X80管线钢合金化设计及制管工艺研究

宋锴星+陈蒙+王阳

摘 要：本文对X80管线钢的合金化设计及原始显微组织进行了研究分析，并阐述了目前X80管线钢主要制管工艺的过程及原理，分析了不同管坯成形方法对材料原始性能的影响。研究表明，X80管线钢中最主要的强化元素为Mn，同时添加Nb、Ti、V等合金微量元素，使显微组织主要为针状铁素体，具有高强度和高韧性；UOE成形和JCOE成形的X80管线钢钢管内均存在较为复杂的应力分布，而UOE成形相比JCOE成形的管坯残余应力小，分布更均匀。

关键词：X80管线钢；合金化；UOE成形；JCOE成形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.043

0 引言

随着生产生活对油气资源需求量的不断增加，油气管道的输送正朝着增大压力和管径的方向发展。如今的管道建设主要以大压力、长距离、大管径输送为特征[1]，因此如何长距离安全高效的运输油气，已经成为当今科学研究的一个重要课题。

大口径、长距离的高压输送管线具有运量大、安全可靠、成本低等优势，因而使用高等级、大壁厚管线用钢呈现出越来越强的发展态势[2]。20世纪60年代以来，高强度管线钢已逐渐在世界各国的油气运输中得到使用。近年来以X70级管线钢为主，但随着X80级管线钢的大规模应用，X80级管线钢已逐渐成为目前高压输送天然气管线的首选钢级。

1 X80级管线钢的合金化

一般情况下，提高钢材的强度会损害材料的韧性，而细化晶粒可以在提高强度的同时不损害韧性。通过第二相粒子的弥散分布，可以阻止晶粒长大而使晶粒细化，也可以通过添加合金元素的方法获得细化的晶粒[3]。X80级管线钢是通过优先获得最大程度的晶粒细化，并平衡不同机制的贡献，使脆性转变温度降低和强度提高。因此，X80管线钢中的微合金元素的选择及有害元素含量的控制就显得尤为重要。

由表1-1可以看出，C含量小于0.06%，Mn含量在1.5～2.0%之间。虽然C是钢中最经济、最基本的强化元素，但提高C含量会降低钢的延展性和韧性，同时对管道的焊接具有负面影响。因此，降低C含量有助于提高钢的延韧性，改善钢的焊接性能。而Mn元素作为管线钢中最主要的强化元素，可以弥补因C含量降低引起的材料强度损失。Mn还能够使奥氏体区扩大，降低奥氏体转变温度，有助于获得细小的相变产物使晶粒细化，从而提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。

管线钢中的重要微量合金元素包括Nb、V、Ti等。其中，Nb元素对于晶粒细化的作用十分明显。NbC可以在应变诱导的作用下析出，阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，使奥氏体组织在相变时获得细小组织。Ti是强固N元素，细小TiN具有高温稳定性，它的析出可有效地阻碍板材再加热时的奥氏体晶粒长大，同时有助于改善焊接热影响区的冲击韧性。铜、镍主要通过固溶强化来提高钢的强度，可以弥补厚规格管线钢中由于厚度增加而引起的强度下降。硫、磷是钢中不可避免的杂质元素，其含量越低越好。

X80管线钢的原始组织主要由针状铁素体组成，同时含有粒状贝氏体和准多边形铁素体。针状铁素体晶粒细小，且晶界两侧晶粒的位向通常不同，因此能够使钢材具有较高强度的同时提高其韧性，而且止裂性能良好。

2 制管工艺

按照焊缝形状及焊接方式的不同，管线钢管可分为直缝埋弧焊管、螺旋缝埋弧焊管和直缝高频电阻焊管[4]。直缝埋弧焊管的成形方式，包括UOE成形法、JCOE成形法和RBE成形法等[5]。其中，UOE成形法和JCOE成形法是目前国内两种主要的直缝焊管成形方法。

2.1 UOE成形法

UOE成形法是以经过铣边和焊接的热轧厚板为原料进行塑性成形的技术。其中预弯、U成形和O成形是该成形方法的三个主要成形工序。

预弯是UOE成形的第一道成形工序，一般采用压弯成形。预弯的主要目的是使得板料边缘具有与最终成型后的管材具有相同或相近的曲率[6]。用夹紧模具夹紧板料并固定，同时固定上预弯模具，下预弯模具向上进给，使板料端部预弯变形。预弯后的板料端部被成形为具有连续曲率的光滑圆弧。

U成形是UOE成形的第二道工序。U成形借助支撑辊和弯曲凸模对板材进行水平和竖直两个方向的协调加载。成形时，在U成形机上放置预弯后的板料，弯曲凸模将板料垂直向下压制，使板料发生弯曲变形，成形为上端开口较大的敞口U形。通过支撑辊的作用，使板料端部向内收合，成形为近似U形。

O成形时，在O成形下模具中放置U形板料。随着上O成形模具向下进给，板料沿着O模具的内壁逐渐贴合，呈近似圆形。最终，板料被成形为开口管坯。经过焊合后完成直缝焊管的主要成形工序。O成形阶段中，明显的周向压缩变形使管坯内部应力分布状態均匀化，并能有效提高管坯的几何成形质量。

在预弯和U成形工序中，板料的变形主要是弯曲变形。X80级管线钢钢板在O成形工序中的变形包括：弯曲和周向压缩。U形板料在直壁段的中间位置发生折弯变形，因此在直壁段与圆弧部分的过渡区、直壁段的折弯区，存在较大的残余应力。制品在U成形工序中的冷变形都会使钢板制成焊管后的拉伸性能和冲击韧性发生改变，而且X80级高强度钢板对于冷变形的敏感性要比低强度钢高。因此，必须控制UOE成形过程中的弯曲、压缩变形不超过1.5%。同时合金化设计时必须考虑到制管过程中板管性能的变化。

2.2 JCOE成形法

JCOE钢管成形的主要成形工序包括：预弯和多道次的步进弯曲工序。其预弯工序与UOE方法的预弯相似。在步进弯曲工序中，可将板料先后成形的断面形状分为J形、C形和O形。

首先，将经过预弯的板料一侧放在弯曲模具中，经多道次弯曲成形，最终将板材加工为曲率与制品相近的圆弧。成形后的板料横断面与J形相似。随后再将板料的另一侧经多道次弯曲成为与之对称的圆弧。最后，再对板料中间位置进行弯曲，使板料最终成形为横截面类似C形的状态，经焊接后成形为O形直缝焊管管坯。endprint

在JCOE成形过程中，除最后一道次弯曲成形外，其它每道次成形均为非对称弯曲成形，板料内部应力应变场与模具中心不对称。X80级钢板同时受到形变强化和包申格效应的作用，这两种作用同时存在，其产生的效果相互制约，影响着钢管成形后的性能。有研究表明，X80管线钢在经JCOE成形后，冲击韧性呈下降趋势，硬度上升不明显。但是X80管线钢焊接中引起的热影响区软化较大，制管后热影响区硬度下降。X80级管材屈服强度的变化与管道成形过程中的形变量有关，而形变量与厚径比有关[7]。厚径比越大，X80钢制管后屈服强度上升也越大。因此，JCOE成形法制取厚径比大的X80钢管道，将获得高的强度。

3 总结

（1）X80管线钢中最主要的强化元素为Mn，同时添加Nb、Ti、V等合金微量元素。Mn有助于提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。Nb、Ti、V三种元素具有较高的析出强化作用，以保证X80管线钢高强度和高韧性。铜、镍可通过固溶强化的作用提高钢的强度。

（2）在经UOE成形和JCOE成形后，X80管线钢钢管内均存在较为复杂的应力分布状态。在U形板料直壁与圆弧部分的过渡区和折弯区，UOE成形的管坯存在较大的残余应力；而JCOE成形的管坯在管底部较大的残余应力。

（3）X80管线钢在经JCOE成形后，冲击韧性呈下降趋势，硬度上升不明显。但是X80管线钢焊接中引起的热影响区软化较大。同时，成形厚径比大的X80钢管坯可获得较高的屈服强度。

参考文献：

[1]庄传晶，冯耀荣等.国内X80管线钢的发展及今后的研究方向[C]. X80级管线钢国际技术研讨会会议文集，北京，2004：22-32.

[2]J.Y.Yoo，S.S.Ahn，D.H.Seo，et al.New development of high grade X80 to X120 pipeline steels[J].Materials and Manufacturing Processes，2011，26（01）：154-160.

[3]高惠临.管线钢——组织、性能、焊接行为[M].西安：陕西科学技术出版社，1995.

[4]Janzen T S. The alliance pipeline a design shift in long distance gas transmission [C].Proceeding of International Pipeline Conference，ASME，Calgery，Canada，1998.

[5]王曉香.我国油气长输管线用焊接钢管生产技术的发展与展望[J].钢管，2004，33（03）：7-13.

[6]刘京雷，黄克坚，阮锋.预弯工艺参数对UOE焊管O成形的影响[J].塑性工程学报，2005，12（03）：71-75.

[7]杜伟，娄琦，黄磊等.管线钢JCOE制管前后力学性能变化分析[J]. 焊管，2010，33（05）：20-23.endprint