宋鍇星+陳蒙+王陽(yáng)

摘 要：本文對(duì)X80管線鋼的合金化設(shè)計(jì)及原始顯微組織進(jìn)行了研究分析，并闡述了目前X80管線鋼主要制管工藝的過程及原理，分析了不同管坯成形方法對(duì)材料原始性能的影響。研究表明，X80管線鋼中最主要的強(qiáng)化元素為Mn，同時(shí)添加Nb、Ti、V等合金微量元素，使顯微組織主要為針狀鐵素體，具有高強(qiáng)度和高韌性；UOE成形和JCOE成形的X80管線鋼鋼管內(nèi)均存在較為復(fù)雜的應(yīng)力分布，而UOE成形相比JCOE成形的管坯殘余應(yīng)力小，分布更均勻。

關(guān)鍵詞：X80管線鋼；合金化；UOE成形；JCOE成形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.043

0 引言

隨著生產(chǎn)生活對(duì)油氣資源需求量的不斷增加，油氣管道的輸送正朝著增大壓力和管徑的方向發(fā)展。如今的管道建設(shè)主要以大壓力、長(zhǎng)距離、大管徑輸送為特征[1]，因此如何長(zhǎng)距離安全高效的運(yùn)輸油氣，已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)研究的一個(gè)重要課題。

大口徑、長(zhǎng)距離的高壓輸送管線具有運(yùn)量大、安全可靠、成本低等優(yōu)勢(shì)，因而使用高等級(jí)、大壁厚管線用鋼呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[2]。20世紀(jì)60年代以來(lái)，高強(qiáng)度管線鋼已逐漸在世界各國(guó)的油氣運(yùn)輸中得到使用。近年來(lái)以X70級(jí)管線鋼為主，但隨著X80級(jí)管線鋼的大規(guī)模應(yīng)用，X80級(jí)管線鋼已逐漸成為目前高壓輸送天然氣管線的首選鋼級(jí)。

1 X80級(jí)管線鋼的合金化

一般情況下，提高鋼材的強(qiáng)度會(huì)損害材料的韌性，而細(xì)化晶粒可以在提高強(qiáng)度的同時(shí)不損害韌性。通過第二相粒子的彌散分布，可以阻止晶粒長(zhǎng)大而使晶粒細(xì)化，也可以通過添加合金元素的方法獲得細(xì)化的晶粒[3]。X80級(jí)管線鋼是通過優(yōu)先獲得最大程度的晶粒細(xì)化，并平衡不同機(jī)制的貢獻(xiàn)，使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低和強(qiáng)度提高。因此，X80管線鋼中的微合金元素的選擇及有害元素含量的控制就顯得尤為重要。

由表1-1可以看出，C含量小于0.06%，Mn含量在1.5～2.0%之間。雖然C是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，但提高C含量會(huì)降低鋼的延展性和韌性，同時(shí)對(duì)管道的焊接具有負(fù)面影響。因此，降低C含量有助于提高鋼的延韌性，改善鋼的焊接性能。而Mn元素作為管線鋼中最主要的強(qiáng)化元素，可以彌補(bǔ)因C含量降低引起的材料強(qiáng)度損失。Mn還能夠使奧氏體區(qū)擴(kuò)大，降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物使晶粒細(xì)化，從而提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

管線鋼中的重要微量合金元素包括Nb、V、Ti等。其中，Nb元素對(duì)于晶粒細(xì)化的作用十分明顯。NbC可以在應(yīng)變誘導(dǎo)的作用下析出，阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，使奧氏體組織在相變時(shí)獲得細(xì)小組織。Ti是強(qiáng)固N(yùn)元素，細(xì)小TiN具有高溫穩(wěn)定性，它的析出可有效地阻礙板材再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)有助于改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。銅、鎳主要通過固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，可以彌補(bǔ)厚規(guī)格管線鋼中由于厚度增加而引起的強(qiáng)度下降。硫、磷是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，其含量越低越好。

X80管線鋼的原始組織主要由針狀鐵素體組成，同時(shí)含有粒狀貝氏體和準(zhǔn)多邊形鐵素體。針狀鐵素體晶粒細(xì)小，且晶界兩側(cè)晶粒的位向通常不同，因此能夠使鋼材具有較高強(qiáng)度的同時(shí)提高其韌性，而且止裂性能良好。

2 制管工藝

按照焊縫形狀及焊接方式的不同，管線鋼管可分為直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管和直縫高頻電阻焊管[4]。直縫埋弧焊管的成形方式，包括UOE成形法、JCOE成形法和RBE成形法等[5]。其中，UOE成形法和JCOE成形法是目前國(guó)內(nèi)兩種主要的直縫焊管成形方法。

2.1 UOE成形法

UOE成形法是以經(jīng)過銑邊和焊接的熱軋厚板為原料進(jìn)行塑性成形的技術(shù)。其中預(yù)彎、U成形和O成形是該成形方法的三個(gè)主要成形工序。

預(yù)彎是UOE成形的第一道成形工序，一般采用壓彎成形。預(yù)彎的主要目的是使得板料邊緣具有與最終成型后的管材具有相同或相近的曲率[6]。用夾緊模具夾緊板料并固定，同時(shí)固定上預(yù)彎模具，下預(yù)彎模具向上進(jìn)給，使板料端部預(yù)彎變形。預(yù)彎后的板料端部被成形為具有連續(xù)曲率的光滑圓弧。

U成形是UOE成形的第二道工序。U成形借助支撐輥和彎曲凸模對(duì)板材進(jìn)行水平和豎直兩個(gè)方向的協(xié)調(diào)加載。成形時(shí)，在U成形機(jī)上放置預(yù)彎后的板料，彎曲凸模將板料垂直向下壓制，使板料發(fā)生彎曲變形，成形為上端開口較大的敞口U形。通過支撐輥的作用，使板料端部向內(nèi)收合，成形為近似U形。

O成形時(shí)，在O成形下模具中放置U形板料。隨著上O成形模具向下進(jìn)給，板料沿著O模具的內(nèi)壁逐漸貼合，呈近似圓形。最終，板料被成形為開口管坯。經(jīng)過焊合后完成直縫焊管的主要成形工序。O成形階段中，明顯的周向壓縮變形使管坯內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)均勻化，并能有效提高管坯的幾何成形質(zhì)量。

在預(yù)彎和U成形工序中，板料的變形主要是彎曲變形。X80級(jí)管線鋼鋼板在O成形工序中的變形包括：彎曲和周向壓縮。U形板料在直壁段的中間位置發(fā)生折彎變形，因此在直壁段與圓弧部分的過渡區(qū)、直壁段的折彎區(qū)，存在較大的殘余應(yīng)力。制品在U成形工序中的冷變形都會(huì)使鋼板制成焊管后的拉伸性能和沖擊韌性發(fā)生改變，而且X80級(jí)高強(qiáng)度鋼板對(duì)于冷變形的敏感性要比低強(qiáng)度鋼高。因此，必須控制UOE成形過程中的彎曲、壓縮變形不超過1.5%。同時(shí)合金化設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到制管過程中板管性能的變化。

2.2 JCOE成形法

JCOE鋼管成形的主要成形工序包括：預(yù)彎和多道次的步進(jìn)彎曲工序。其預(yù)彎工序與UOE方法的預(yù)彎相似。在步進(jìn)彎曲工序中，可將板料先后成形的斷面形狀分為J形、C形和O形。

首先，將經(jīng)過預(yù)彎的板料一側(cè)放在彎曲模具中，經(jīng)多道次彎曲成形，最終將板材加工為曲率與制品相近的圓弧。成形后的板料橫斷面與J形相似。隨后再將板料的另一側(cè)經(jīng)多道次彎曲成為與之對(duì)稱的圓弧。最后，再對(duì)板料中間位置進(jìn)行彎曲，使板料最終成形為橫截面類似C形的狀態(tài)，經(jīng)焊接后成形為O形直縫焊管管坯。endprint

在JCOE成形過程中，除最后一道次彎曲成形外，其它每道次成形均為非對(duì)稱彎曲成形，板料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)與模具中心不對(duì)稱。X80級(jí)鋼板同時(shí)受到形變強(qiáng)化和包申格效應(yīng)的作用，這兩種作用同時(shí)存在，其產(chǎn)生的效果相互制約，影響著鋼管成形后的性能。有研究表明，X80管線鋼在經(jīng)JCOE成形后，沖擊韌性呈下降趨勢(shì)，硬度上升不明顯。但是X80管線鋼焊接中引起的熱影響區(qū)軟化較大，制管后熱影響區(qū)硬度下降。X80級(jí)管材屈服強(qiáng)度的變化與管道成形過程中的形變量有關(guān)，而形變量與厚徑比有關(guān)[7]。厚徑比越大，X80鋼制管后屈服強(qiáng)度上升也越大。因此，JCOE成形法制取厚徑比大的X80鋼管道，將獲得高的強(qiáng)度。

3 總結(jié)

（1）X80管線鋼中最主要的強(qiáng)化元素為Mn，同時(shí)添加Nb、Ti、V等合金微量元素。Mn有助于提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。Nb、Ti、V三種元素具有較高的析出強(qiáng)化作用，以保證X80管線鋼高強(qiáng)度和高韌性。銅、鎳可通過固溶強(qiáng)化的作用提高鋼的強(qiáng)度。

（2）在經(jīng)UOE成形和JCOE成形后，X80管線鋼鋼管內(nèi)均存在較為復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)。在U形板料直壁與圓弧部分的過渡區(qū)和折彎區(qū)，UOE成形的管坯存在較大的殘余應(yīng)力；而JCOE成形的管坯在管底部較大的殘余應(yīng)力。

（3）X80管線鋼在經(jīng)JCOE成形后，沖擊韌性呈下降趨勢(shì)，硬度上升不明顯。但是X80管線鋼焊接中引起的熱影響區(qū)軟化較大。同時(shí)，成形厚徑比大的X80鋼管坯可獲得較高的屈服強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]莊傳晶，馮耀榮等.國(guó)內(nèi)X80管線鋼的發(fā)展及今后的研究方向[C]. X80級(jí)管線鋼國(guó)際技術(shù)研討會(huì)會(huì)議文集，北京，2004：22-32.

[2]J.Y.Yoo，S.S.Ahn，D.H.Seo，et al.New development of high grade X80 to X120 pipeline steels[J].Materials and Manufacturing Processes，2011，26（01）：154-160.

[3]高惠臨.管線鋼——組織、性能、焊接行為[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[4]Janzen T S. The alliance pipeline a design shift in long distance gas transmission [C].Proceeding of International Pipeline Conference，ASME，Calgery，Canada，1998.

[5]王曉香.我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管線用焊接鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].鋼管，2004，33（03）：7-13.

[6]劉京雷，黃克堅(jiān)，阮鋒.預(yù)彎工藝參數(shù)對(duì)UOE焊管O成形的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，12（03）：71-75.

[7]杜偉，婁琦，黃磊等.管線鋼JCOE制管前后力學(xué)性能變化分析[J]. 焊管，2010，33（05）：20-23.endprint