卷取温度对18.4 mm X80M 管线钢DWTT 性能的影响
2024-01-07杨小波张宝宁
杨小波，张 通，许 可，张宝宁，薛 强，刘 洋
（唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063000）
0 引言
管道运输是石油、天然气等介质大规模且经济的输送方式，尤其是石油、天然气有着巨大市场，更有力地促进了管线钢的发展。目前管道工程的发展方向是大口径、高压输送、海底管道的厚壁化以及耐高寒和腐蚀的服役环境，因此不仅要求管线钢具有高的强度，而且应有良好的韧性、疲劳性能、抗断裂特性和耐腐蚀性，同时还要求在力学性能改善的同时不应当恶化钢的焊接性能和加工性能[1]。
随着对管线钢需求的增大，我国逐步研制生产出各个级别的管线钢，当前可批量投入实际生产中规格最高的管线钢为X80 钢级管材，其各种性能指标和控制在行业里均处于较高难度。其中DWTT（落锤撕裂试验，Drop-Weight Tear Test）性能是用来检测材料韧性的试验项目，主要用于金属材料的低温脆性研究[2-4]，目标是建立断口形貌与温度的关系。对于高韧性、大壁厚的管线钢来说，普通夏比冲击试验的试样尺寸过小，不能反映实际构件中的应力状态，而且结果离散性大。而DWTT 的结果与钢管全尺寸爆破试验的结果相当吻合，说明这种方法更能反映断裂的真实情况，而且容易操作，因此落锤撕裂试验被广泛应用于管线钢断裂韧性的评价，被作为衡量管线钢抵抗脆性开裂能力的韧性指标。一般来说，行业内管线钢的DWTT 剪切面积分数要求是平均85%，最低70%[5-7]。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料及特性
实验材料为某钢厂生产的厚度为18.4 mm 的X80M管线钢，其典型化学成分范围如表1 所示，物理性能要求如表2 所示。该管线钢采用超低碳、超低硫、超低磷的微合金化设计，通过Mn-Nb-V-Ti-Mo-Cr微合金化抑制多边形铁素体的形成，促进针状铁素体转变，其典型组织为针状铁素体（AF）、少量多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF），典型组织形貌如图1 所示[8-15]。为分析材料特性，对此材料进行不同冷速实验，绘制出CCT 曲线，结果如图2所示。图3 中：QF 为准多边形铁素体（Quasi-Polygonal Ferrite）；GF 为粒状贝氏体；AF 为针状铁素体（Acicular Ferrite）；BF 为贝氏体铁素体（Bainitic Ferrite）；LM 为板条马氏体（Lath Martensite）。为避免实验温度在脆性转变点附近的检验结果波动过大，对样品进行0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-45 ℃、-65 ℃系列温度的DWTT 试验，确定转变温度点在-38 ℃，实验数据如图3 所示。
图1 X80M 金相组织
图2 X80M 管线钢的CCT 曲线
图3 DWTT 剪切面积占比系列温度转变曲线
表1 化学成分
表2 拉伸性能求
1.2 实验方案及样品制备
实验在某2050 热轧线进行，工艺方案采用精轧出口定速轧制，卷取温度设定如表3 所示，平均卷取温度为钢卷出层流冷却后高温计温度。落锤撕裂试验试样在板宽1/4 处，与轧制方向成30°角取样，检验按照SY/T 6476《管线钢管落锤撕裂试验方法》进行检验。金相组织按GB/T 13298—2015《金相显微组织检验方法》进行检验。试样经镶嵌、打磨、抛光后用硝酸酒精溶液浸蚀，之后用蔡司的Axio Vert.A1 倒置金相显微镜进行观测。
表3 不同终轧温度和卷取温度对比实验方案 单位：℃
2 实验结果分析讨论
2.1 DWTT 宏观断口形貌分析
不同卷取温度下实验钢在-20 ℃的落锤剪切面积检验结果如表4 所示，DWTT 断口宏观照片如图4所示。从图4 中可见，随着卷取温度的提高，落锤剪切面积逐渐增高，当温度到350 ℃时，落锤剪切面积为100%。
图4 不同卷取温度下实验钢DWTT 断口宏观形貌比较
表4 -20 ℃下的DWTT 实验撕裂面积占比
2.2 近断口区域的夹杂物观察与分析
对试样进行夹杂物检验，检验结果如图5 所示，夹杂物主要为C 类0.5 级，整体夹杂物水平比较低，样品检测结果差异不明显，可以排除夹杂物对落锤撕裂性能影响。
图5 不同卷取温度试样夹杂物检测结果
2.3 近断口区域的金相组织观察与分析
在断口附近区域，取金相试样检测带钢1/4 处和1/2 处的组织。对比金相组织可知，在550 ℃时，层冷水冷段平均冷速在10 ℃左右，典型组织为多边形铁素体、针状铁素体和少量粒状贝氏体，如图6 所示。在450 ℃时，层冷水冷段的平均冷速在14 ℃左右，组织以针状铁素体、多边形铁素体和少量贝氏体为主，其中多边形铁素体比例降低，针状铁素体比例增加，同时由于冷却不均匀，造成1/2 位置多边形铁素体比例较高，如图7 所示。在350 ℃时，平均冷速在18 ℃左右，组织中针状铁素体比例很高，从图1/4和1/2 位置对比看，组织比较均匀，无明显差异，如图8 所示。
图6 550 ℃的金相组织
图7 450 ℃的金相组织
图8 350 ℃的金相组织
3 结论
1）三种卷取温度下的实验钢剪切面积随卷取温度升高而增大，落锤撕裂性能降低。准多边形铁素体的比例对落锤性能影响较大，组织中准多边形铁素体量增加，组织均匀性变差，准多边形铁素体比例越高，落锤性能剪切面积越低。
2）卷取温度为450 ℃时，厚度方向组织不均匀性对落锤性能有明显影响，此温度下带钢厚度1/4 处组织较均匀，针状铁素体比例有所提升，但1/2 处多边形铁素体的比例较高，落锤性能有所下降。
3）卷取温度为350 ℃时，组织中针状铁素体比例高，1/4 处和1/2 处组织比较均匀，落锤撕裂性能最好。
