王 軍 管劉輝

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

隨著科技的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步,人們對(duì)石油、天然氣等一些能源資源需求量越來越大，石油、天然氣的運(yùn)輸安全問題也越來越引起大家的關(guān)注。管道運(yùn)輸因具有運(yùn)輸效率高、成本低的特點(diǎn)而被全世界廣泛應(yīng)用，作為油氣管道運(yùn)輸?shù)闹饕d體，對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)格，要求其在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)還具有優(yōu)良的韌性[1]。檢驗(yàn)管線鋼強(qiáng)度、塑性常采用拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、落錘沖擊試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)等方法，在斷口處出現(xiàn)分離現(xiàn)象，一方面導(dǎo)致管線鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，在低溫環(huán)境下使用，沿?cái)嗫诜蛛x方向裂紋擴(kuò)展更容易，一旦起裂，裂紋較深長(zhǎng)度較大[2]；另一方面降低了管道的承載能力，減少管線鋼使用壽命，對(duì)于管線鋼危害較為嚴(yán)重；典型的沖擊斷口分離形貌如圖1[3]所示。

筆者通過對(duì)X65M 管線鋼熱軋過程工藝進(jìn)行調(diào)整，分析其對(duì)沖擊斷口的分離影響作用，目的是降低X65M 管線鋼斷口分離比率，提高其機(jī)械性能和抗裂紋性能，降低管線鋼開裂事故發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼采用國內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)的11.1 mm規(guī)格的X65M 管線鋼熱軋卷（制管前），依據(jù)GB/T229—2007 國家標(biāo)準(zhǔn)，通過夏比沖擊試驗(yàn)來分析斷口分離現(xiàn)象，因制管焊接工藝采用螺旋埋弧焊，取樣方向選擇沿軋制方向的45 方向，對(duì)應(yīng)制管后的橫向取樣位，試樣尺寸為 10 mm×10 mm×55 mm，沖擊試樣缺口為V 型缺口，深為 2.00 mm。在 Axiovert25 型蔡司顯微鏡下對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行金相組織觀察，沖擊試驗(yàn)后斷口在 S-3400N 型掃描電鏡進(jìn)行宏觀和微觀斷口掃描和分析，同時(shí)配合使用VUESTL2 X 射線能譜儀對(duì)斷口內(nèi)夾雜或析出物進(jìn)行成分分析。其化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)鋼在1 780 mm 熱連軋軋機(jī)進(jìn)行軋制。相關(guān)資料表明[4,5]，沖擊斷口分離與材料中心偏析及中心缺陷存一定的關(guān)聯(lián)性[6]；且根據(jù)目前生產(chǎn)實(shí)踐，軋制過程采用粗軋大壓下量及高溫軋制的方法對(duì)原始鑄坯中心偏析和中心疏松等缺陷有良好的改善作用，更有利于鑄坯中心疏松焊合以及減輕C、S、Mn、P 等元素偏析元素的集中分布，以此盡可能降低原始板坯中心缺陷對(duì)材料機(jī)械性能影響?；诖耍訜岵捎媒y(tǒng)一的加熱工藝，加熱溫度為1 250 ℃，保溫時(shí)間為320 min，通過調(diào)整熱連軋軋制工藝（增加粗軋道次壓下率、提高精軋進(jìn)出口溫度）來對(duì)應(yīng)分析X65M 試驗(yàn)鋼沖擊斷口分離的程度，本次試驗(yàn)熱軋工藝參數(shù)見表2。

表2 X65M 管線鋼軋制工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊斷口

在-65 ℃、-35 ℃、-20 ℃溫度下，對(duì)1#試驗(yàn)鋼、2# 試驗(yàn)鋼、3# 試驗(yàn)鋼分別進(jìn)行了三組沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)鋼的沖擊斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 沖擊斷口形貌（續(xù)）

從圖2 可以看出，1#試驗(yàn)鋼在-65 ℃斷口分離最為嚴(yán)重，斷口分離多出現(xiàn)在試樣厚度方向的中心區(qū)域，分離裂紋多為單條狀，長(zhǎng)度為8 mm，寬度2.5 mm，深度為2 mm 左右，按照中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所評(píng)級(jí)方法[1]為Ⅳ級(jí)，分離級(jí)別最高；在-35 ℃、-20 ℃斷口分離依舊存在，隨著溫度的升高，斷口分離稍有改善，但分離裂紋仍然較長(zhǎng)較深，-35 ℃長(zhǎng)度為8 mm，寬度為2.5 mm，深度為1.6 mm 左右，斷口分離級(jí)別為Ⅳ級(jí)；-20 ℃長(zhǎng)度為6.5 mm，寬度為2.4 mm，深度為1.8 mm 左右，斷口分離級(jí)別為Ⅳ級(jí)。對(duì)比1#試驗(yàn)鋼，2#試驗(yàn)鋼粗軋模式采用0+5 模式，精軋溫度提高20 ℃，斷口分離明顯得到改善，裂紋長(zhǎng)度平均值降低到3.2 mm，寬度平均值降低到2.2 mm，深度平均值降低到1.3 mm。在低溫（-65 ℃）下斷口分離出現(xiàn)比例較高，達(dá)到80%左右，在-20 ℃斷口分離比例降低到45%左右。與1#試驗(yàn)鋼相比，3#試驗(yàn)鋼粗軋模式采用1+3 模式，精軋溫度提高40 ℃，平均道次壓下量由原來的29%增加到44%，斷口分離比例最低，為 20%左右；沖擊斷口很少出現(xiàn)較長(zhǎng)、較深的裂紋，斷口分離評(píng)級(jí)為Ⅱ級(jí)。從宏觀表現(xiàn)可以看出，斷口分離在低溫下出現(xiàn)概率比較大，多為較長(zhǎng)、較寬的裂紋，斷口分離評(píng)級(jí)高。隨著溫度的升高，斷口分離程度減少，斷口分離評(píng)級(jí)降級(jí)，而隨著沖擊溫度的降低，斷口分離程度增加[7]。通過增大粗軋壓下量和提高軋制工藝溫度來改善X65M 管線鋼C、Mn、S 等元素的中心偏析、中心疏松等缺陷，使得材料中心缺陷位置更加致密，偏析帶分布更加均勻，增強(qiáng)了基體中心處的結(jié)合力[7,8]；以此降低中心偏析、中心疏松等缺陷在沖擊斷裂過程產(chǎn)生的中心裂紋生成及擴(kuò)張，從而降低沖擊斷口分離比例。在-20 ℃時(shí)，斷口分離比例由80%下降到20%以下，斷口分離評(píng)級(jí)明顯降低，在-65 ℃時(shí)分離評(píng)級(jí)由Ⅳ級(jí)降低到Ⅱ級(jí)。

2.2 金相組織

試驗(yàn)鋼沖擊斷口處沿剖面宏觀組織形貌和對(duì)應(yīng)的中心顯微組織如圖3 所示。

圖3 裂紋的顯微組織形貌

從圖3 可以看出，1#試驗(yàn)鋼為原始工藝初軋模式，采用1+5 道次模式，精軋溫度800～980 ℃，沖擊斷口分離起裂紋位置與實(shí)驗(yàn)鋼的中心偏析帶位置相對(duì)應(yīng)，斷口分離基本發(fā)生在偏析帶位置[9]，并且中心偏析等缺陷帶分布更為集中。2#試驗(yàn)鋼，初軋模式采用0+5 道次模式，精軋溫度8 20～1 000 ℃，斷口中心存在明顯裂紋，開口位置與中心偏析帶位置對(duì)應(yīng)，中心偏析等缺陷帶分布有所改善，優(yōu)于1#實(shí)驗(yàn)鋼，但仍有明顯中心開裂。3#試驗(yàn)鋼，調(diào)整初軋模式（1+3 模式）并提高終軋溫度到8 40～1 020 ℃，斷口處組織均勻性更好，未有分離裂紋的出現(xiàn)，說明熱軋過程采用粗軋大壓下和高溫軋制對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的中心缺陷及裂紋開裂有明顯的改善[10,11]，中心組織更加均勻，偏析帶明顯減輕。

2.3 沖擊功曲線

沖擊斷口分離對(duì)試驗(yàn)鋼沖擊韌性有直接影響，隨著斷口分離評(píng)級(jí)的升高，沖擊功有明顯降低趨勢(shì)；試驗(yàn)鋼在不同沖擊溫度下的沖擊功變化曲線如圖4 所示。

圖4 沖擊功曲線變化

從圖4 可以看出，2#試驗(yàn)鋼和3#試驗(yàn)鋼的沖擊功明顯高于1#實(shí)驗(yàn)鋼的，在-20～-45 ℃，3#試驗(yàn)鋼的沖擊功為290～300 J，2#試驗(yàn)鋼的沖擊功為220～240 J，1#試驗(yàn)鋼的沖擊功為160～220 J。在-55 ℃溫度下，實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊功都相對(duì)較低，3#試驗(yàn)鋼因斷口分離比例降低，其沖擊功明顯高于2#實(shí)驗(yàn)鋼和1#試驗(yàn)鋼的，3#試驗(yàn)鋼平均約為220 J，2#試驗(yàn)鋼平均約為200 J,1#試驗(yàn)鋼平均約為160 J；試驗(yàn)鋼沖擊試驗(yàn)溫度越低，越接近其韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此沖擊功下降更為明顯[12,13]；通過以上分析斷口分離對(duì)X65M 管線鋼的沖擊功有明顯不利影響，減輕斷口分離的材料其沖擊功明顯提升。

3 結(jié)論

（1）調(diào)整X65M 管線鋼熱軋工藝，將粗軋模式由1+5 調(diào)整到1+3 模式，精軋溫度提高40 ℃，平均道次壓下量由原來的29%增加到44%，斷口分離比例由原來的80%降低到20%左右，沖擊斷口很少出現(xiàn)較長(zhǎng)、較深的裂紋，斷口分離評(píng)級(jí)明顯降低，在-65 ℃時(shí)分離評(píng)級(jí)由Ⅳ級(jí)降低到Ⅱ級(jí)。

（2）調(diào)整X65M 管線鋼熱軋工藝，在降低斷口分離比例的同時(shí)，改善了X65M 管線鋼的沖擊功。在-20-45 ℃沖擊試驗(yàn)范圍，沖擊功由160～220 J提高到290～300 J；在-55 ℃沖擊功由160 J 提高到220 J。

（3）通過增大熱軋壓下量和提高軋制工藝溫度，改善X65M 管線鋼中心偏析及中心疏松等缺陷，使得材料中心缺陷位置更加致密，偏析帶分布更加均勻，增強(qiáng)基體沿厚度中心位置的結(jié)合力；以此降低中心偏析、中心疏松等缺陷在沖擊斷裂過程產(chǎn)生的中心裂紋生成及擴(kuò)張，明顯降低了X65M沖擊斷口分離比例，由81%降低到20%左右。