李 娜，陳 斌，殷亞運(yùn)，孫曉棟

（1陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西渭南710043；2洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南洛陽(yáng) 471039）

隨著石油天然氣能源的開發(fā)利用，其輸送管道通常要求高力學(xué)性能的管線鋼，而針對(duì)長(zhǎng)運(yùn)輸管道的建設(shè)需要大量與主干線管道力學(xué)性能相匹配的彎管[1-2]。因此，彎管是長(zhǎng)輸管道中服役條件較為苛刻，其力學(xué)性能決定管道失效與否，整個(gè)管道事故中所占的比例最高[3-4]。L360NB是一種新型無縫低碳微合金鋼，主要用于石油和天然氣的運(yùn)輸，在海底管線、低溫管線中應(yīng)用較多，屈服強(qiáng)度大于360MPa[5-6]。然而，在加熱彎管的制造過程中，由于彎管不同部位顯微組織存在差異，導(dǎo)致力學(xué)性能差異較大，造成彎管失效[7-10]。這就需要進(jìn)一步研究其失效原因，為后續(xù)制造過程提供理論和數(shù)據(jù)支撐。本文針對(duì)某油建公司容器廠煨彎的L360NB彎管力學(xué)性能檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多個(gè)彎管力學(xué)性能異常，與母材相比強(qiáng)度幾乎升高一倍，沖擊韌性大幅下降，且每個(gè)彎管各部位性能差別巨大。為了分析其原因，對(duì)彎管不同部位進(jìn)行了取樣并測(cè)試?yán)煨阅芗坝捕?，觀察其金相組織，研究結(jié)果為煨彎工藝的改進(jìn)提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取已經(jīng)失效的L360NB彎管，其化學(xué)成分見表1。

表1 L360NB管線鋼的化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of pipe line steel L360NB (wt.%)

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試失效L360NB管線鋼的拉伸性能，根據(jù)ASTM-2013標(biāo)準(zhǔn)選定拉伸試樣的尺寸，拉伸速率設(shè)置為1mm/min，每組測(cè)試3個(gè)平行試樣并取其平均值評(píng)價(jià)接頭性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

材料的屈服強(qiáng)度是試樣受拉伸發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度是試樣受拉斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，用來表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力；硬度是試樣局部抵抗硬物壓入其表面的能力。基于此，針對(duì)已經(jīng)失效的L360NB彎管，截取其不同部位進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析該彎管不同部位的拉伸性能和硬度測(cè)試結(jié)果。表2為已失效的L360NB彎管不同部位與其對(duì)應(yīng)的試件編號(hào)。

表2 已失效的L360NB管線鋼不同部位試件編號(hào)Table 2 The specimen number of different parts of failed pipe line steel L360NB

已失效的L360NB彎管力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖1～圖3所示，由測(cè)試結(jié)果可知，直管段試件A的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)正常，滿足L360NB的要求。將試件按硬度順序排列為：A＜B＜G＜F＜E＜C＜D，按強(qiáng)度順序排列為：A＜B＜G＜F＜C＜E＜D，延伸率的順序與強(qiáng)度順序相反。強(qiáng)度和硬度順序只有試件C和E的順序顛倒，其余均一致。

圖1 已失效的L360NB管線鋼不同部位試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Fig. 1 The yeild and tensile strength of the different strengths of the different parts of failed pipe line steel L360NB

圖3 已失效的L360NB管線鋼不同部位試樣硬度值Fig. 3 The hardness values of the different parts of failed pipe line steel L360NB

2.2 組織表征結(jié)果

試件A是尚未彎管的直管，其性能與組織代表母管,顯微組織如圖4所示，可以看出組織呈現(xiàn)帶狀組織的特征，為珠光體和鐵素體組織。試件B組織與試件A類似，顯微組織如圖5示，顯微組織仍為珠光體和鐵素體，也有帶狀組織，表明起彎點(diǎn)組織變化不明顯。試件C、D、E組織均為馬氏體，試件C組織如圖6所示，試件D組織如圖7所示，試件E組織如圖8所示。試件F組織主要由貝氏體組成，如圖9所示。試件G的組織如圖10所示，顯微組織仍為珠光體和鐵素體，且已無帶狀組織，表明原先的珠光體和鐵素體在加熱時(shí)已轉(zhuǎn)變成奧氏體，冷卻下來轉(zhuǎn)變成等軸的珠光體和鐵素體。

圖4 試件A的光鏡顯微組織 400×Fig. 4 Optical microstructure of specimen A 400×

圖5 試件B的光鏡顯微組織 400×Fig. 5 Optical microstructure of specimen B 400×

圖6 試件C的光鏡顯微組織 400×Fig. 6 Optical microstructure of specimen C 400×

圖7 試件D的光鏡顯微組織 400×Fig. 7 Optical microstructure of specimen D 400×

圖8 試件E的光鏡顯微組織 400×Fig. 8 Optical microstructure of specimen E 400×

圖9 試件F的光鏡顯微組織 400×Fig. 9 Optical microstructure of specimen F 400×

圖10 試件G的光鏡顯微組織 400×Fig. 10 Optical microstructure of specimen G 400×

2.3 討論與分析

已失效的L360NB彎管力學(xué)性能差異較大，主要是由于顯微組織差異性較大，對(duì)照各試件顯微組織可知，凡是強(qiáng)度高的試件，金相組織均為硬度很高的馬氏體組織；凡是組織為與母材類似的珠光體+鐵素體，其強(qiáng)度與母材差別不大；試件F主要為貝氏體組織，強(qiáng)度介于前兩組試件之間。L360NB彎管在服役過程中，由于其工藝特點(diǎn)，組織轉(zhuǎn)變受下列因素影響：

(1) 根據(jù)油建公司提供，煨彎時(shí)直管通過感應(yīng)圈中頻加熱達(dá)到980℃，煨彎過程邊加熱邊噴水冷卻。盡管加熱溫度已到奧氏體區(qū)，平衡組織本應(yīng)是單相奧氏體，但快速加熱使組織轉(zhuǎn)變滯后，可能僅達(dá)到奧氏體+鐵素體區(qū)，所以高頻、中頻淬火通常屬于亞穩(wěn)奧氏體淬火，即使快速冷卻，得到馬氏體組織，可能仍保留少許未轉(zhuǎn)變成奧氏體的鐵素體，在本次金相觀察中見到過這種情況。

(2) 鋼線管與感應(yīng)圈的同心度在煨管時(shí)不易保證，鋼線管煨彎過程橢圓度逐漸加大，各部位與感應(yīng)圈的距離在不斷變化，受熱不均勻程度加劇，最后獲得的組織也會(huì)有差異，導(dǎo)致性能不均勻。

(3) 同時(shí)有形變作用存在，有些類似形變熱處理?，F(xiàn)代鋼材控軋技術(shù)使鋼的性能大幅提高，近半數(shù)的鋼線管為控軋產(chǎn)品。鋼線管煨彎時(shí)的形變量有限，各個(gè)試件的形變量均低于20%，達(dá)不到同時(shí)保持鋼的塑韌性不降低，強(qiáng)度大大提高的效果。且小于20%的形變量反會(huì)加速晶界遷移，促使晶粒長(zhǎng)大，晶粒長(zhǎng)大會(huì)使得性能惡化。此外，鋼管煨彎時(shí)各部位形變量是不同的，對(duì)其最終性能不均勻是有影響的。

(4) 影響最大的因素仍然是煨管的工藝參數(shù)：感應(yīng)加熱溫度，冷卻速度，推進(jìn)速度以及煨管后的回火，最后獲得什么組織，主要由工藝參數(shù)決定。

綜上所述，煨管后其強(qiáng)度、塑韌性取決于獲得的顯微組織，因形成馬氏體組織使強(qiáng)度可以達(dá)到很高的水平，但是彎管各部性能又很不均勻。需要提出的是，煨管后要進(jìn)行590℃的消應(yīng)力退火，實(shí)際上也是一次高溫回火，但其著眼點(diǎn)是去除殘余應(yīng)力，而非改善組織。從組織觀察看，雖然也能看到有回火處理的痕跡，但強(qiáng)度高的試件，其組織基本上仍維持馬氏體原貌。如能調(diào)整回火溫度，保溫時(shí)間，達(dá)到消除馬氏體，使其轉(zhuǎn)變成回火索氏體，則綜合性能均得以改善，殘余應(yīng)力也可得到消除。

3 結(jié)論

(1) L360NB彎管力學(xué)性能差異較大，彎管部分試件強(qiáng)度過高是因?yàn)槠浣M織是硬脆的馬氏體，組織與母材差異越小，其強(qiáng)度與母材差異也越小。

(2) L360NB彎管受熱程度不均勻以及各個(gè)部位形變量不同，造成彎管各部組織、性能不同。

(3) 建議可以從調(diào)整回火溫度著手，制定完善的回火工藝，消除馬氏體組織，以達(dá)到改善組織和性能的目的。