以发现X80管线钢的抗弯强度随着温度升高而下降。

3 结论

对X80管线钢进行了不同的热处理工艺试验,研究了不同热处理工艺下的材料组织和力学性能的变化,得出以下结论。

(1)随着加热温度从900 ℃升到1 200 ℃,X80管线钢的晶粒尺寸从6.9 μm变为25.7 μm。

(2)随着加热温度从900 ℃升到1 200 ℃,X80管线钢的硬度由161.5 HV降为143.8 HV,其中900 ℃～1 000 ℃硬度减小幅度最大。

(3)随着加热温度从900 ℃升到1 200 ℃,X80管线钢的抗弯强度由125.4 MPa降为102.4 MPa。

(4)在900 ℃～1 200 ℃范围内,X80管线钢的热稳定性随着温度上升而下降。