林基艷,崔 巍,林 凱,尉 鵬

(1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 榆林 719000; 2.中化工儲(chǔ)運(yùn)有限公司,山東 煙臺(tái) 261400;3.兗州煤業(yè)榆林能化有限公司,陜西 榆林 719000)

管線鋼是用來制造輸送石油、天然氣等物質(zhì)的輸送管道及與之配套的各種管件的系列鋼種,是隨著油氣輸送管道的發(fā)展而發(fā)展起來的一類鋼。為了降低輸送成本,提高輸送效益,管道應(yīng)向高壓力、大管徑的方向發(fā)展,從而促使管線鋼向高強(qiáng)度和高韌性發(fā)展[1-5]。輸送管道施工建設(shè)中,根據(jù)地形的變化,常需要改變管道的方向,因此需要大量的彎管。彎管是油氣輸送管道的重要組成部分,它可以緩沖管道所在地域的地層遷移、外界環(huán)境溫度的變化以及地震等附加在直管上的拉、壓應(yīng)力和扭矩作用,是管線中承載較為苛刻的重要構(gòu)件之一。在已建成運(yùn)行的管線中,與彎管質(zhì)量相關(guān)的管線事故在所有管線事故中占有相當(dāng)高的比例。彎管質(zhì)量的好壞將直接影響到管道的安全運(yùn)行,因此彎管的質(zhì)量是制約管線安全運(yùn)行的關(guān)鍵。西氣東輸二線是中國(guó)第一條引進(jìn)境外天然氣的大型管道工程,這條管道要翻山越嶺,穿越湖泊、長(zhǎng)江、黃河、珠江流域,一路上要適應(yīng)不同的地形,這就需要很多彎管靈活的轉(zhuǎn)變方向。因此對(duì)X80彎管的性能要求也就十分嚴(yán)格。

影響彎管產(chǎn)品性能的因素較多, 主要有原材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及加熱溫度、冷卻方式、推制速度、加熱帶寬和彎后熱處理工藝等[6-8]。其中,原材料的成分和性能對(duì)彎管制造工藝和彎后熱處理工藝的制訂起著決定作用;加熱溫度和冷卻方式除影響彎管的力學(xué)性能外, 還將影響彎管的成形, 加熱溫度高、冷卻速度快、推制速度慢、加熱寬度窄都有利于減小彎管的橢圓度, 減少?gòu)澒艿幕貜?彎后熱處理能夠減小彎管的殘余內(nèi)應(yīng)力, 改善彎管組織,提高彎管的韌性。因此,對(duì)彎管彎后熱處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,提高彎管的強(qiáng)韌性,才能保證彎管運(yùn)行的可靠性。本文通過對(duì)X80管線鋼進(jìn)行不同溫度的熱處理,了解X80管線鋼熱敏感性變化規(guī)律,研究X80鋼組織及性能變化,為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的材料為馬鋼生產(chǎn)的X80管線鋼板材,其原始組織如圖1所示,由圖1可見,試驗(yàn)用X80管線鋼板材的顯微組織以呈塊狀分布的粒狀貝氏體為主,輔之少量的多邊形鐵素體。其成分和力學(xué)性能如表1和表2所示,金相腐蝕液4%硝酸酒精溶液。

表1 X80管線鋼的化學(xué)成分wt%

表2 X80管線鋼的力學(xué)性能

圖1 X80管線鋼的顯微組織

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將X80管線鋼熱穩(wěn)定性試驗(yàn)分為四組(A、B、C、D),四組試樣分別在SX-10-12型箱式電阻爐中加熱到900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃,保溫2個(gè)小時(shí),然后將試樣隨爐冷到550 ℃,最后將試樣空冷到室溫。利用PME3-323UN型金相顯微鏡觀察X80管線鋼的顯微組織;利用MH-5D型顯微硬度計(jì)測(cè)量X80管線鋼的顯微硬度,載荷為0.98 N,保壓時(shí)間為10 s,每個(gè)試樣測(cè)試8次,取其平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加熱溫度對(duì)X80管線鋼晶粒度和顯微組織的影響

用直線截距法測(cè)試奧氏體晶粒度評(píng)定試驗(yàn),采用公式1來計(jì)算奧氏體晶粒平均截距D,用公式2計(jì)算晶粒度G:

D=L/MN

(1)

G=-6.644 lgD-3.288

(2)

式中,L為距法所采用的直線長(zhǎng)度,mm;M為顯微鏡放大倍數(shù); D為晶粒平均截距,mm。

不同加熱溫度下X80試板鐵素體晶粒大小的測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可看出,隨著加熱溫度的升高,X80鋼的晶粒尺寸增加。當(dāng)經(jīng)過900 ℃熱處理后,試驗(yàn)用X80鋼的晶粒平均截距為6.9 μm,晶粒度11.6級(jí),當(dāng)經(jīng)過1 000 ℃熱處理后,試驗(yàn)用X80鋼的晶粒平均截距為7.8 μm,晶粒度10.8級(jí),在此溫度下試驗(yàn)用X80管線鋼具有較高的強(qiáng)韌性;當(dāng)經(jīng)過1 100 ℃熱處理后,試驗(yàn)用X80鋼的晶粒平均截距為10.5 μm,鐵素體晶粒度評(píng)定為10級(jí)。當(dāng)經(jīng)過1 200 ℃熱處理后,由于試驗(yàn)鋼中微合金元素碳氮化合物的溶解,致使其對(duì)奧氏體晶粒粗化過程的抑制作用減弱或消失[9-12],引起奧氏體晶粒的急劇長(zhǎng)大,晶粒平均截距可達(dá)25.7 μm,鐵素體晶粒度評(píng)定為7.5級(jí),X80級(jí)管線鋼晶粒明顯開始粗化。

表3 X80鋼在不同加熱處理溫度下的鐵素體晶粒尺寸

圖2為不同熱處理工藝下的金相組織,由圖2可知,隨著熱處理溫度的提高,晶粒發(fā)生長(zhǎng)大、粗化,但其最終組織均為珠光體和鐵素體[13-16]

圖2 不同熱處理溫度后的金相組織圖

2.2 加熱溫度對(duì)X80鋼硬度的影響

表4為不同熱處理工藝下X80管線鋼的平均硬度值,同時(shí)為了更直觀的反應(yīng)試樣經(jīng)加熱后的硬度分布以及硬度隨加熱溫度的變化情況,給出了所測(cè)得的硬度分布情況如圖3所示。綜合硬度表以及硬度分布圖可以看出X80管線鋼分別經(jīng)900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃以及1 200 ℃加熱其硬度分布體現(xiàn)出一定的規(guī)律性,隨著加熱溫度的升高,X80鋼的硬度也隨之下降,未經(jīng)熱處理的試樣硬度為171.9 HV,900 ℃熱處理后的試樣硬度達(dá)均值為161.5 HV,當(dāng)試樣經(jīng)過1000℃熱處理后時(shí),試樣硬度均值降為151.9 HV,當(dāng)試樣經(jīng)過1100℃熱處理后,試樣硬度值降了145.7 HV,在900 ℃～1 100 ℃熱處理溫度范圍內(nèi),隨著加熱溫度的升高硬度不斷減小,但在900 ℃～1 000 ℃硬度減小幅度最大:當(dāng)熱處理溫度超過1 100 ℃,隨著溫度繼續(xù)上升硬度下降幅度變小,1 200 ℃熱處理后的X80材料硬度下降為143.8 HV。研究證明,鋼的硬度的高低一方面取決于試驗(yàn)鋼晶粒度的大小,另一方面還與鋼的化學(xué)成分有關(guān)[17-19]。試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)鋼中,在獲得同種顯微組織的前提下,晶粒越細(xì)小,變形抗力越大,鋼的硬度值越大,硬度隨著尺寸的細(xì)化越來越大,同時(shí)隨著溫度不斷升高,晶粒尺寸將會(huì)變大,硬度也將會(huì)下降。

表4 X80管線鋼在不同熱處理溫度下的硬度值

圖3 X80管線鋼在不同溫度下的硬度分布圖

2.3 加熱溫度對(duì)X80鋼試樣抗彎強(qiáng)度影響

將不同熱處理下的試樣分別放在彎曲試驗(yàn)機(jī)上,加載載荷力分別觀察試樣彎曲角度變化如圖4并截取每個(gè)圖像上相同兩點(diǎn)數(shù)據(jù)制成表5。

表5 彎曲角度與加載力對(duì)應(yīng)表

圖4 不同溫度熱處理后試樣彎曲曲線圖

通過觀察圖4,可以發(fā)現(xiàn)試樣經(jīng)過900 ℃熱處理后,試樣所能加載的最大載荷力為6 079.485 N,經(jīng)過1 000 ℃熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為6 078.536 N,經(jīng)過1 100 ℃

熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為5 790.017 N,經(jīng)過1 200 ℃,熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為4 987.166 N。通過表5,我們同時(shí)發(fā)現(xiàn),在加載力為4 000 N時(shí),900 ℃熱處理后的試樣彎曲角度只能達(dá)到2.3°,1 000 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達(dá)到3.5°,而經(jīng)過1 100 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達(dá)到10.7°,1 200 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達(dá)到15.6°;當(dāng)加載力為5 000 N時(shí),900 ℃熱處理后的試樣彎曲角度只能達(dá)到5.5°,1 000 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達(dá)到7.6°,而1 100 ℃熱處理后的試樣彎曲角度達(dá)到了29.1°,1 200 ℃熱處理后的試樣彎曲角度達(dá)到了57.9°。

同時(shí)根據(jù)三點(diǎn)彎曲度計(jì)算公式3可以計(jì)算出每個(gè)溫度下試樣抗彎強(qiáng)度σb,如表6。

表6 不同溫度下試樣抗彎強(qiáng)度

(3)

式中,P是破壞載何力,N;L是跨距,mm;b是寬度,mm;h是厚度,mm。

分析表6可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過900 ℃熱處理后試樣的抗彎強(qiáng)度為125.4 MPa經(jīng)過1 000 ℃熱處理后試樣的抗彎強(qiáng)度為124.9 MPa,經(jīng)過1 100 ℃熱處理后試樣的抗彎強(qiáng)度為112.7 MPa,經(jīng)過1 200 ℃熱處理后試樣的抗彎強(qiáng)度為102.4 MPa。綜合兩者,我們可以發(fā)現(xiàn)X80管線鋼的抗彎強(qiáng)度隨著溫度升高而下降。

3 結(jié)論

對(duì)X80管線鋼進(jìn)行了不同的熱處理工藝試驗(yàn),研究了不同熱處理工藝下的材料組織和力學(xué)性能的變化,得出以下結(jié)論。

(1)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的晶粒尺寸從6.9 μm變?yōu)?5.7 μm。

(2)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的硬度由161.5 HV降為143.8 HV,其中900 ℃～1 000 ℃硬度減小幅度最大。

(3)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的抗彎強(qiáng)度由125.4 MPa降為102.4 MPa。

(4)在900 ℃～1 200 ℃范圍內(nèi),X80管線鋼的熱穩(wěn)定性隨著溫度上升而下降。