周曉鋒，劉江成，張傳友，周家祥，張國柱

（天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津 300301）

近年來，能源結構的變化以及對能源需求的增長，極大地促進了長距離輸送管線的發(fā)展。管道輸送是長距離、大規(guī)模輸送石油和天然氣最經濟、最安全的運輸方式。為了增大輸送壓力，提高輸送效率，長距離石油天然氣輸送管線用管不斷向高鋼級、大壁厚發(fā)展。高強度管線鋼的應用可以降低管線工程的投資和運營費用，但同時也對管線用管的可靠性提出更高要求，特別是海洋管線，由于管道的鋪設方式復雜，作業(yè)環(huán)境苛刻，因此對其機械性能有著更高的要求。

本文將對天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）近6年PSL2 X65Q管線用無縫鋼管產品的拉伸性能、沖擊性能、硬度及相關性能試驗數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計和分析，并歸納其特點。

1 力學性能的要求

API Spec 5L—2012 標準［1］對 PSL2 X65Q 管線用無縫鋼管的力學性能要求見表1。

2 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的拉伸性能

2.1 屈服強度和抗拉強度

根據(jù)API Spec 5L—2012標準的要求，需要測定管線用無縫鋼管0.5%規(guī)定總延伸強度Rt0.5。在拉伸試驗中，將試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力稱為抗拉強度［2］。PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈服強度和抗拉強度統(tǒng)計如圖1所示。

圖1（a）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為3 432個，平均值為504.5 MPa，標準差為29.55 MPa，平均值的標準誤差為0.50 MPa，PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈服強度多集中在480~530 MPa，可滿足OED-TP-104—2009 Addendum to API 5L For Procurement of CMn Seamless Pipe For Reel Lay Installation標準屈服強度波動范圍≤100 MPa的要求；圖1（b）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為3 432個，平均值為603.5 MPa，標準差為26.94 MPa，平均值的標準誤差為0.46 MPa，抗拉強度多集中在580~630 MPa，很好地滿足了API Spec 5L—2012標準要求。

表1 API Spec 5L—2012標準對PSL2 X65Q管線用無縫鋼管力學性能的要求

圖1 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈服強度和抗拉強度統(tǒng)計

2.2 斷后伸長率

API Spec 5L—2012標準中規(guī)定測量50 mm定標距的斷后伸長率。根據(jù)該標準規(guī)定，對于壁厚≥19 mm的管線用管，縱向拉伸試驗可取直徑為12.7 mm的圓棒試樣；其他壁厚依據(jù)外徑不同截取不同寬度的全壁厚板條拉伸試樣。PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的縱向拉伸斷后伸長率統(tǒng)計如圖2所示。

圖2（a）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為3 219個，平均值為38.6%，標準差為4.65%，平均值的標準誤差為0.098%，板條拉伸斷后伸長率≥25%，滿足API Spec 5L—2012標準規(guī)定的選用最大截面積485 mm2，使用公式（Af為規(guī)定的最小斷后伸長率，%；C為常數(shù)；AXC為適用拉伸試樣橫截面積，mm2；U為規(guī)定的最小抗拉強度，MPa）計算得到的斷后伸長率≥23%的要求，也能滿足OED-TP-104—2009標準斷后伸長率≥25%的要求；圖2（b）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為213個，平均值為29.5%，標準差為2.05%，平均值的標準誤差為0.147%，圓棒拉伸斷后伸長率≥23%，滿足API Spec 5L—2012標準規(guī)定的選用截面積130 mm2計算得到的斷后伸長率≥18%的要求，說明該鋼級管線用無縫鋼管有優(yōu)良的塑性。

圖2 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的縱向拉伸斷后伸長率統(tǒng)計

同時需要指出：①相同規(guī)格、鋼級管線用無縫鋼管采用板條拉伸和圓棒拉伸得到的屈服強度和抗拉強度差別不大，只是板條拉伸斷后伸長率遠遠大于圓棒拉伸，這是因為板條拉伸試樣的橫截面積遠遠大于圓棒試樣；②相同規(guī)格、鋼級管線用無縫鋼管采用API Spec 5L—2012標準的50 mm定標距與采用5.65（S0為適用拉伸試樣橫截面積，mm2）比例標距計算得到的斷后伸長率也存在巨大差別，這是因為拉伸變形的伸長主要發(fā)生在頸縮部分，比例標距規(guī)定的長度遠遠大于50 mm，在伸長量差別不大的情況下，標距越大，斷后伸長率越小。

2.3 屈強比

通常認為，金屬材料的屈強比越大，材料屈服后的塑性范圍越小，這對于工程輸氣管道、尤其是支線接管連接處應力與應變集中區(qū)域等，意味著塑性可變形量和安全裕度的減?。?］。PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈強比統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈強比統(tǒng)計

圖3統(tǒng)計數(shù)據(jù)為3 432個，平均值為0.84，標準差為0.024，平均值的標準誤差為0.000 46。從圖3可以看出：PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的屈強比最大值為0.92，多數(shù)在0.82~0.88，可滿足OED-TP-104—2009標準屈強比≤0.89的要求，也較好地做到了強塑性匹配。

2.4 橫向拉伸

當管線用無縫鋼管外徑≥219.1 mm時，也有某些客戶要求做橫向拉伸試驗，根據(jù)不同外徑和壁厚橫向拉伸試驗可采用橫向展平全壁厚板條拉伸試樣和小直徑圓棒試樣。在總結PSL2 X65Q管線用無縫鋼管大量縱橫向（展平）拉伸試驗的基礎上，可得到比較典型的縱橫向拉伸曲線，試驗所用PSL2 X65Q管線用無縫鋼管規(guī)格為Φ355.6 mm×15.9 mm，橫向拉伸為展平試樣。PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的縱橫向拉伸曲線如圖4所示。

圖4 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的縱橫向拉伸曲線比較

從圖4可以看出：與縱向拉伸曲線相比，X65Q管線用無縫鋼管的橫向展平拉伸曲線平滑，無屈服平臺，得到的屈服強度略低于縱向，抗拉強度高于縱向。這是因為橫向試樣在展平過程中發(fā)生了變形，鋼管外徑越小，變形越大，相當于鋼管內壁產生了拉應變，外壁產生壓應變，而應變產生大量位錯，使得強度升高。

2.5 模擬應變時效

進行了小樣模擬從2.5%到7.5%拉應變和250℃保溫1 h的時效試驗，再加工成Φ12.7 mm的圓棒試樣進行拉伸試驗。不同應變下X65Q管線用無縫鋼管的拉伸曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：原試樣的均勻伸長率大于10%，說明加工硬化指數(shù)n∧0.1，滿足抗大變形管線的兩個重要特點［4］；并且2.5%拉應變后試樣的均勻伸長率∧8%，滿足GS EP PLR 201—2012 Fabrication of Seamless Pipes for Pipelines（Sweet Service）標準未應變時效均勻伸長率≥8%、應變時效后均勻伸長率≥6%的要求。

圖5 不同應變下PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的拉伸曲線

3 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的沖擊性能

3.1 沖擊功

統(tǒng)計PSL2 X65Q管線用無縫鋼管4種尺寸橫向V型2 mm缺口沖擊試樣在0℃的沖擊功，如圖6所示。

圖6 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管在0℃的橫向沖擊功統(tǒng)計

圖6（a）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為550個，平均值為276.6 J，標準差為28.19 J，平均值的標準誤差為1.21 J，全尺寸（10 mm×10 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為160 J，大部分在240~320 J，遠遠大于API Spec 5L—2012標準沖擊功≥27 J和 OED-TP-104—2009標準沖擊功≥100 J的要求；圖6（b）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為105個，平均值為226.1 J，標準差為26.27 J，平均值的標準誤差為2.56 J，3/4尺寸（10 mm×7.5 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為140 J，大部分在180~260 J；圖6（c）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為103個，平均值為168.4 J，標準差為16.19 J，平均值的標準誤差為1.59 J，2/3尺寸（10 mm×6.7 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為110 J，大部分在140~180 J；圖6（d）統(tǒng)計數(shù)據(jù)為78個，平均值為118.4 J，標準差為11.53 J，平均值的標準誤差為1.32 J，1/2尺寸（10 mm×5 mm×55 mm）試樣沖擊功最小為90 J，大部分在105~135 J。因此，PSL2 X65Q管線用無縫鋼管具有優(yōu)異的沖擊韌性。

3.2 韌脆轉變曲線

韌脆轉變溫度（FATT）決定了管線鋼的低溫性能，是衡量管線鋼脆性轉變的重要指標，其大小直接影響了管線鋼的使用范圍。材料的韌脆轉變溫度一般使用標準V型缺口在不同溫度進行夏比沖擊試驗來測定。典型的PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的韌脆轉變（FATT50）曲線如圖7所示，試驗用無縫鋼管規(guī)格為Φ323.9 mm×16 mm，屈服強度 510 MPa，抗拉強度600 MPa。

圖7 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的韌脆轉變曲線

由圖7可看出：Φ323.9 mm×16 mm規(guī)格PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的韌脆轉變溫度（FATT50）低于-80℃，從生產數(shù)據(jù)來看PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的韌脆轉變溫度可以保證在-60℃以下。

3.3 應變時效

應變時效敏感性系數(shù)越大，管材對應變時效越敏感，應變時效后的管材韌性越差，鋼變脆［5］。根據(jù)GB/T 4160—2004《鋼的應變時效敏感性試驗方法（夏比沖擊法）》標準［6］要求，進行了從2.5%到7.5%應變和250℃保溫1 h的時效，加工成10 mm×10 mm×55 mm的橫向V型2 mm缺口沖擊試樣，進行-30℃沖擊韌性試驗，應變時效敏感性系數(shù)與應變的關系如圖8所示。

圖8 應變時效敏感性系數(shù)與應變的關系

從圖8可以看出：應變≤5.0%并時效后的沖擊功降低較為緩慢，沖擊功降低值 ∧10%，對于抗大變形管線和卷管海上施工管線塑性應變大都≤5.0%，應變時效后管材仍具有很好的韌性；應變∧5.0%后沖擊功降低較迅速。因為隨著施加拉應變的增加，鋼管加工硬化現(xiàn)象越發(fā)明顯，強度升高，韌性降低。

4 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的硬度性能

用98 N的載荷，將頂角為136°的金剛石四方角錐體壓頭壓入PSL X65Q管線用無縫鋼管的橫截面，以其壓痕面積除載荷所得之商，即為其維氏硬度值。PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的平均硬度統(tǒng)計如圖9所示。

圖9 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的平均硬度統(tǒng)計

圖9統(tǒng)計數(shù)據(jù)為2 621個，平均值為198.8 HV10，標準差為12.38 HV10，平均值的標準誤差為0.24 HV10。從圖9可以看出：PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的最大硬度小于260 HV10，大多集中在180~220 HV10，滿足API Spec 5L—2012標準硬度≤270 HV10要求的同時，還可以滿足OED-TP-104—2009標準硬度≤230 HV10的要求，甚至對于酸性服役環(huán)境PSL2 X65QS管線用無縫鋼管可滿足硬度≤220 HV10的要求。

5 PSL2 X65Q管線用無縫鋼管的性能控制

5.1 鋼種設計

天津鋼管PSL2 X65Q管線用無縫鋼管，其鋼種采取以低碳含Mn鋼為基礎輔以微合金元素強化的鋼種設計，根據(jù)不同外徑和壁厚添加少量的Cr、Mo元素來提高鋼的淬透性［7-8］；添加Nb、V微合金強化元素細化晶粒，以提高鋼的強韌性指標；添加適量的Cu、Ni元素提高鋼的低溫韌性；采用純凈鋼質冶煉技術，減少了鋼中夾雜物含量，嚴格控制S和P含量；在煉鋼生產時設定各個元素波動范圍和目標值［9］，確保最終鋼的碳當量或者冷裂紋系數(shù)變化很小，為減小力學性能波動提供了保證。

5.2 調質熱處理

天津鋼管對所冶煉的管線鋼都繪制了連續(xù)冷卻轉變曲線（CCT曲線），這是進行熱處理的基礎，加之通過多年生產經驗摸索出的管線鋼碳當量或者冷裂紋系數(shù)與性能的關系，都為制訂合理的熱處理工藝打下了基礎。同時，配有的“旋轉內噴+外淋”和“旋轉浸入式+內噴”淬火設備，可根據(jù)鋼管的不同外徑和壁厚選擇合適的淬火工藝，確保整管的淬透性和均勻性；然后進行高溫回火，最終得到的組織均勻細小，晶粒度可達到8級及以上水平，確保調質后的管線用無縫鋼管成品具有優(yōu)良的力學性能。

6 結 語

通過對天津鋼管PSL2 X65Q管線用無縫鋼管力學性能的統(tǒng)計及試驗研究，證實PSL2 X65Q管線用無縫鋼管具有屈服強度波動范圍小、屈強比低、塑性高、低溫韌性優(yōu)良、硬度低、抗腐蝕性能好等特點。這些特點不僅可以滿足海洋管線用管的苛刻要求，并可適用于抗大變形管線和卷管施工方式管線的生產，為深海管線的國產化奠定基礎。

［1］ American Petroleum Institute.API Spec 5L—2012 Specification for line pipe［S］.45th.2012.

［2］黃煒，安碧麗．金屬材料強度、塑性和沖擊韌性的規(guī)范化表達［J］.中國科技期研究，2007，18（2）：338-339.

［3］李曉紅，辛希賢，樊玉光.高強度管線鋼屈強比參數(shù)的一些探討［J］.石油機械，2006，34（9）：105-107.

［4］王偉，嚴偉，胡平，等．抗大變形管線鋼的研究進展［J］.鋼鐵研究學報，2011，23（2）：1-6.

［5］周曉鋒，史慶志，張傳友．PSL2 X65深海卷管的研制［J］.鋼鐵研究，2011，39（3）：33-35.

［6］中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 4160—2004鋼的應變時效敏感性試驗方法（夏比沖擊法）［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［7］胡克邁，傅繼成，張傳友.X56鋼級海底無縫管線管的研制［J］.鋼管，2006，35（1）：43-46.

［8］肖鴻光.HSL450S海底管線管的開發(fā)［J］.鋼管，2008，37（2）：23-28.

［9］周曉鋒，史慶志，張傳友，等．卷管式鋪管作業(yè)管道用X65 鋼級無縫管線管綜合評價［J］.鋼管，2011，40（5）：21-25.