时效温度对X90管线钢的影响研究

刘宇斌，闫丽芳，张　娟，何　莹

(1.中国石油管道学院　河北　廊坊　065000; 2.廊坊市筑科工程材料检测有限公司　河北　廊坊　065000)



时效温度对X90管线钢的影响研究

刘宇斌1，2，闫丽芳1，张娟1，2，何莹1，2

(1.中国石油管道学院河北廊坊065000; 2.廊坊市筑科工程材料检测有限公司河北廊坊065000)

摘要:X90属于高等级管线钢，对温度非常敏感。为了了解管道工程建设中防腐涂装温度对X90管线钢的影响，采用油浴加热的方法对X90管线钢进行模拟涂装。结果表明随着加热温度的提高，X90管线钢的屈服强度、抗拉强度及屈强比都相应地提高，断后伸长率变小，同时断后伸长率随着屈强比的提高而趋于稳定; X90管线钢的拉伸曲线由拱顶型拉伸曲线变成有屈服平台的拉伸曲线，最后变成有尖峰的拉伸曲线。另一方面低温时效对其微观组织和冲击韧性没有明显影响。表明时效温度越高对X90管线钢的拉伸性能影响越显著。

关键词:X90管线钢;时效温度;力学性能;拉伸曲线

0　引言

高等级管线钢的应用可以有效减小壁厚，节约钢材，降低成本。我国西气东输二线已经大规模使用了X80管线钢，目前X90管线钢在国外还没有大规模应用，国内还处于试验段的前期研究阶段。由于高等级管线钢对防腐涂装温度非常敏感，那么在实际工程建设中，设计经济合理的防腐涂装工艺对管线钢的性能就非常重要。管线钢在管道工程上的运用一般要经历产品制造变形和防腐涂装作业，那么这个过程就构成了应变时效过程。

应变时效过程机理［1－3］是材料发生微小的塑性变形后，位错因为变形而发生增殖，随着时间的推移和温度的影响，间隙固溶的N、C原子会在塑性变形后的位错周围偏聚形成Cottrell气团，造成位错钉扎，在100℃以下N原子起主要作用，在220℃以上C原子的扩散能力增强，250℃以上N、C原子的扩散率都很大。随着位错附近固溶原子的聚集，位错密度较大的晶界处易脆化导致材料强度与硬度上升和塑韧性下降［4，5］。

国外对高等级管线钢的应变时效过程的已有较多研究［2，3］，国内对X90管线钢的应变时效研究很少［6］，由于UOE直缝焊管的扩径变形通常在1％左右，应变在1％左右对X90管线钢应变时效有着较正面的影响［6］，所以各个厂家生产的UOE直缝X90钢管可以认为是等应变钢管。文章从长输管线工程建设的角度，研究防腐涂装温度对等应变X90管线钢的影响。

1　试验材料与试验方法

试验材料为宝钢和番禺/湘钢两厂家生产的X90 D1219 mm×16.3 mm直缝埋弧焊管。化学成分见表1。试样取样位置、试样的制备及试验方法均采用API SPEC 5L的规定［7］，为了消除包申格效应［8］，试样加工成直径8.9 mm，试验标距为50 mm的横向圆棒试样; CNV冲击试样为10 mm×10 mm×50 mm的标准试样。试样依次编号，每3个同类型试样为一组，每一项试验结果取同一组3个试样试验结果的平均值。试样进行油浴处理模拟防腐涂装热循环。试样在油浴后空冷至室温，在室温下放置24 h后试验。

表1　X90钢管管体的化学成分(质量分数)　％

2　试验结果与分析

2.1时效温度对拉伸性能的影响

2.1.1时效温度对拉伸力学性能的影响

从表2可以看出，宝钢和番禺/湘钢两厂家生产的X90钢管由于化学成分等生产工艺不同，在无加热时效处理状态下，试验得到的屈服强度、抗拉强度、屈强比和断后伸长率均表现出不同的结果。在时效温度170℃时，相对于无加热时效处理，屈服强度、抗拉强度、屈强比数值都增加，断后伸长率相应减小。从时效温度170℃至时效温度230℃对比可知，屈服强度、抗拉强度、屈强比数值继续增加，而伸长率趋于稳定，几乎没有变化。

根据两厂家的X90管线钢的试验结果来看，两厂家的X90管线钢力学性能随时效温度变化而变化的特性呈现出高度的一致性。X90管线钢随着时效温度的升高，屈服强度和抗拉强度都会增加，但屈服强度的增加幅度大于抗拉强度的增加幅度，从试验数据对比可知，屈服强度的增加幅度是抗拉强度增加幅度的2～3倍。显然屈强比也会相应的提高。断后伸长率随着时效温度的上升而变小，同时断后伸长率随着屈强比的上升而趋于稳定。

经过分析，随着时效温度的增加，间隙固溶的N、C原子活性增强，扩散能力增大，位错钉扎作用增强，从宏观上表现出材料的屈服强度、抗拉强度和屈强比的上升，断后伸长率变小;而过高的屈强比则会显著地减小材料的缺陷容量，降低材料的塑性变形能力，促使材料在屈服后迅速趋向断裂，这就是断后伸长率随着屈强比的上升而趋于稳定的原因。

表2　不同时效温度下拉伸试验结果

2.1.2时效温度对拉伸曲线的影响

对于控轧控冷生产(TMCP)的X90管线钢，由于其组织结构以细小的贝氏体和针状铁素体为主，晶体结构高密度位错，从理论上讲，拉伸曲线应该展现连续屈服，连续强化这么一个过程［9］。从图1、图2可以看出，无加热时效处理时，X90管线钢的拉伸试验曲线呈拱顶型，显示了X90管线钢良好的强韧性;随着时效温度的提升，170℃拉伸曲线由拱顶型变成了有屈服平台的拉伸曲线，说明此温度时效对材料的力学性能有了一定的影响;随着时效温度的进一步提升，200℃拉伸曲线变成了有尖峰的拉伸曲线，说明此温度时效对材料的力学性能产生了明显的影响。

2.2时效温度对显微组织的影响

从图3～图6来看，两厂家生产的X90管线钢的显微组织都以板状贝氏体、粒状贝氏体和针状铁素体为主。宝钢生产的X90管线钢的组织晶粒略细。两厂家的X90管线钢在经历了230℃的温度时效处理后，微观显微组织都没有发生明显的变化，说明低温时效处理对材料的显微组织影响很小。

图1　宝钢产X90管线钢不同时效温度下的拉伸曲线

图2　番禺/湘钢产X90管线钢不同时效温度下的拉伸曲线

图3　无加热处理试样(宝钢)金相组织

2.3时效温度对冲击韧性(CVN)的影响

冲击试验仪器采用钢研纳克生产的NI750J冲击试验机，从表3的CVN冲击试验结果来看，宝钢的X90管线钢冲击值略高，这和宝钢生产的X90管线钢的组织晶粒略细有关。两厂家的X90管线钢在经历低温时效处理后，CVN冲击功没有发生明显的变化，说明低温时效处理对材料的冲击韧性没有明显影响。

图4　230℃5min处理试样(宝钢)金相组织

图5　无加热处理试样(番禺/湘钢)金相组织

图6　230℃5min处理试样(番禺/湘钢)金相组织

表3　不同时效温度下CVN冲击试验结果

3　建议

通过试验可知，X90管线钢对温度高度敏感，上述两厂家生产的X90管线钢在不同时效温度下表现出的变化规律高度一致，但是由于两厂家的生产工艺不同(如化学成分)，两厂家的X90钢管表现出来的力学性能也不同。

在管道工程建设中，为了防止应变时效对钢管的不利影响，满足相应的标准规范。可以采取两种方式，一种是控制防腐涂层温度，选择低温防腐涂层材料;另一种是对X90管线钢提出更加严格的技术要求，建立应变时效评价机制，使之在某一时效温度下仍能满足相应的标准要求。由于X90管线钢对温度高度敏感，例如超过230℃将会产生强烈的影响，屈强比非常高，材料的安全容量非常小，几乎不可接受(如管线钢规范API SPEC 5L的规定)，所以建议以控制涂装温度为主。

4　结论

1)X90管线钢具有高度的温度敏感性，随着时效温度的提高，屈服强度、抗拉强度和屈强比相应提高，但屈服强度增加的幅度远大于抗拉强度增加的幅度。断后伸长率变小，同时断后伸长率随着屈强比的上升而趋于稳定。

2)随着时效温度的提高X90管线钢的拉伸曲线由拱顶型曲线变成有屈服平台的拉伸曲线，最后变成有尖峰的拉伸曲线。

3)低温时效对X90管线钢的显微组织和冲击韧性没有明显的影响。

4)在管道工程建设中X90管线钢应控制防腐涂装温度。

参考文献

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［9］王树人，崔志新.管线钢RL0.5的测量误差分析［J］.焊管，2005，28(1): 54－56.

Study on Effects of Aging Temperature on X90 Pipeline Steel

LIU Yubin1，2，YAN Lifang1，ZHANG Juan1，2，HE Ying1，2
(1.China Petroleum Pipeline College，Langfang，Hebei 065000，China; 2.Langfang Zhuke Engineering Material Testing Co.，Ltd，Langfang，Hebei 065000，China)

Abstract:As a kind of high strength steel，X90 pipeline steel is sensitive to temperature.In order to understand if there is any effect of anticorrosion coating temperature on X90 pipeline steel in pipeline construction，the simulation coating on X90 pipeline steel has been carried out with oil bath heating method.The results show that the yield strength，the tensile strength and the yield ratio of X90 pipeline steel increases accordingly with the heating temperature rising，while the percentage elongation after fracture decreases.Meanwhile，the percentage elongation after fracture becomes stable with the increase of the yield ratio.The tensile curve of X90 pipeline steel changed from roundhouse yielding type to yield platform yielding type and finally became a type of tensile curve with a peak.On the other hand，low temperature aging has no obvious effects on its microstructure and impact toughness.The results show that the higher the aging temperature，the more obvious effects it will have on the tensile property of X90 pipeline steel.

Key words:X90 pipeline steel; aging temperature; mechanical property; tensile curve

(收稿日期:2015－12－02编辑:屈忆欣)

第一作者简介:刘宇斌，男，1982年生，讲师，2009年毕业于大连理工大学力学专业，主要从事管道金属材料、建筑材料的研究和检测工作。E-mail: hell_men@ sina.com

中图法分类号:TG142.1

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0032－04