时效对φ1219mm直径抗大变形X80钢管各向异性的影响

刘海华，徐祝兵

(江苏沙钢集团, 江苏 张家港 215625)

随着我国国民经济的高速发展，对石油天然气的需求量逐年增加，由于石油天然气产地大都位于偏远的荒漠、山区以及海底等特殊地区，石油天然气的运输尤为重要。管道输送是石油天然气运输的最为高效和便捷的运输方式。据统计，我国陆上70%的石油和99%的天然气要依靠管道输送[1]。因此，为了降低输送成本，大口径、高压力、高钢级是石油天然气输送管道运输的发展方向[2-5]。

由于石油天然气输送管道距离较长，横跨多个省份和区域，如我国的西气东输二线管道自西向东途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、湖南、广东、广西等14个省区市，干线全长4895 km，将不可避免经过一些特殊地区，如强震区、活动断裂带、冻土区、矿山采空区，以及长江、黄河等大江大河，在这些区域需要铺设具有抗大变形能力的特殊钢管，保证在一定的地形变动条件下管道的运行安全。

目前用于石油天然气管道输送的管线钢大都采用TMCP(热机械轧制)工艺生产[6-7]，在长期的服役过程中，不可避免受到时效的影响。另外，在钢管的制管过程中，卷管、扩径及热涂敷等工艺都使管材产生时效效应[8-11]。因此，研究钢管的时效行为具有重要的意义。本文对目前国内大型管线铺设的φ1219 mm直径X80抗大变形钢管时效的各向异性进行研究，对服役油气管道的安全输送具有重要的参考价值。

1 试验材料和方法

试验材料为18.4 mm壁厚、φ1219 mm直径X80钢管，钢管化学成分见表1。沿钢管纵向和横向截取拉伸和冲击试样(见图1)，拉伸试样加工成尺寸为φ12.7 mm×50 mm的标准拉伸试样，冲击试样加工成尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口试样。拉伸和冲击试样分别在热处理炉中加热到180、200、220和250 ℃，保温10 min，空冷至室温。拉伸试验在Instron型液压伺服万能实验机上进行，拉伸应变速率4×10-3/s，冲击试验在V型缺口冲击试验机上进行，试验温度为-10 ℃。把不同时效工艺后试样加工成金相试样，再经机械研磨抛光处理后，用4%硝酸酒精溶液浸蚀显示显微组织后，用吹风机吹干。在ZEISS扫描电子显微镜上观察金相显微组织，加速电压20 kV。

表1 X80钢管的化学成分(质量分数，%)

图1 φ1219 mm直径X80钢管取样示意图Fig.1 Sampling diagram in X80 steel pipes with diameter φ1219 mm

2 试验结果与分析

2.1拉伸性能

图2为不同时效温度下X80钢管的拉伸试验的应力-应变曲线，横向和纵向原始态试样的应力-应变曲线均为光滑的拱顶型曲线，没有明显的屈服平台，然而随着时效温度的升高，在应力-应变曲线上可以观察到屈服平台。对于横向拉伸应力-应变曲线，当时效温度增加到250 ℃时，屈服平台较为明显，见图2(a)。对于纵向时效后的拉伸应力-应变曲线，当时效温度增加到220 ℃时，开始出现明显的屈服平台，见图2(b)，说明钢管的纵向对时效较为敏感。

X80钢管时效后屈服平台的出现，对材料的屈服强度产生直接影响。图3为不同时效温度的X80钢管屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)的变化规律。在较低的时效温度下，材料的屈服强度和抗拉强度变化不明显，当时效温度增加到200 ℃，随着时效温度增加，材料的屈服强度和抗拉强度显著增加，而屈服强度的增加比例明显高于抗拉强度。当时效温度升高到250 ℃时，与原始态相比，横向拉伸抗拉强度增加22 MPa，屈服强度增加67 MPa，而纵向拉伸抗拉强度增加41 MPa，屈服强度增加82 MPa，表现为明显的各向异性特点。

(a)横向；(b)纵向图2 不同时效温度下X80钢管的应力-应变曲线(a) transverse direction；(b) longitudinal directionFig.2 Stress-strain curves of X80 steel pipes under different aging temperatures

(a)横向；(b)纵向图3 不同时效温度下X80钢管的屈服强度和抗拉强度(a) transverse direction；(b) longitudinal directionFig.3 The yield and tensile strength of X80 steel pipes under different aging temperatures

2.2冲击性能

图4为不同时效温度后X80钢管横向和纵向冲击韧性。对于原始态试样，纵向平均冲击功比横向高32 J。随着时效温度增加，材料的冲击韧性降低，当时效温度增加到250 ℃时，纵向冲击韧性降低到281 J，与原始态相比降低了37 J，而横向冲击韧性则降低到272 J，与原始态相比，降低了14 J，则纵向冲击表现为较为明显的时效效应。

图4 不同时效温度下X80钢管的冲击功Fig.4 Impact energy of X80 steel pipes under different aging temperatures

2.3显微组织观察

图5为不同时效后X80钢管显微组织的SEM形貌，原始态金相组织为典型的铁素体+贝氏体双相组织，铁素体呈准多边形形貌，而贝氏体为粒状贝氏体特征，在铁素体基体上分布有颗粒状的岛状物(白色颗粒)，白色颗粒为马奥岛(MA)，见图5(a)。当回火温度为180 ℃时，与原始态相比，没有观察到组织类型发生明显的变化，但MA组织有所减少，可能低温时效过程中随着碳元素的扩散，MA组织分解所致，见图5(b)。当时效温度升高到200 ℃时，在基体中观察到白色纳米尺度的细小析出相，析出相弥散分布在集体中，见图5(c)和5(f)；而在原始态组织中局部放大倍数下则没有观察到大量的析出相存在，见图5(e)。此外，粒状贝氏体组织中的MA岛大量减少，说明该时效温度下组织中的碳元素扩散加速，碳的扩散诱发了MA岛的分解，同时促进了纳米尺度碳化物的析出。

国内外应用的X80级管线用钢基本都是采用TMCP工艺和轧后快速冷却速生产，钢中显微组织中存在高密度位错亚结构[12-15]，轧后的快速冷却使钢中C、N原子不能充分扩散，而处于亚平衡态。此外，制管过程中的冷变形使显微组织处于形变状态，加剧了材料内部的非平衡状态[16]。时效处理使制管过程中的内部应力得以释放，热输入促进了TMCP钢中位错的滑移和运动，位错的滑移进一步促进了钢中非平衡态C、N原子的扩散，形成纳米尺度碳氮化物。在拉伸形变过程中，析出的碳氮化物抑制了位错的滑移，形成科垂耳气团，发生显著的时效效应，特别是在钢管纵向方向。因为钢管纵向即为管线钢的轧制方面，在TMCP生产过程中，晶粒的纵向变形大大高于横向，这种变形直接导致了钢板在纵向和横向方向的各向异性，即纵向的冲击韧性高于横向冲击韧性，而纵向强度却略低于横向。钢管横纵方向的各向异性在时效过程中得到释放，时效使钢管内部组织的亚稳状态向平衡态转变，亚稳状态越显著，则时效效应越显著，所以钢管纵向时效效应明显大于钢管横向。

(a)和(e)原始态；(b)180 ℃时效；(c)和(f)200 ℃时效；(d)220 ℃时效图5 不同时效工艺下X80钢管的金相组织(a),(e) without aging；(b) aging at 180 ℃；(c),(f) aging at 200 ℃；(d) aging at 220 ℃Fig.5 Microstructure of X80 steel pipes under different aging temperatures

此外，钢管的时效温度越高，因为位错运动而消失的越多。时效过程中因碳氮原子扩散析出的碳化物越多，则时效效应越明显。所以随着时效温度的升高，材料的屈服强度增加越高，而冲击韧性则随之降低。

3 结论

φ1219 mm直径X80钢管在时效过程中存在明显的各向异性，钢管纵向时效敏感性大于横向，纵向拉伸在200 ℃时效温度出现显著时效特征，而横向则在220 ℃开始出现时效行为。随着时效温度的升高，钢管纵向和横向的各向异性向平衡态转变，横向和纵向方向的力学性能差距逐渐缩小。

在180 ℃的低温时效范围内，X80钢管的显微组织没有显著的变化，当时效温度升高到200 ℃时，时效诱发了纳米尺度碳氮化物的大量析出。