X90 鋼級管線鋼制管前后性能變化研究

王自信，李忠響

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

安全、經濟地將天然氣輸送到消費市場，一直是天然氣產業發展的關鍵問題之一［1-4］。采用更高壓力和更高強度的管道是降低天然氣長距離輸送成本的有效途徑［5］。X90 鋼作為目前應用前景廣泛的超高強度管線鋼［6-8］，為制造出滿足要求的鋼管，總結其制管前后的強韌性差異是必要的。

制管的成型過程會對材料性能造成影響，使鋼管與卷板的性能存在差異，這種差異是包申格效應和形變強化綜合作用造成的，而這兩方面的影響大小與卷板化學成分、組織密切相關。針對這種差異，筆者在某公司X90 鋼級Φ1 219 mm×16.3 mm螺旋縫埋弧焊接鋼管的試制過程中對卷板制管前后的性能變化進行了分析，以便確定卷板的性能數據，使生產出的鋼管滿足標準要求。

1 試驗材料

采用某鋼廠試制的鋼級X90、厚度16.3 mm 熱軋卷板，其化學成分見表1。X90 鋼級卷板的顯微組織如圖1 所示，主要為粒狀貝氏體組織［9-10］。

表1 X90 鋼級卷板的化學成分（質量分數）%

圖1 X90 鋼級卷板的顯微組織

2 試驗方案

在制管前后，按照X90 鋼級鋼管的試制標準，在卷板及鋼管管體對應位置，分別取拉伸、沖擊試樣。其中卷板為矯平后取樣，鋼管為水壓試驗后取樣。

卷板拉伸試樣自卷板寬度1/2 位置處取樣，方向為對應鋼管橫向，采用圓棒試樣，試樣標距為50 mm，直徑為12.7 mm。鋼管橫向拉伸試樣從距焊縫180°處截取，采用圓棒試樣，試樣標距為50 mm，直徑為8.9 mm。卷板V 型缺口夏比沖擊試樣從卷板寬度1/4 處截取，方向對應鋼管橫向；鋼管橫向夏比V 型缺口沖擊試樣從距焊縫90°處截取，尺寸為10 mm×10 mm×50 mm，V 型缺口垂直于卷板/鋼管表面，試驗溫度分別為-20 ℃和-10 ℃［11-15］。

對上述試樣按標準要求進行力學性能試驗。試驗后，對卷板和鋼管的力學性能進行對比分析。

3 試驗結果

3.1 制管后拉伸性能變化

表2 為卷板、鋼管拉伸性能試驗結果。結果表明，制管后屈服強度上升-8~47 MPa，平均上升15 MPa；抗拉強度上升-37~85 MPa，平均上升23 MPa；屈強比降低-0.04~0.04，平均降低0.01，考慮到數據修約，屈強比平均值基本沒有變化。

表2 制管前后的拉伸性能變化

3.1.1 制管前后屈服強度的變化

圖2 所示為制管前后屈服強度的變化曲線，按卷板屈服強度升序排列。從圖2 可以看出：制管后屈服強度整體呈升高趨勢，在卷板屈服強度較低時的平均升高幅度要大于卷板屈服強度較高時的平均升高幅度。卷板屈服強度在625～650 MPa 時，制管后屈服強度平均升幅為23 MPa；卷板屈服強度在650～670 MPa 時，制管后屈服強度平均升幅為9 MPa；卷板屈服強度在高于670 MPa 時，制管后屈服強度不再升高，個別值已低于卷板屈服強度。

圖2 制管前后屈服強度的變化曲線

3.1.2 制管前后抗拉強度的變化

圖3 所示為制管前后抗拉強度的變化曲線，按卷板抗拉強度升序排列。從圖3 可以看出：與屈服強度一致，抗拉強度整體亦呈升高趨勢，且卷板抗拉強度較低時平均升高幅度要大于卷板抗拉強度較高時的平均升高幅度?？估瓘姸仍?05～760 MPa時，制管后抗拉強度平均升幅為47 MPa；卷板抗拉強度在760～800 MPa 時，制管后抗拉強度平均升幅為12 MPa；卷板抗拉強度在高于800 MPa時，制管后抗拉強度不再升高。與屈服強度對比，可發現制管后抗拉強度平均升幅要高于屈服強度的升幅。

圖3 制管前后抗拉強度的變化曲線

3.1.3 制管前后屈強比的變化

圖4 所示為制管前后屈強比的變化曲線，圖5所示為卷板的強度與屈強比關系曲線，均按照卷板屈強比升序排列。從圖4 可以看出：制管前后屈強比變化規律較明顯，呈現出前高后低的現象，即當卷板屈強比較低時制管后屈強比升高，卷板屈強比較高時屈強比降低。此批卷板的屈強比以0.86 為界，低于0.86 的制管后升高，高于0.86 的制管后降低。結合圖5 可看出：卷板屈強比的高低與抗拉強度相關性較大，屈強比低的抗拉強度較高，制管后屈服強度升幅比抗拉強度大，使制管后屈強比升高；而卷板屈強比高的剛好與之相反，抗拉強度偏低，對應的制管后抗拉強度升高幅度比屈服強度大，從而使屈強比降低。

圖4 制管前后屈強比的變化曲線

圖5 卷板的強度與屈強比關系曲線

3.2 制管前后沖擊韌性的變化

表3 為X90 鋼級卷板和鋼管分別在-20 ℃和-10 ℃下的沖擊試驗結果，圖6 所示為制管前后沖擊韌性變化曲線，按卷板沖擊功升序排列。從表3 及圖6 可以看出：盡管鋼管沖擊試驗溫度升高了10 ℃，但總體上制管后沖擊功呈降低趨勢，最高降低42 J，平均降低18 J。

4 結果分析及建議

4.1 形變強化對試驗結果的影響

一般對管線鋼制管后性能的影響有兩個因素，一是包申格效應，二是形變強化［16］。包申格效應是指當金屬在一個方向塑性變形后，再反向變形時其屈服強度下降。形變強化是指隨著塑性變形量的增加，金屬流變也增加的現象［17］。當卷板制成螺旋縫焊管時，材料發生了彎曲塑性變形，受到了形變強化的作用，而X90 鋼級卷板和鋼管拉伸試樣為圓棒試樣，圓棒試樣在加工過程中不允許展平，避免了包申格效應的影響，只受形變強化的影響，從而造成制管后屈服強度和抗拉強度升高而韌性下降。

表3 X90 鋼級卷板和鋼管的沖擊試驗結果J

圖6 制管前后沖擊韌性的變化曲線

4.2 顯微組織對試驗結果的影響

X90 鋼級管線鋼的顯微組織以粒狀貝氏體為主（圖1），這樣的組織內部含有高密度的可移動位錯，且其間分布著大量M/A 組元，這種組織的管線鋼在受到拉伸應力時顯示出明顯連續屈服的特征，有較高的形變強化能力?？梢哉f形變強化對制管后強韌性變化量是由材料的顯微組織決定的，而顯微組織是由化學成分和軋制工藝決定的；所以不同工藝生產出的高鋼級管線鋼制管后強韌性的變化幅度是不同的，需要卷板生產廠和制管廠共同合作研究，以保證鋼管的性能滿足要求。

4.3 建 議

根據試驗結果，制管后屈服強度平均上升15 MPa，抗拉強度平均上升23 MPa，卷板強度越高，制管后升幅越小。卷板屈服強度在高于670 MPa、抗拉強度在高于800 MPa 時，制管后強度不再升高。因此，為保證卷板制管后有一定的形變強化容量，使鋼管在投入運行后更加安全，在不考慮涂敷熱時效的情況下，建議控制卷板屈服強度平均值在670 MPa 以下，抗拉強度平均值在800 MPa 以下。根據夏比沖擊試驗結果，雖然鋼管和卷板試驗溫度有10 ℃的溫差，但制管后沖擊功普遍降低，平均降低18 J。從制管后的沖擊功看，由于X90 鋼級管線鋼強度較高，沖擊韌性相對較低，存在卷板沖擊功平均值偏低使鋼管沖擊功平均值靠近標準下限的風險。因此，為保證制管后的沖擊韌性，使鋼管有較好的抗裂韌性，建議卷板沖擊功控制值應比鋼管沖擊功要求值高20 J 以上。

5 結 論

試驗結果表明：X90 鋼級管線鋼制管前后的強韌性有較明顯的變化。

（1） 制管后屈服強度平均上升15 MPa，抗拉強度平均上升23 MPa。為使鋼管在投入運行后更加安全，卷板制管后有一定的形變強化容量，在不考慮涂敷熱時效的情況下，建議控制卷板屈服強度平均值在670 MPa 以下，抗拉強度平均值在800 MPa 以下。

（2） 在鋼管試驗溫度比卷板高10 ℃的情況下，受形變強化的影響，鋼管沖擊功平均降低18 J。由于X90 鋼級管線鋼強度較高，韌性相對較低，為保證鋼管的沖擊韌性，建議卷板沖擊功控制值應比鋼管沖擊功要求值高20 J 以上。

（3） 形變強化對制管前后強韌性的影響由卷板化學成分、軋制工藝決定，不同工藝生產出的卷板應根據實際情況驗證性能變化規律，使鋼管性能滿足要求。

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