退火温度对小直径厚壁HFW 焊管组织与性能的影响

2021-06-04王怡然孙磊磊

焊管 2021年5期

王怡然，孙磊磊

（宝山钢铁股份有限公司，上海201900）

0 前言

能源需求促进边际油气田和海上油气资源的开发，海底管线的重要性日益凸显[1]。海底管线是海洋油气资源开采和输送系统的关键组成部分，也应用于穿越海洋的长距离油气输送，对能源发展具有重要意义。在管型选择上，主要有直缝埋弧焊管、 HFW 焊管（高频电阻焊管）、无缝钢管等。其中， HFW 焊管具有经济性和较高的尺寸精度，在海洋管道工程中得到越来越广泛的应用[2-3]。

与陆地管道不同的是，恶劣的海洋环境对海底管线用钢提出更加严格的质量要求。海洋管道不仅要求横向性能，还对钢管纵向性能提出要求[4]，最新版的DNVGL-ST-F101—2017 《海底管道系统》[5]要求海洋管道的纵向屈强比≤0.93。而采用控轧、控冷技术制造的微合金化管线钢，其屈服强度的增幅明显大于抗拉强度的增幅，因而与传统低合金高强度钢相比，现代管线钢有较高的屈强比。在过去10 年内，管线钢的屈强比已从0.80 增加至0.90～0.93 或以上。过高的屈强比限制了管线钢的极限塑性变形能力，对管道结构的安全服役造成影响。因此，有关屈强比的研究已成为当前管线钢和管线钢管的研究热点[6]。

而在海洋用HFW 管线管中，随着海洋石油开采从近海向深海发展，钢管需要有较大承压能力，因此，海底管线用钢管正向大壁厚高钢级方向发展[7-10]。随着钢级升高，屈强比明显增大[11]。对于厚壁管而言，钢带在成型过程中由于加工硬化导致屈服强度升高，而抗拉强度变化很小，因此纵向屈强比升高较大[12-13]。在同一管线中，管体纵向屈强比上限相对横向屈强比上限会提高2%～4%[14]。

而小直径厚壁HFW 焊管，随厚径比的增加，管体纵向屈强比的增加相对横向更为明显[15]。制管过程中，冷成型和定径都会导致钢管环向受压、纵向受拉，进而纵向屈服强度和屈强比显著上升，而且直径越小，这种现象越显著，特别是Φ273 mm 小直径HFW 焊管，要求海洋管道的纵向屈强比≤0.93，对于小直径厚壁HFW 焊管有较大的难度。

表1 X65MO 试验钢化学成分 %

本研究针对X65MO 钢级Φ273 mm×12.7 mm规格HFW 焊管纵向屈强比过高的问题，研究了退火处理对其组织与性能的影响，并进行了工业实践，生产的钢管拉伸性能、冲击韧性等均满足标准要求。

1 试验材料与方法

采用工业生产的X65MO 钢级Φ273 mm×12.7 mm 规格HFW 焊管为试验材料，其化学成分和拉伸性能见表1 和表2，采用箱式电阻炉进行退火试验。根据经验，试验钢Ac1相变点在700～750 ℃范围内，因此，选择退火温度为650 ℃、 700 ℃、 710 ℃、 720 ℃、 730 ℃、 740 ℃、750 ℃、 800 ℃，随后空冷至室温。对退火后的试块进行板状试样拉伸试验、硬度检测和显微组织分析。

表2 X65MO 试验钢板状试样拉伸性能

2 试验结果与讨论

2.1 退火温度对显微组织的影响

图1 所示为不同温度退火后试样放大500倍的金相组织。原始样的组织以针状铁素体和碳化物为主，经过650 ℃和700 ℃退火后，组织中的铁素体更趋于多边形化，碳化物显著减少；经过710 ℃退火后，组织中开始出现少量细小的M-A 组元，说明该温度刚进入两相区，随着退火温度进一步上升， M-A 组元的含量和尺寸增加，多边形铁素体含量增加，当退火温度升高到800 ℃，原有的针状铁素体基体组织已完全消失。

图2 所示为两相区退火试样的1 000 倍金相组织照片，可以看到，组织中的M-A 组元主要分布在晶界处，退火温度从710 ℃升高到740 ℃， M-A 组元的尺寸逐渐增大。这是由于退火温度处于两相区时，奥氏体的比例随温度升高而增加，而在后续的空冷过程中，很快进入α相区，奥氏体则转变成了M-A 组元。

图1 不同退火温度试样500 倍金相组织照片

图2 不同退火温度试样1 000 倍金相组织照片

2.2 退火温度对拉伸性能的影响

对经过不同温度退火后的试样进行了拉伸性能检测，不同温度的拉伸曲线和拉伸性能分别如图3 和图4 所示。原始试样的拉伸曲线无屈服平台，屈服强度较高，屈强比达到0.93，均匀延伸率仅为3.5%。经过650 ℃、 700 ℃退火的试样，拉伸曲线均出现上屈服点和屈服平台，屈服强度和屈强比略有下降，但屈强比仍高于0.90，均匀延伸率大幅上升至10%以上，说明制管过程的塑性变形在退火过程中已基本回复。 710 ℃退火试样拉伸曲线有轻微屈服平台，但没有上屈服点，因组织中出现少量MA 组元，抗拉强度有所升高，屈强比略下降至0.90。随着退火温度进一步上升至750 ℃，屈服强度显著下降，抗拉强度缓慢上升，因此屈强比显著下降，拉伸曲线为拱顶型的连续屈服，均匀延伸率基本稳定在10%～12%。当退火温度继续上升到800 ℃时，屈服强度和抗拉强度均有显著的下降，均匀延伸率进一步上升至14%。

图3 不同退火温度试样的拉伸曲线

图4 退火温度对试样拉伸性能的影响

2.3 退火温度对硬度的的影响

原始试样和710～740 ℃退火试样横截面上的维氏硬度对比如图5 所示，包括近外表面、壁厚中心、近内表面三个位置。可以看出，在壁厚方向上，近内表面位置的硬度最高，壁厚中心和近外表面位置的硬度相差不大。在710～740 ℃两相区，随着退火温度的上升，近内表面和近外表面的硬度呈上升趋势，与前文所述的抗拉强度变化规律一致，而壁厚中心的硬度则变化相对较小。

图5 不同退火温度试样的横截面硬度

2.4 讨论和应用

本试验所用的X65MO 管线钢原始组织以针状铁素体和碳化物为主，由于具有较大的厚径比，制管过程的冷成型和定径引入了较大的塑性变形，导致塑性下降，均匀延伸率仅有3.5%，屈强比达到0.93。当低于两相区临界温度退火时，组织的变化主要为回复，碳化物逐渐溶解进入α 相基体中，位错密度降低，材料恢复了原始板材的塑性，同时，位错与碳、氮原子形成柯氏气团，使位错被钉扎，拉伸曲线出现屈服平台和屈服点，强度和屈强比略有下降。而在两相区进行退火时，随着温度的增加，基体组织中的针状铁素体内部亚结构逐渐消失，转变成多边形铁素体，同时，奥氏体在晶界处形核长大，并在随后的冷却中转变成了M-A 组元，从而导致屈服强度快速下降，抗拉强度和硬度则随着M-A 组元尺寸和含量的增加而上升，因组织中出现了软硬两种相，拉伸曲线表现为拱顶型的连续屈服。

由退火温度和拉伸性能的关系可以看出，在两相区退火，材料的组织和性能变化对温度的敏感度很高。退火温度在720 ℃时，获得了较低的屈强比，同时屈服强度仍可满足X65MO 钢级要求；退火温度达到730 ℃时，屈服强度则已下降到接近X65MO 钢级下限。因此，通过精确控制退火温度，可获得适中的强度和屈强比。