X65 管线钢管成分与性能关系的分析研究*

2023-01-14李立豪张永清韩秀林乔桂英肖福仁

焊管 2022年12期

李立豪，张永清，韩秀林，谷雨，乔桂英，肖福仁

（1. 燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066004；2. 河北省金属产品工艺与性能综合优化重点实验室，河北秦皇岛 066004；3. 中信微合金化技术中心，北京 100004； 4. 渤海装备华油钢管公司，河北青县 062658；5. 周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口 466000；6. 燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛 066004）

0 前言

自20 世纪70 年代初，微合金Mo-Nb 针状铁素体管线钢的出现[1]，低C-Mn-Mo-Nb 管线钢几乎成为高强韧性管线钢的基本体系[2-3]。 21 世纪初，Gray 等[4]提出高Nb 管线钢概念，其以Nb 替代Mo（无Mo 或低Mo）而由此具有成本优势，显著推动了低成本高Nb 管线钢的开发和应用[5-6]， X80 管线钢也扩展出C-Mn-Cr-Nb、 C-Mn-Mo-Nb、 C-Mn-Cr-Mo-Nb 等体系，并在西气东输等工程等得到广泛应用[7]，同时该理念也被应用于X65、 X70 等管线钢。由于不同企业装备及TMCP 工艺的不同，其采用的管线钢体系也存在一定的差异。这种成分的差异不仅影响管线钢板材的性能，而且显著影响钢管的性能。但到目前为止，关于不同成分体系对管线钢管性能影响的研究较少，进而很难获得统一成分设计思想。本研究利用某钢管厂生产的X65 钢管数据，系统分析了钢管成分及性能，进一步探讨了管线钢成分与性能的关系，从而提高X65 管线钢管的稳定性，保证管线安全运行。

1 试验材料

本研究选取了6 个钢厂1 087 批次钢管，钢管的原料生产厂家、钢管规格、批次及化学成分见表1。由表1 可知，不同钢厂及批次所采用的成分体系存在一定差异， A 钢厂所采用的是传统Mn-Mo-Nb 系，而且Nb 含量很低，平均w（Nb）仅为0.038%； B 钢厂采用两种成分体系，即Mn-Cr-Nb 和Mn-Nb 系，但Nb 含量有一定差异，随板厚的增加， Nb 含量呈增加的趋势，平均w（Nb）由0.039%分别增加到0.042%和0.054%；C 钢厂则采用Mn-Nb 系，平均w（Nb）为0.044%；D 钢厂因钢板壁厚较大，采用Mn-Cr-Nb 系，且平均w（Nb）为0.049%； E 钢厂也采用Mn-Cr-Nb 系，但Cr、 Nb 含量较高，平均w（Cr）、 w（Nb）分别为0.24%和0.056%； F 钢厂两种规格钢管均采用Mn-Cr-Nb 系，但在Cr、 Nb 含量上略有差异，一种低Cr-Nb，平均w（Cr）、 w（Nb）分别为0.11%和0.057%，另一种则采用高Cr-Nb，平均w（Cr）、 w（Nb）分别为0.26%和0.065%。

表1 X65 原料生产厂家、钢管规格、批次及化学成分

所选用钢管产自同一螺旋焊管生产线，钢管的性能（管体、焊缝）按GB/T 9711—2017 和API SPEC 5L 等标准进行取样、测试。

2 试验结果与分析

2.1 管体性能

图1、图2 给出了采用不同钢厂原料生产钢管管体的屈服强度和冲击韧性的统计分析结果。由图可见， A 钢厂1#钢管管体的屈服强度主要集中在标准下限，平均屈服强度为472 MPa；相反，管体在-20 ℃下的冲击韧性较好，平均低温冲击功达到360 J。对B 钢厂，虽然2#、 3#钢均采用Mn-Cr-Nb 系，但屈服仍集中在标准的下限，平均屈服强度为479 MPa 和473 MPa，但韧性则相差较大， 2#钢0 ℃下的冲击功仅为142 J，而3 号钢在-5 ℃下的冲击功则到达253 J；相对采用Mn-Nb 的6#钢，其屈服强度和0 ℃下的冲击韧性均有所提高，平均屈服强度和冲击功分别达到480 MPa 和261 J。对比B 钢厂三种钢的化学成分， Nb 含量的差异最大，这表明微量Nb 含量对钢的强度和韧性有显著的影响。 C 钢厂的4#钢采用Mn-Nb 系，但Nb 含量有所增加，其强度较低，平均屈服强度仅为462 MPa，而韧性有所改善， -19 ℃下的冲击功则达到240 J。 D 钢厂的5#钢采用Mn-Cr-Nb 系，且Nb 含量有所增加，其强度和低温韧性均有所改善，平均屈服强度和-20 ℃下的冲击功分别达到471 MPa 和322 J。 E 钢厂的6#钢采用了与D 钢厂相同的成分体系，但Cr、 Nb含量均有所提高，管体的屈服强度提高，平均屈服强度为497 MPa，但其在-20 ℃下的冲击功略有降低，平均低温冲击功为309 J。 F 钢厂的8#和9#钢虽然均采用了Mn-Cr-Nb 系，但Cr、 Nb 含量有所差异，通过提高Cr、 Nb 含量，钢的强度和韧性均有所改善，低Cr、 Nb 含量8#钢的平均屈服强度和-20 ℃下的冲击功为491 MPa 和299 J；而高Cr、 Nb 的9#钢平均屈服强度和-20 ℃下的冲击功则为493 MPa 和315 J。

图1 钢管管体屈服强度统计分析结果

图2 钢管管体低温冲击功统计分析结果

2.2 焊缝性能

图3～图5 为不同钢管焊缝强度、热影响区和焊缝金属低温冲击韧性统计结果。从结果看，各批次性能均符合正态分布。然而对比不同钢性能分析结果，焊缝强度、热影响区和焊缝金属低温冲击功的变化规律与管体的性能变化规律一致，但与管体相比，焊缝抗拉强度增加；而热影响区和焊缝金属的低温冲击功明显降低，这主要是由于在焊接过程中，焊缝受到了焊接热循环的作用，这也表明管线钢的化学成分对钢管性能具有重要影响。

图3 钢管焊缝抗拉强度统计分析结果

图4 钢管焊接热影响区低温冲击功统计分析结果

图5 钢管焊缝金属低温冲击功统计分析结果

2.3 管线钢组织

图6 为不同钢厂及钢板的金相组织。所有钢的组织均为针状铁素体，但不同钢厂及批次钢的组织略有差异。 A 钢厂生产的1#钢组织主要由均匀的准多边形铁素体、粒状贝氏体及少量马氏体/奥氏体岛构成； B 钢厂生产的3#钢主要为粒状贝氏体和少量准多边形铁素体； C 钢厂和D 钢厂生产的4 钢和5#钢的组织则为粒状贝氏体和准多边形铁素体，而5#钢的粒状贝氏体量增加； E 钢厂生产的7#钢的组织主要为粒状贝氏体； F 钢厂生产的9#钢组织仍为粒状贝氏体和粒状贝氏体构成，而随Cr、 Nb 含量增加，粒状贝氏体量增加。这种组织的差异和钢的成分及轧制工艺有关。

3 讨论

由上述统计分析结果看，不同钢厂、不同批次生产的X65 管线钢管性能存在较大差异，为能够清晰分析影响管体性能的关键因素，图7 给出了不同钢厂及批次钢管性能的平均统计结果。尽管不同钢厂生产的钢管规格不同，其钢的轧制工艺、钢管成型及焊接工艺有所差异，但除了Mn-Mo-Nb 系具有较低的强度和高韧性之外，Mn-Nb 和Mn-Mo-Nb 系钢管的性能似乎与钢的成分有很大的关系。如Mn-Cr-Nb 系的2#钢、 3#钢具有良好的强度和韧性；而Mn-Cr 系的4#钢具有强度和韧性略有降低。而Mn-Cr-Nb 系的5#钢，钢管的强度和韧性均有所提高；虽然6#钢仍采用了Mn-Nb 系，但钢管的强度和韧性变化不大；相反， Mn-Cr-Nb 系7#钢、 8#钢、 9#钢强度和韧性均有所提高。结合钢的成分看，所有管线钢的C、 Mn 含量相差不大，主要的成分差异为Cr、 Nb，但对Mn-Nb 系和Mn-Cr-Nb 系钢， Cr含量并不是影响钢管性能的决定因素，如2#钢、3#钢、 5#钢和8#钢， Cr 含量基本相同，但5#和8#钢的强度和韧性明显高于2#和3#钢，同时无Cr 的4#钢和6#钢虽然强度略有降低，但6#钢的强度和韧性也明显高于2#钢、 3#钢；另外，对比Cr 含量相同的5#钢和8#钢， 5#钢的强度低于8#钢，但韧性高于8#钢。

钢的成分和工艺决定钢的组织，从而影响钢的性能[8]。对低碳微合金钢，微合金元素Nb 对钢的组织和性能有显著的影响[9-10]。由表1 可见，在不同体系钢中，除Mo、 Cr 含量较大外，其余合金元素中变化最大的主要是微合金元素Nb，意味着Nb 对钢管的性能有显著的影响。图8 给出了不同钢管性能与平均Nb 含量的关系，由图8可见，除Mn-Mo-Nb 系的1#钢外， Mn-Nb、Mn-Cr-Nb 系钢的性能与Nb 含量存在一定关系，对Mn-Mo-Nb 系管线钢，虽然添加了Mo 元素，但Nb 含量较低，钢管管体的屈服强度较低，但韧性最高，这表明Mn-Mo-Nb 系管线钢能够获得最佳的强韧性匹配；而对于Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系管线钢，随着Nb 含量的增加，钢的强度和韧性增加，但当w（Nb）增加到0.055%时，随着Nb 含量的增加，其韧性变化不大。

图8 不同钢管性能与平均Nb 含量的关系

焊缝的强度、热影响区的韧性也表现出与管体性能相同的规律。但由于焊接热循环的作用，焊接接头强度的分散性减小，而热影响区低温冲击功分散度增大，且与钢管管体相比，热影响区的冲击功显著降低。此外，从结果看， Cr 含量对钢管的强度和韧性也有一定的影响，在Nb 含量相近的条件下，随Cr 元素的添加及其含量的增大，对钢管管体的强度和韧性、焊缝的强度和热影响区的韧性均有一定改善作用。但在高的Cr、Nb 含量的条件下，合金元素对韧性的影响作用减弱。然而，对焊缝金属，管线钢成分对韧性的影响作用不大，但由现有的数据看，当w（Nb）=0.050%～0.060%时，焊缝表现出良好的韧性。

综上所述，从Mn-Mo-Nb、 Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系X65 管线钢管的性能结果看，传统Mn-Mo-Nb 系管线钢具有良好的综合力学性能。而对于Mn-Nb、 Mn-Cr-Nb 系管线钢，随着Nb含量的增加，钢管的强度和韧性得到显著改善。管体和焊缝强度随Nb 含量的增加几乎呈线性关系；随w（Nb）增加到0.050%～0.060%时，管体和热影响区的韧性得到最大的改善，进一步增加Nb 含量，对韧性的影响不大。同时焊缝金属的韧性也在w（Nb）为0.050%～0.060%时获得良好的稳定性。