B+F双相X80管线钢模拟海水环境中慢应变拉伸各向异性研究

马静 王申豪 张双杰 范利锋

摘 要：為研究B+F双相X80管线钢各向异性对安全服役的影响，采用金相扫描电镜观察、慢应变拉伸法和电化学极化法，在模拟海水环境中，与轧制方向呈0°，45°，90° 3种不同角度试样的B+F双相X80管线钢的慢应变拉伸和极化行为进行了分析。结果表明：双相X80管线钢组织由多边形铁素体和板条状贝氏体组成，铁素体和贝氏体含量近似为1∶1;在模拟海水环境慢拉伸条件下，B+F双相X80管线钢与轧制方向呈不同角度试样的屈服强度随取样角度的增大明显降低，说明海水对B+F双相X80管线钢具有明显的应力腐蚀作用;与轧制方向呈0°试样的X80管线钢的慢应变拉伸应力与应变曲线呈圆顶状，屈服强度和抗拉强度均最高，屈强比为0.81，均匀伸长率为134%，可以满足使用要求;与轧制方向呈90°试样的双相X80管线钢的自腐蚀电位最负，自腐蚀电流最大，耐海水腐蚀性能最差;与轧制方向呈45°试样的双相X80管线钢的自腐蚀电位最正，耐蚀性最优。研究B+F双相X80管线钢在模拟海水中的慢应变拉伸各向异性，可提高其安全服役性，对大变形管线钢的实际生产具有一定的借鉴价值。

关键词：金属材料工程;双相管线钢;各向异性;慢应变拉伸;极化行为;海水腐蚀

中图分类号：TG1421   文献标识码：A   doi：10.7535/hbkd.2020yx05009

Abstract： In order to study the effect of anisotropy on the safe service of B+F dual-phase X80 pipeline steel， the slow strain tensile and polarization behaviors of hot rolled ferrite + bainite dual-phase X80 pipeline steel at three angles（0°， 45° and 90°） with rolling direction were analyzed by metallography， scanning electron microscopy， slow strain tensile test and electrochemical polarization method in simulated seawater. The result shows that the dual-phase X80 pipeline steel is composed of polygonal ferrite and lath bainite， and the content ratio of ferrite and bainite is about 1∶1. The slow tension yield strength of X80 pipeline steel with different angles from rolling direction decreases significantly with the increase of sampling angle in simulated seawater environment， which indicates that seawater has obvious stress corrosion to X80 pipeline steel; the slow strain tensile stress-strain curve of B+F dual-phase X80 pipeline steel parallel to rolling direction（0°） shows dome shape， the yield strength and tensile strength are the highest， the yield strength ratio is 0.81， and the uniform elongation is 13.4%， which can meet the application requirement; the self-corrosion potential of B+F dual-phase X80 pipeline steel perpendicular to the rolling direction（90°） is the most negative and the self-corrosion current is the largest， which indicates the seawater corrosion resistance is the worst; the corrosion resistance of dual-phase pipeline steel in the direction of 45° from the rolling direction in simulated seawater is the best due to the most positive self-corrosion potential. The research on the slow strain tensile anisotropy of B+F dual-phase X80 pipeline steel in simulated seawater environment can improve its safe service， and has some reference value for the actual production of large deformation pipeline steel.

Keywords：metal materials and engineering; dual-phase pipeline steel; anisotropy; slow strain tensile; polarization behavior; seawater corrosion

X80管线钢具有很高的强韧性，可以长效、安全、经济地长距离输送，近些年在油气运输中需求量不断增加[1-3]。油气输送管线在铺设以及服役过程中，不可避免地会穿越地震多发区、不连续冻土区和疏松黄土区等地质活动复杂地带，会因外部非正常载荷干扰而产生屈曲、拉裂和挤毁等大变形失效[4-5]。贝氏体+铁素体（B+F）双相大变形管线钢由软相铁素体（F）和硬相贝氏体（B）组成。软相F提供良好的塑性变形能力，而硬相B提供足够的强度，两相协调变形可使管线钢获得低屈强比和高均匀伸长率，满足大变形的要求[6-8]。

在管线钢生产过程中，与轧制方向呈不同角度方向的组织和性能存在差异，这就造成了各向异性。管线钢管有直管弯曲和螺旋弯曲2种弯管生产方式，弯管方式不同，管线钢的承受应力情况差异很大，一般油气输送管道内所受径向应力大于轴向应力，且在复杂环境下服役时往往承受着多个方向的应力与应变作用[9-12]。张海等[10]、宗毳等[13]研究了与轧制方向呈不同角度管线钢的各向异性，但所研究的管线钢显微组织为粒状贝氏体（针状铁素体），双相B+F大变形管线钢的各向异性研究未见报道，因此研究B+F双相管线钢的各向异性具有重要意义。中国具有辽阔的海水资源，石油和天然气储量丰富，生产油气过程中的设备和管道必然会受到海水的应力腐蚀。王灿[14]和WU等[15]分别研究了X65和X70管线钢在模拟海水环境下的应力腐蚀行为，而X80管线钢的应力腐蚀研究甚少。应力腐蚀的研究评定方法较多，其中常用方法为慢应变速率实验法，应变速率范围通常为1×10-7～1×10-3 s-1，可以快速确定延性材料在腐蚀环境中的应力腐蚀敏感性。本文拟采用热轧生产的B+F双相X80管线钢，研究与轧向呈不同角度方向的管线钢在模拟海水中的慢应力拉伸行为和极化行为。

1 材料与方法

选用热轧处理态的B+F双相X80管线钢板材，使用HBKD-CL-009直读光谱仪测定其成分，见表1。分别选取与轧制方向呈0°，45°和90°进行组织观察和硬度测定。采用德国蔡司显微镜观察管线钢的组织，采用TMVS-1型维氏硬度计测量X80管线钢的硬度，载荷为9.8 N，保持时间10 s，每个试样测9点，取平均值。

慢应变拉伸试样按GBT 228—2002进行线切割，试样尺寸如图1所示。将线切割好的板状B+F双相X80管线钢试样两面用SiC砂纸打磨至1.7 μm，然后抛光至镜面。采用YYF-50型慢应变速率应力腐蚀实验机对试样进行拉伸，应变速率为1.33×10-6 s-1，模拟海水溶液成分如下：NaCl 27 g/L，MgSO4 3 g/L，MgCl2 2 g/L，CaCl2 1 g/L。拉伸后的试样采用TESCAN VEGA3钨丝扫描电子显微镜进行断口观察。

將试样打磨抛光后采用聚四氟乙烯包裹露出1 cm2的面积进行极化曲线测量。极化曲线测试采用北京中腐防蚀工程技术有限公司生产的PS-268A型电化学分析仪，电解液与慢应变拉伸模拟海水溶液相同，辅助电极采用石墨电极，参比电极采用饱和甘汞电极。

2 实验结果与分析

由B+F双相X80管线钢的化学成分可知X80为低碳微合金钢，Nb含量为0.518%（质量分数，下同），微量Nb的加入有助于增强钢的固溶强化和碳化物强化;Si的存在可以明显提高钢的弹性极限和屈服极限;Mn含量为1.5%，可以提高钢的淬透性。

2.1 金相组织分析

与轧制方向呈不同角度的B+F双相X80管线钢的金相组织如图2所示。由图2可知：X80管线钢的金相组织由白色铁素体和黑色贝氏体组成，铁素体呈多边形，贝氏体呈板条状。与轧制方向平行（0°）方向性最为明显，铁素体和贝氏体被拉成长条状，晶粒较为粗大;与轧制方向垂直（90°）方向铁素体晶粒细小，近似呈等轴状，贝氏体板条更细。经图像分析可得，铁素体含量为46.7%～55.2%，铁素体和贝氏体含量近似为1∶1。B+F双相X80管线钢试样0°方向维氏硬度稍高，为228.4 HV;45°方向维氏硬度居中，为220.4 HV;90°方向维氏硬度略低，为207.7 HV。各方向硬度的差异与相分布、相含量的波动有关，铁素体含量较高的方向其硬度相对较低，贝氏体含量较高的方向其硬度较高。

2.2 力学性能分析

与轧制方向呈不同角度试样的X80管线钢在模拟海水中的慢应变-应力曲线如图3所示。在慢应变拉伸下，平行于轧制方向试样应力-应变曲线呈现圆顶状，没有明显的屈服点;而与轧制方向呈45°和90°试样呈现出明显的屈服平台，上屈服点和下屈服点较为接近。屈服现象是低碳钢所特有的力学性能特点。这是由于钢中的C，N原子形成的柯氏气团对位错的钉扎作用，当位错挣脱了柯氏气团的钉扎时，可以在较小的应力作用下维持进一步的塑性变形。X80管线钢的屈服对其在海水使用环境中的应用是不利的，在受到一定应力的情况下，持续的塑性变形不利于尺寸稳定。X80管线钢化学成分中本身的含碳量较低，只有0.093%，加入一定含量强碳化物形成元素Ti，Nb，Mo等合金元素，其主要作用在于这些元素与C和N的亲和力较强，可以形成碳氮化物，将C和N固定下来，从而消除屈服现象。

与轧制方向呈不同角度的X80管线钢强度对比如图4所示。在慢拉伸应力作用下，X80管线钢的屈服强度相对于X80级别对应的552 MPa明显降低，与轧制方向呈0°试样的屈服强度最高，为531 MPa，45°试样其次，90°试样的屈服强度最低，为491 MPa。与轧制方向呈0°试样的抗拉强度最高，45°与90°试样的抗拉强度较低，非常相近。

与轧制方向不同角度的X80管线钢塑性对比如图5所示。0°试样的断后延伸率最低为24%，90°试样的延伸率最高为26.5%，45°试样的延伸率略低于90°试样的断后延伸率，这与强度结果是一致的。不同方向的均匀伸长率在12%～14.5%之间，均大于大变形8%的最低要求。总体而言，X80管线钢各方向塑性均较高。

通常认为，在基于应变设计的大变形管道中，纵向拉伸性能很大程度上决定着管道的形变能力。抗大变形管线钢在满足高强度的同时还应具备应变-应力曲线为无屈服平台型（圆屋顶状）、低屈强比（≤0.85） 、高均匀伸长率（≥8%）等特点[16-18]。因此在海水环境下，平行于轧制方向应力-应变曲线符合圆屋顶状特征，屈强比为0.81，均匀伸长率为13.4%，可以满足使用要求。

2.3 断口形貌分析

X80管线钢慢应力拉伸后的断口形貌如图6所示。X80管线钢的0°，45°，90°拉伸试样在慢应力拉伸状态仍表现为韧性断裂，相对于原始试样断面，宏观断口均发生了明显颈缩，断口分纤维区、放射区和剪切唇3个区域。纤维区位于板面的中心，是断裂裂纹萌生和慢速扩展区域，与主应力垂直。与轧向呈0°试样断口纤维区存在较大较深的裂纹，说明该方向铁素体和贝氏体较为粗大，且分布不均匀，在承受应力发生变形时变形程度不同从而形成裂纹然后发生扩展;与轧向呈45°试样纤维区存在较多的孔洞，该方向的晶粒较为细小，在应力的作用下受力均匀，发生了更为均匀的变形;90°试样纤维区最小。

放射区是裂纹快速扩展的区域，是脆性断裂的表现。与轧制方向呈不同角度的X80管线钢试样放射区均呈“八”字形，放射方向与板面平行，表明裂纹沿板面平行方向扩展。0°试样放射区最大，说明该方向强度较高，塑性较差;90°试样放射区最小，因此该方向强度较低，塑性最好。剪切唇与放射区相毗邻，表面光滑，与拉应力方向成45°角，是典型的剪切断裂。90°试样的剪切唇面积最大，0°试样剪切唇面积最小。

纤维区和剪切唇的面积占比越大，材料的塑性和韧性越好。90°试样断口的纤维区和剪切唇面积最大，代表材料脆性大小的放射区面积比较小，说明垂直于轧制方向的X80管线钢韧性和塑性最好;0°试样的断口放射区面积最大，剪切唇和纤维区面积最小，说明平行于轧制方向的X80管线钢强度最大，延伸率最小，韧性塑性最低。

韧窝越大代表材料韧性塑性越好，微观断口如图7所示。由图7可知，0°试样的微观断口较为平坦，韧窝小而多，大韧窝很少，尺寸均匀，小韧窝平均直径约为3.57 μm，表明塑性、韧性最差，延伸率最小;45°试样韧窝大而深，大韧窝平均直径为10.29 μm，小韧窝较少，表明韧性、塑性和断后延伸率较0°试样有所提高;90°试样的微观断口形貌中韧窝尺寸最大，平均直径为16.01 μm，表明韧性和塑性最高，延伸率较大。这与拉伸性能和断口的宏观形貌分析[19-21]是一致的。

2.4 极化曲线分析

与轧制方向呈不同角度的X80管线钢在模拟海水中的极化曲线如图8所示，对曲线进行塔菲尔直线拟合，得到自腐蚀电位和自腐蚀电流密度，见表2。

3个角度的X80管线钢的自腐蚀电流较为接近，均在1×10-3数量级，自腐蚀电位差别较大，与轧制方向呈45°试样的自腐蚀电位最正，该方向最不易发生腐蚀;90°试样的自腐蚀电位最负，腐蚀电流最大，说明垂直于轧制方向腐蚀倾向较高，更容易发生腐蚀。其原因在于该方向晶粒更为细小，铁素体和贝氏体的电极电位不同，形成了数量众多的腐蚀微电池，因此耐蚀性较差。

3 结 论

1）本研究对B+F双相X80管线钢在模拟海水环境中慢应变拉伸的各向异性进行了研究，对提高其安全服役性能具有一定的指导作用。

2）热轧态B+F双相X80管线钢由多边形铁素体和板条贝氏体组成，铁素体和贝氏体含量近似为1∶1，维氏硬度为207.7～228.4 HV。

3）在模拟海水慢拉伸条件下，与轧制方向呈不同角度的B+F双相X80管线钢随着取样角度的增大，屈服强度显著下降，说明海水对B+F双相X80管线钢具有明显的应力腐蚀作用。

4）在慢应力拉伸条件下，与轧制方向平行方向（0°）的双相管线钢应力-应变曲线呈现出圆屋顶状，屈服强度和抗拉强度最高，屈强比为0.81，均匀伸长率为13.4%，可以满足使用要求。

5）在模拟海水中，B+F双相X80管线钢垂直于轧制方向（90°）的自腐蚀电位最负，自腐蚀电流最大，耐海水腐蚀性能最差;与轧制方向呈45°方向的自腐蚀电位最正，耐蚀性最优。

6）本研究结果针对的是1.33×10-6 s-1应变速率下的慢应变拉伸，与具体使用状态有所差异。未来可对更多应变速率下慢应变拉伸行为的各向异性进行深入研究，尽可能真实地模拟管线钢的服役状态。

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