Nb 含量对X70 钢级直缝埋弧焊管组织及强韧性的影响

何小东，张永青，HAN David，陈越峰，杨耀彬

（1. 中国石油集团工程材料研究院有限公司·石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，陕西 西安 710077；2. 国际焊接研究中心，陕西 西安 710077；3. 中信金属股份有限公司，北京 100004）

管道输送是石油和天然气最高效、经济的运输方式，尤其是X70 钢级及以上的大直径长输管道。在20 世纪80年代早期，人们就采用加入Nb 来设计新一代高强度低合金钢[1]，充分利用Nb 的固溶和析出行为，结合热机械轧制（Thermo-mechanical Controlled Process，TMCP）工艺，达到细化晶粒、控制相变和析出强化的效果，从而获得高强度高韧性的钢材，如X70、X80 管线钢。而对于X70 钢级及以上的高钢级管线钢，其成分设计大都是低碳（超低碳）的Mn-Nb-Ti 或Mn-Nb-V（Ti）合金体系，同时还加入Mo、Ni、Cu 等元素提高淬透性，并通过TMCP 工艺细化晶粒，得到针状铁素体、贝氏体乃至马氏体组织[2]。因此，Nb 是生产高级别管线钢必不可少的微合金化元素[3]，它可以起到细化晶粒和沉淀强化的作用。当同时加入Mo 与Nb 时，Mo 在控轧过程中可抑制奥氏体再结晶，进而促进奥氏体显微组织的细化[4]。而且，已有研究表明，晶粒大小、析出相分布、位错密度及位错形态等微观结构对X80 管线钢的强度、韧性、脆性转变温度有明显的影响[5]。

近20年来，我国在高钢级管线钢开发及工程应用方面取得了巨大进步。西气东输二线管道工程的成功建设使我国从X70 管道建设的“追跑者”成为了X80管道的“领跑者”。虽然，X70、X80 高级别管线钢已在我国西气东输一线、二线和中俄东线等天然气管道工程中得到了大规模的应用，但不可否认的是，国内早期的X70 和X80 管线钢仍有大部分依赖于国外进口[6-14]。2000年，以西气东输一线为工程背景，我国开展了高钢级X70 管线钢的研究和开发。西气东输一线天然气管道工程全长4 000 km，焊管用量约为156.7 万t，其中60.7 万t螺旋缝埋弧焊管用X70 卷板由国内厂家提供，而能生产X70 钢级宽厚板及X70 钢级直缝埋弧焊管的厂家较少，约85%的直缝埋弧焊管依赖国外进口。2003年，我国开始X80 管线钢的研制，并于2004年在西气东输管道工程冀宁支线建设了长度为7.8 km 的X80 试验段。2007年，国内X80 钢级宽厚钢板、卷板和焊管的试制工作全面展开，并在西气东输二线工程得到大规模的应用，国产化率达到90%[15]。但是，壁厚25.4 mm 以上的X80 钢级直缝埋弧焊管仍以进口为主。因此，我国对X70钢级及以上管线钢的研究和应用历史较短，在大直径、厚壁高钢级管道化学成分设计、轧制工艺和组织性能等相互之间的影响规律尚待进一步完善和系统研究。

本文针对不同Nb 含量的X70 直缝埋弧焊管，采用拉伸、夏比冲击和落锤撕裂试验测试了其强度和韧性，并采用金相显微镜和透射电镜分析了管体的微观组织，探讨了X70 直缝埋弧焊管的成分、组织和强韧性的关系，以期为X70 管线钢的成分设计、轧制工艺和制管焊接工艺的进一步优化提供理论基础。

1 试验材料及方法

试验材料为Φ1 219 mm×22 mm X70 钢级直缝埋弧焊管，其实测化学成分见表1。表1 中，XG20、XG22 和XG23 分别代表不同成分的样品编号，其成分设计主要合金元素为C、Mn、Cr，以及极少量的Mo、Ni、Cu 和Nb、V、Ti 微合金元素。XG20 和XG23 钢管成分设计的Nb 含量为0.075%，但XG23 钢管的C 含量为0.058%，略高于XG20钢管的C 含量0.048%；而XG22 钢管成分设计的Nb 含量为0.046%，C 含量为0.053%。XG20、XG22 和XG23 钢管母材的S、P、N 元素含量极低，冷裂纹敏感系数（CEPcm）范围为0.150%～0.162%，具有良好的焊接性。试验用X70 直缝埋弧焊管均采用低碳微合金控轧管线钢板经JCOE 成型后，再进行内、外多丝埋弧焊接。

表1 X70 钢级直缝埋弧焊钢管的化学成分（质量分数）%

分别在埋弧焊接头和距焊缝180°位置管体横向制备矩形拉伸试样，试样宽度为38.0 mm，标距为50 mm，采用SHT4106 材料试验机，依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》测试钢管的拉伸性能。在距焊缝90°管体横向和埋弧焊接头取样，制取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm 的V 型缺口夏比冲击试样，并采用PIT752D-2 冲击试验机，依据GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行系列温度夏比冲击试验。同时，在距焊缝90°管体横向制备尺寸为305 mm×76.2 mm×22 mm 的落锤撕裂试验（Drop-weight Tear Test，DWTT）试样，借助HIT50KP大能量摆锤冲击试验机依据SY/T 6476—2017《管线钢管落锤撕裂试验方法》测试DWTT 试样断裂过程中的力-位移曲线和断裂吸收能量及断口的剪切面积百分比。用OLS 4100 激光共聚焦显微镜和JEM-2100F 高分辨透射电子显微镜分析了钢管的微观组织特征。

2 试验结果及讨论

2.1 强度及韧性

不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的拉伸性能对比如图1 所示。由图1（a）可知，X20、XG22和XG23 圆棒和矩形试样表现为连续屈服，拉伸应力-应变曲线为“拱顶”型。图1（b）所示为管体横向矩形试样拉伸性能对比，结果表明，XG20、XG22和XG23 的拉伸屈服强度Rt0.5、抗拉强度Rm、屈强比和断后伸长率（图1c）均满足API Spec 5L—2019《管线钢管规范》要求，且XG20、XG23 的屈服强度和抗拉强度均高于XG22。图1（d）表明，3 种Nb含量的X70 钢级埋弧焊焊接接头的抗拉强度大小关系与管体横向的抗拉强度大小关系一致，即XG23XG20 XG22，其值均满足API Spec 5L 要求，且试样均在母材处断裂。

图1 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的拉伸性能对比

不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的夏比冲击吸收能量对比如图2 所示。结果表明，X70 钢级直缝埋弧焊管管体横向和焊接接头热影响区的夏比冲击吸收能量和断口剪切面积百分比均符合API Spec 5L 要求。由图2（a）可知，XG20、XG22 和XG23 管体横向在-70 ℃以上的平均冲击吸收能量均高于290 J，具有优良的冲击韧性，其韧-脆转变温度（DBTT）低于-80 ℃；但在-70～20 ℃，XG20 和XG23 管体横向的平均夏比冲击吸收能量略高于XG22，且在-80 ℃以上时XG23 管体横向的冲击吸收能量保持相当稳定的水平。由图2（b）可知，-80℃时，XG20 外焊道热影响区仍具有较好的冲击韧性，其冲击吸收能量平均值大于100 J；在-10 ℃以上，XG20 外焊道热影响区的平均冲击吸收能量高于XG22 和XG23。按50%上平台能计算韧-脆转变温度，XG20 钢管埋弧焊接头热影响区的韧-脆转变温度为-74 ℃，XG22 钢管埋弧焊接头热影响区的韧-脆转变温度为-56 ℃，XG23 钢管埋弧焊接头热影响区的韧-脆转变温度为-51 ℃。因此，较高Nb 含量的XG20 埋弧焊管的热影响区具有更好的低温韧性，而较高Nb 含量的XG23 热影响区的低温韧性与较低Nb 含量的XG22 的热影响区低温韧性相近，这可能与XG23 钢管较高的C 含量和原始组织状态有关。

图2 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的夏比冲击吸收能量对比

不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的DWTT韧-脆转变曲线如图3 所示。结果表明，XG20、XG22 和XG23 钢管在-5 ℃下的DWTT 断口剪切面积百分比符合API Spec 5L 要求。同时，XG20 和XG23 钢管的DBTT分别为-44 ℃和-37 ℃，而XG22钢管的DBTT为-30 ℃。因此，XG20 和XG23 钢管的DBTT低于XG22。这也表明，XG20 和XG23 钢管具有更好的低温韧性。XG20、XG22 和XG23 钢管在典型温度-5 ℃和-30 ℃下的DWTT 断口形貌如图4～6 所示。表明，在-5 ℃时，3 种Nb 含量的X70 钢级直缝埋弧焊管管体DWTT 断口的剪切面积百分比相近。但是，当试验温度降低至-30 ℃，Nb 含量较高的XG20 和XG23 管体的DWTT 断口的平均剪切面积百分比明显高于Nb 含量较低的XG22 管体。

图3 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管的DWTT 韧-脆转变曲线

图4 XG20 钢管典型温度下的DWTT 断口形貌

图5 XG22 钢管典型温度下的DWTT 断口形貌

图6 XG23 钢管典型温度下的DWTT 断口形貌

不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管典型温度下DWTT 的力-位移曲线如图7 所示。在20 ℃时，XG20 和XG23 落锤撕裂试验过程中启裂能略高于XG22，而XG22 的裂纹稳态扩展能大于XG20 和XG23；试验温度为-5 ℃时，XG22 的总的吸收能量和裂纹稳态扩展能大于XG20 和XG23；但温度降低至-20 ℃时，XG20 和XG23 试样缺口根部启裂后裂纹能够稳态扩展，而XG22 启裂后迅速失稳扩展。因此，Nb 含量较高的XG20 和XG23 钢管的低温断裂韧性好于Nb 含量较低的XG22 钢管。

图7 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管典型温度下DWTT 的力-位移曲线

2.2 微观组织分析

金相分析表明，XG20、XG23 管体表面附近、壁厚1/4 处和壁厚中心的显微组织为B粒+PF+MA，平均晶粒度均为11.5 级，夹杂物为0.5 级；而XG22 的表面附近和壁厚中心的显微组织以PF+B粒为主，壁厚1/4 处为B粒+PF，平均晶粒度均为11.0级，夹杂物为0.5 级。不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管管体壁厚中心的显微组织如图8 所示。

图8 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管管体壁厚中心的显微组织

不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管管体的透射电子显微镜（Transmission electron microscope，TEM）组织形貌如图9 所示。结果表明，在XG20铁素体尺寸较大，很少以长的板条状存在，位错数量也较少；M/A 岛多以规则的块状存在，长条状的M/A 岛数量较少；小颗粒析出相主要位于晶粒内部，少量处于晶界处。XG22 管体组织的晶粒内部有着高密度的位错，同时晶粒内部分布着一些析出相，析出相的平均间距 500 nm；同时，也可以清楚看到位错的形态，以及主要分布在晶内的析出颗粒，其平均尺寸在30 nm 左右。XG23 管体有较多的板条贝氏体存在，晶内位错密度较高，M/A 岛多以条状分布在基体中，其组织形态更接近于X80钢级管线钢。

图9 不同Nb 含量X70 钢级直缝埋弧焊管管体的TEM 组织形貌

2.3 讨论与分析

由于XG20、XG22 和XG23 钢管的化学成分和显微组织存在一定差异；因此，含Nb 较高的XG20 和XG23 管体的强度和韧性高于XG22 管体的，但XG22 管体的断后伸长率大于XG20 和XG23 管体的。在0 ℃以上进行落锤撕裂试验时，XG22 钢管管体的变形能力较大，其冲击吸收能量高于XG20 和XG23；温度低于0 ℃时，XG22 钢管的DWTT 吸收能量迅速降低，并且裂纹扩展过程中可能出现脆性失稳。

一般情况下，位于晶界的析出相有钉扎晶界的作用，内部的析出相对于晶粒长大的阻碍作用有限，但对阻碍位错的运动则有显著地贡献，在变形过程中，析出相可以与位错发生相互作用。对于XG20 钢管，析出相对晶界的钉扎起到了一定的强化作用。与XG20 相比，XG22 钢管中的析出相数量接近，且晶界处分布较少；因此，析出相对晶界的钉扎作用更弱。XG23 析出相数量减少，且主要分布于晶内，但轧制过程的形变强化引入的位错数量较多，且XG23 中板条界也较多，平均宽度较小，可以有效阻碍位错的运动，形成位错胞或位错缠结，从而使其强度提高。

3 结 论

（1） 随着Nb 含量的升高，X70 钢级直缝埋弧焊管管体的显微组织由PF+B粒为主转变为以B粒为主，平均晶粒尺寸也更细小；在其他成分相同情况下，C、Nb 含量，组织类型、析出相及位错密度对X70 钢级管线钢的强韧性具有重要影响。

（2） 对于Nb 含量为0.046%和0.075%的X70钢级直缝埋弧焊管，管体横向拉伸应力-应变曲线为典型的“拱顶”型，屈服强度、抗拉强度、屈强比和断后伸长率均满足API Spec 5L 要求。但含Nb较高的X70 钢级直缝埋弧焊管管体横向的屈服强度和抗拉强度均高于含Nb 较低的X70 钢级；Nb含量相同时，C 含量越高，其屈服强度和抗拉强度也越高。

（3） 对于Nb 含量较高的X70 钢级直缝埋弧焊管，其管体横向的韧-脆转变温度更低，具有更好的低温冲击韧性，钢管启裂后不易失稳扩展。但Nb 含量较低的X70 钢级钢管的韧-脆转变曲线具有更高的上平台能。

（4） 对于X70 钢级直缝埋弧焊管，Nb 含量较高、C 含量较低的钢管（XG20）的热影响区具有更好的低温韧性，其韧-脆转变温度低于Nb含量较低的X70 钢级钢管（XG22）。

致谢：感谢巴西矿冶公司（Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao）对本项目的支持。