柏明卓，鄭 磊，張 備，許海生

(1.上海寶鋼中央研究院，上海 201900；2.上海寶鋼股份有限公司制造管理部，上海201900；3.上海寶鋼股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900)

基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70大直徑UOE管線管的研發(fā)

柏明卓1，鄭 磊1，張 備2，許海生3

(1.上海寶鋼中央研究院，上海 201900；2.上海寶鋼股份有限公司制造管理部，上海201900；3.上海寶鋼股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900)

研究了不同軋鋼工藝鋼的不同微觀組織以及這些微觀組織對(duì)管線鋼抗大變形性能的影響。篩選出抗大應(yīng)變管線鋼優(yōu)選的組織設(shè)計(jì)，并基于鐵素體+貝氏體的雙相組織設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了具有低屈強(qiáng)比、高均勻延伸率、高抗應(yīng)變時(shí)效性能的X70 UOE管線管，實(shí)現(xiàn)φ1 016mm×17.5mm和φ1 016mm×21.0mm規(guī)格UOE焊管的工業(yè)化生產(chǎn)。通過工業(yè)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析了板、管及時(shí)效后性能的變化規(guī)律，并研究了時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)抗應(yīng)變性能的影響。

焊管；基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)；X70；管線管；抗大變形；應(yīng)變時(shí)效；雙相組織

0 前言

近年來，天然氣等能源的開采越來越向地理?xiàng)l件惡劣的地區(qū)延伸。當(dāng)管線穿越地震帶、永久凍土帶等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)時(shí)，采用基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)成為提高管道運(yùn)行安全的新技術(shù)趨勢。當(dāng)管線管穿越地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū)時(shí)，需要具備應(yīng)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)造成的大變形的屈曲抗力，因此基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用管線管不僅需要滿足常規(guī)的應(yīng)力設(shè)計(jì)性能要求，縱向上則還需要具備良好的抗大應(yīng)變性能[1-3]。

鋼管要具有良好的抗大應(yīng)變性能，就要有很好的整體應(yīng)變能力，避免應(yīng)變集中的發(fā)生。這要求材料具有連續(xù)屈服、高均勻延伸率(UEL)、高硬化率(n)、低屈強(qiáng)比(Y/T)等特性[4-5]。研究表明，通過軟硬相的雙相組織設(shè)計(jì)，可以使材料的屈服過程分成軟硬相彈性變形、軟相塑性變形并強(qiáng)化+硬相彈性變形、雙相塑性變形的三個(gè)階段，這樣可以滿足材料的上述性能要求[6-7]。

實(shí)驗(yàn)室通過工藝控制獲得了幾種典型的管線鋼組織，并通過對(duì)比它們的抗應(yīng)變性能，優(yōu)選出X70抗大應(yīng)變管線鋼的最佳組織設(shè)計(jì)和工藝。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，并研究了鋼板到制管以及應(yīng)變時(shí)效后性能的變化規(guī)律。

由于管線管通常要在200～250℃進(jìn)行防腐涂覆，鋼管成型過程冷變形會(huì)引起鋼管應(yīng)變時(shí)效，導(dǎo)致鋼管性能的變化[8-10]。因此筆者也研究了時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)抗應(yīng)變管線管性能的影響。

1 X70抗大應(yīng)變管線鋼的組織設(shè)計(jì)研究

在中試試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了煉鋼、軋鋼試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)鋼的CCT圖設(shè)計(jì)了4種不同軋鋼冷卻工藝，如圖1所示。試驗(yàn)鋼通過500 kg真空感應(yīng)加熱爐冶煉，鑄成230mm×250mm×250mm的鑄錠。表1給出了試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分。

圖1 4種試驗(yàn)冷卻工藝示意圖

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 ％

鑄錠在實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上通過熱機(jī)械軋制和加速冷卻工藝熱軋成22mm厚鋼板。圖2為鋼板終軋后的4種冷卻工藝得到的鋼板微觀組織。工藝A是終軋之后空冷，鋼的組織轉(zhuǎn)變成先共析鐵素體和珠光體(PF+P)；工藝B采用兩階段冷卻，軋制后先空冷到先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)使先共析鐵素體形核析出，然后再加速冷卻得到先共析鐵素體和針狀鐵素體組織(PF+AF)；工藝C也采用兩階段冷卻，第二階段時(shí)冷速要求更快，終冷溫度更低，以得到先共析鐵素體和貝氏體(PF+B)雙相組織；工藝D是軋后直接加速冷卻得到針狀鐵素體和少量MA組織(AF+MA)。

圖2 4種工藝獲得的試驗(yàn)鋼的微觀組織

從試驗(yàn)鋼板上取縱向拉伸試樣，制成38.1mm規(guī)格的API SPEC 5L的全厚度試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及屈強(qiáng)比、均勻延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)等進(jìn)行了測試。

圖3和圖4分別給出了4種試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其力學(xué)性能。PF+P組織的A鋼具有明顯的Luders屈服平臺(tái)，其均勻延伸率最高，但是其抗拉強(qiáng)度最低，硬化率n很低，這種塑性變形過程容易使應(yīng)變集中在某一個(gè)位置發(fā)生，造成局部失穩(wěn)破壞，所以其應(yīng)變性能較差。PF+AF組織的B鋼在2％附近也表現(xiàn)出輕微的Luders屈服平臺(tái)，屈強(qiáng)比很高，這與軟硬相的強(qiáng)度差異過小有關(guān)。組織為AF+MA的D鋼也為連續(xù)屈服，但其屈服強(qiáng)度高，因此屈強(qiáng)比較高，均勻延伸率也最差。組織為PF+B雙相的C鋼則具有典型的拱頂型連續(xù)屈服的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，屈服強(qiáng)度不高，抗拉強(qiáng)度高，因此屈強(qiáng)比最低，硬化率n高；同時(shí)保持了很好的均勻延伸率。因此PF+B的雙相組織可以獲得良好的抗應(yīng)變性能，是應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用管線鋼的優(yōu)選組織設(shè)計(jì)。

圖3 4種試驗(yàn)鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 4種試驗(yàn)鋼板的拉伸性能比較

2 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)X70 UOE鋼管的工業(yè)化生產(chǎn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，以鐵素體為軟相、貝氏體為硬相的雙相組織，是基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用管線鋼的優(yōu)選組織設(shè)計(jì)。而其工藝關(guān)鍵是鋼板精軋結(jié)束后通過延遲冷卻獲得一定比例的鐵素體，之后快速冷卻使剩余的奧氏體轉(zhuǎn)變成硬相貝氏體。

基于以上工藝，通過300 t轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉、真空脫氣，然后連鑄成厚板坯。在5m軋機(jī)通過TMCP軋成UOE制管所需厚度為17.5mm和21.0mm的鋼板，然后通過ACC階段精確的溫度控制，進(jìn)行具有大變形性能的X70鋼板的工業(yè)化生產(chǎn)?？刂评鋮s采用了兩階段冷卻工藝。鋼板經(jīng)UOE制成規(guī)格為φ1 016mm×17.5mm和φ1 016mm×21.0mm的管線管，并應(yīng)用于中緬管道工程，常規(guī)性能滿足API SPEC 5L要求?？v向抗大變形性能要求見表2[11]。

表2 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70管線管縱向拉伸性能要求

X70鋼化學(xué)成分見表3。w(C)=0.05％～0.06％，采用Nb微合金化，并添加了Cr，Cu，Ni和Mo等元素。鋼中S和P含量很低，利于鋼的韌性。鋼的Ceq=0.44％，Pcm=0.19％。

工業(yè)化生產(chǎn)的X70鋼的典型微觀組織如圖5所示，組織由由細(xì)小的多邊形鐵素體和貝氏體組成，為典型的雙相組織?？刂畦F素體比例60％～70％。

表3 工業(yè)化生產(chǎn)的X70鋼化學(xué)成分 ％

圖5 工業(yè)化生產(chǎn)的兩種規(guī)格X70鋼板典型微觀組織

表4和表5分別為不同厚度X70 UOE管線管管體橫向性能和夏比沖擊、DWTT性能。鋼管管體強(qiáng)度滿足API SPEC 5L要求，屈強(qiáng)比很低。鋼管管體、熱影響區(qū)、焊縫的沖擊性能以及DWTT性能良好。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，其為典型的拱頂型，沒有Luders屈服平臺(tái)。均勻延伸率≥7％，Rt2.0/Rt1.0和Rt5.0/Rt1.0，應(yīng)力比Rt1.5/Rt0.5，屈強(qiáng)比≤0.83均滿足技術(shù)要求，具有很好的縱向拉伸變形性能。從圖6可以看出，時(shí)效后抗拉強(qiáng)度略有增加，均勻延伸率略有降低，曲線形狀仍保持典型的拱頂型，表明具有良好的應(yīng)變時(shí)效抗力。

表4 X70 UOE管線管橫向管體性能

表5 X70 UOE管線管夏比沖擊性能及DWTT性能

圖6 X70 UOE管線管時(shí)效前后的縱向拉伸曲線

表6為X70 UOE管線管時(shí)效前縱向性能。試樣在200℃，5min時(shí)效后縱向拉伸性能見表7。

表6 X70 UOE管線管縱向拉伸性能

表7 X70 UOE管線管200℃時(shí)效5min后的縱向性能

3 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70 UOE管線管的板、管性能變化研究

對(duì)鋼板、鋼管及時(shí)效后鋼管性能進(jìn)行了均值統(tǒng)計(jì)分析，表8和表9分別是鋼板制管前后及鋼管200℃，5min時(shí)效后縱向和橫向拉伸性能。由于管體橫向拉伸的板狀試樣，在壓平過程中的包辛格效應(yīng)，鋼管的屈服強(qiáng)度反而略低于鋼板。與常規(guī)X70相比，明顯具有低屈強(qiáng)比的特點(diǎn)?？v向拉伸性能制管后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均會(huì)升高，均勻延伸率顯著降低約2％；在200℃，5min時(shí)效后，強(qiáng)度和屈強(qiáng)比會(huì)進(jìn)一步升高，均勻延伸率則下降1％左右。制管后，Rt1.5/Rt0.5升高，另外兩個(gè)比值降低，說明應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀改變。時(shí)效后應(yīng)力比均會(huì)有所降低，但下降幅度不大。

為了更好的描述制管、時(shí)效后板、管性能的變化，將表9的數(shù)值以應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式表示出來，如圖7所示，Rt0.5～Rt5.0均值對(duì)應(yīng)各應(yīng)變點(diǎn)，Rm均值對(duì)應(yīng)UEL均值。這樣可以反映總體的變化規(guī)律，也可以避免單一取樣時(shí)從鋼板、鋼管到時(shí)效取樣位置不一致帶來的變化規(guī)律不對(duì)應(yīng)性。

表8 工業(yè)化生產(chǎn)的X70板、管橫向拉伸性能均值

表9 工業(yè)化生產(chǎn)的X70板、管及時(shí)效后縱向拉伸性能(均值)

圖7 鋼板、鋼管及時(shí)效后縱向拉伸性能變化規(guī)律

4 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70 UOE管線管抗應(yīng)變時(shí)效性能研究

根據(jù)不同的防腐要求和不同的防腐涂層的選擇，鋼管進(jìn)行涂覆時(shí)的加熱溫度不同。加熱溫度越高，應(yīng)變時(shí)效對(duì)性能的影響越是顯著。針對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70 UOE管線管抗大應(yīng)變性能的要求，需要了解應(yīng)變時(shí)效對(duì)抗大應(yīng)變性能的影響，尤其是連續(xù)屈服形式的變化，以確定涂覆后成品鋼管性能的變化以及選擇合適的防腐涂覆條件。

對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70的兩個(gè)規(guī)格管線管取樣進(jìn)行不同時(shí)效條件的時(shí)效試驗(yàn)(見表10)，分析時(shí)效條件對(duì)縱向拉伸性能的影響。采用油浴熱處理爐進(jìn)行加熱，在試樣上焊接熱電偶以確保溫度和加熱時(shí)間。

不同時(shí)效溫度后的性能如圖8所示。時(shí)效后總體上鋼管強(qiáng)度升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀變化不大。在225℃以下溫度時(shí)效，拉伸曲線保持連續(xù)屈服的拱頂型曲線，250℃時(shí)效出現(xiàn)輕微的屈服平臺(tái)。因此，工業(yè)化生產(chǎn)的X70管線管具有較好的抗應(yīng)變時(shí)效性能，在250℃以下溫度進(jìn)行熱涂覆，對(duì)成品鋼管的抗應(yīng)變性能不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

表10 兩組不同時(shí)效試驗(yàn)的時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間

圖8 時(shí)效溫度對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)X70鋼管拉伸性能的影響

在200℃進(jìn)行不同時(shí)間時(shí)效試驗(yàn)的性能結(jié)果如圖9所示。200℃保溫2min到10min，性能變化并不顯著。因此應(yīng)變時(shí)效對(duì)性能的影響對(duì)溫度較為敏感，對(duì)時(shí)效時(shí)間不敏感，這利于工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)鋼管有較寬的涂覆工藝窗口。

圖9 時(shí)效時(shí)間對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)X70鋼管拉伸性能的影響

5 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)室通過4種冷卻工藝獲得4種典型組織，確定了多邊形鐵素體+貝氏體的雙相組織具有良好的抗應(yīng)變性能，是基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70管線鋼的優(yōu)選組織設(shè)計(jì)。

基于鐵素體+貝氏體的雙相組織設(shè)計(jì)及兩階段的冷卻工藝，對(duì)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70 UOE管線管進(jìn)行了批量工業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)鋼管橫向性能滿足API 5L標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)縱向具有良好抗變形能力，滿足基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70的技術(shù)要求。工業(yè)化生產(chǎn)的X70鋼管時(shí)效前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀變化不大，未出現(xiàn)屈服平臺(tái)，具有良好的應(yīng)變時(shí)效抗力。

通過對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，確定了鋼板制管及時(shí)效后材料抗應(yīng)變性能的變化以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化。鋼板制管后，縱向拉伸的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均會(huì)升高，均勻延伸率顯著降低約2％；在200℃，5min時(shí)效后，強(qiáng)度和屈強(qiáng)比會(huì)進(jìn)一步升高，均勻延伸率還會(huì)下降1％左右。同時(shí)，制管后Rt1.5/Rt0.5升高，另外兩個(gè)比值降低，說明應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀改變。時(shí)效后應(yīng)力比均會(huì)有所降低，但下降幅度不大。

工業(yè)化生產(chǎn)的基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用X70鋼管具有良好的的抗應(yīng)變時(shí)效性能。250℃時(shí)效時(shí)鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線才出現(xiàn)輕微的屈服平臺(tái)，因此在250℃以下進(jìn)行熱涂覆，對(duì)成品鋼管的抗應(yīng)變性能影響不大。加熱時(shí)間對(duì)鋼管應(yīng)變時(shí)效后的性能影響不顯著，利于較寬的涂覆工藝窗口。

[1] SUZUKI N，TOYODA M.Seismic loading on buried pipelines and deformability of high strength linepipes[C]∥ProceedingsofInternationalConference on the Application and Evaluation of High-grade Linepipes in Hostile Environments，Yokohama，Japan：[s.n.]，2002：601-628.

[2] GLOVER A.Application of grade 550(X80)and grade 690(X100)in arctic climates[C]∥Proceedings of the International Pipe Dreamer’s Conference，Yokohama，Japan：[s.n.]，2002：33-52.

[3] YATABE H，F(xiàn)UKUDA N，MASUDA T，et al.Application of X80 in Japan：earthquake resistance[C]∥Proceedings of the 4th International Pipeline Technology Conference，Ostend，Belgium：[s.n.]，2004：1377-1396.

[4]李鶴林，李霄，吉玲康.油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)及抗大變形管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用[J].焊管，2007，30(05)：5-11.

[5] GLOVER A，ROTHWELL B.Yield strength and plasticity of high strength pipelines[C]∥Proceedings of the 4th InternationalPipeline Technology Conference，Ostend，Belgium：[s.n.]，2004：65-79.

[6] OKATSUM，SHINMIYAT，ISHIKAWAN，etal.Developmentofhigh strength linepipe with excellent deformability[C]∥24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，OMAE2005-67149，Halkidiki，Greece：ASME，2005.

[7] ISHIKAWA N，OKATSU M，ENDO S.High deformability UOE linepipes produced by advanced TMCP Technology[C]∥TMS eds.Proceedins of International Symposium on Microalloyed Steels for Oil& Gas Industry，Brazil：Araxa-MG，2006.

[8] SHIOHARA Y，HARA T，TSURU E，et al.Change of mechanical properties of high strength line pipe by themal coating yreatment[C]∥24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，OMAE2005-67055，Halkidiki，Greece：ASME，2005.

[9] 崔天成，鄭磊，吳海鳳.應(yīng)變時(shí)效對(duì)不同成分高強(qiáng)度管線鋼力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2010，34(05)：30-32.

[10] DUAN D M，ZHOUJ，BRIAN R，et a1.Strain aging effects in high strength linePipe materials[C]∥Proceedings of IPC2008 7th International Pipeline Conference.Calgary：IPC，2008.

[11]Q/SY GJX 115-2011，中緬天然氣管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)地區(qū)直縫埋弧焊管技術(shù)條件(國內(nèi)段)[S].

Research and Development of X70 Large Diameter UOE Line Pipe for Strain-based Design Application

BAI Mingzhuo1,ZHENG Lei1,ZHANG Bei2,XU Haisheng3
(1.Research Institute of Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shangshai 201900,China;2.Manufacturing and Management Department of Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shangshai 201900,China;3.Tube,Pipe and Bar Business Unit,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shangshai 201900,China)

In this article,it studied the different microstructure of steel which obtained by different rolling process,as well as the influence of microstructure on high deformability performance.So the preferred microstructure for the high deformability pipeline steel was obtained.Based on ferrite+bainite dual phase microstructure,the X70 UOE line pipes with low YT ratio,high uniform elongation and High strain aging performance were produced,which realized industrial production for UOE pipe with size ofφ1 016mm×17.5mm andφ1 016mm×21.0mm.Through industrial production data,it analyzed the performance change rule of plate,pipe and aging,and studied the influence of aging temperature and aging time on the strain resistance performance.

welded pipe;strain-based design;X70;line pipe;high deformability;strain aging;dual phase microstructure

TE973

A

1001-3938(2015)01-0021-07

柏明卓(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事管線鋼產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)工藝研究工作。

2014-09-23

李紅麗