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基于应变设计用X80大应变UOE钢管的研发

2014-6-19 8:38:32

柏明卓1,郑磊1,张备2,王波2,吴扣根3,许海生4
(宝山钢铁股份有限公司1.研究院,2.制造部,3. 厚板部,4.钢管条钢事业部 )
 
摘要:在地质灾害多发地区,基于应变的管道设计对管线管提出了大应变的性能要求。本文通过实验室研究了不同组织类型对管线钢大应变性能的影响,发现多边形铁素体+贝氏体的组织具有很好的大应变性能和其他性能的匹配。并且,更进一步研究了双相比例、组织形态等对大应变性能的具体影响,以及轧钢工艺参数对双相组织的影响。基于该组织设计及实验室研究,宝钢进行了φ1219* 26.4mm厚壁X80大应变UOE管线管的试生产。试制钢管性能良好,能够满足西三线X80大应变管线管的技术要求。
关键字:基于应变设计;X80, UOE 管线管;大应变;双相;微观组织

Research and Development of X80 UOE Linepipe with High Deformability for Strain-Based Design

 
BAI Mingzhuo1, ZHENG Lei1, ZHANG Bei2, WANG Bo2, WU Kougen3, XU Haisheng4
(1. Research Institute, 2. Manufacturing Management Department, 3. Heavy Plate Department, 4. Tube, Pipe & Bar Business Unit, Baoshan Iron & Steel Co.,ltd., )
 
Abstract: High strength linepipe needs high longitudinal deformability to meet the requirements of strain-based design pipeline employed when passing through geologic hazard-prone regions. In this paper, the microstructures with different phases and the effect of the microstructure on deformability of pipeline steel were studied. It was founded that the steels with a dual phase of ferrite and banite microstructure provided high deformability with good other properties. Moreover, the impacts of percentage of dual phases and morphology of microstructures on linepipe deformability, and the impacts of rolling production processes on dual-phased microstructures were also studied. Based on dual-phased microstructure design and results studied in laboratory, the X80 grade heavy wall UOE linepipe with high deformability was industrially trial-produced. Properties of trial-produced linepipes were good, which meet the requirements of the Third West-to-East Gas Transmission Pipeline.
Keywords: Strain based design; X80, UOE linepipe; high deformability; dual phase; microstructure
 
0 引言
     管线是最经济、最安全的天然气陆上运输方式。为通过高压输送方式增加运输的经济性,并减少管线的铺设成本,需要高强度级别的管线管来进行天然气的长距离输送。而且天然气资源一般都分布在偏远地区,在向人口聚集居住区域输送途中,往往要穿越复杂地质条件的区域。近年来,当管线穿越地质灾害多发区域,如地震带、滑坡泥石流地区、永久冻土带等,采用应变设计取代传统应力设计,成为保证输送管线安全的重要技术。当管线管处于该类地区时,易受地面运动带来的影响,管线管需要具备应对地面运动造成的大变形的屈曲抗力[1-4],才能减少管线管的破坏。
    基于应变设计用管线管不仅需要同基于应力设计用管线管一样,横向上高强、高韧及良好的焊接性能,纵向上则更要具有好的应变性能,如表现为以下性能特征:低屈强比(Y/T),高硬化率(n值),高均匀延伸率(u-EL)等[4-10]。另外,管线管在经过制管这样一个冷成型过程后,还要在一定温度下进行防腐涂覆。这期间钢管的时效会对钢管的性能产生很多影响,因此钢管的屈强比、均匀延伸率以及应力应变曲线形状等钢管性能都会发生改变[11-12]。所以,基于应变设计用管线管还需要具有好的抗应变时效性能,以减少时效后钢管抗应变性能的降低。
本文通过实验室研究,讨论了不同类型的双相组织、以及双相比例、组织形态对管线钢变形性能的影响。并根据试验室结果,进行了X80大应变管线管的工业性试制。
 
1 双相组织类型对管线钢应变性能的影响
     钢管的抗变形性能可以通过增加应变硬化率(降低屈强比)来提高,应变硬化深受钢的组织的影响,由硬相和软相组成的双相组织对于获得大的应变硬化率并由此得到高的变形性能非常关键。本文的前期工作,曾讨论了管线钢显微组织与拉伸应变性能的关系[13-14]。实验室通过如图1所示的四种工艺路线,得到了四种典型的微观组织:工艺A是轧后空冷,钢的组织转变成先共析铁素体和珠光体(PF+P);工艺B采用两阶段冷却,轧制后先空冷到先共析铁素体转变区使先共析铁素体形核析出,然后再加速冷却得到先共析铁素体和针状铁素体组织(PF+AF);工艺C也采用两阶段冷却,第二阶段时冷速要求更快,终冷温度更低,以得到先共析铁素体和贝氏体(PF+B)双相组织;工艺D是轧后直接加速冷却得到针状铁素体和少量MA组织(AF+MA)。

    对四种试验钢进行了纵向拉伸性能的对比。应力-应变曲线如图2所示。A钢具有明显的Luders屈服平台,其抗拉强度也最低。B钢也有出轻微的Luders屈服平台。D钢为连续屈服,强度也较高,但其屈强比高,且均匀延伸率低。PF+B双相的C钢则具有典型的拱顶型连续屈服的应力-应变曲线,抗拉强度高,屈强比低,同时均匀延伸率也较理想。因此,该组织类型最适合应变设计用管线钢。

2  双相组织相比例对均匀延伸率的影响
     均匀延伸率是衡量管线钢抗应变性能的重要指标,高的均匀延伸率可有效增加管线在失效前的变形能力,抵御管线因地面运动造成的形变位移。不同双相组织类型对钢的均匀延伸率性能有显著影响,但双相组织的体积分数对均匀延伸率性能也有显著影响。实验室对不同工艺条件下得到的不同相比例的先共析铁素体和贝氏体双相组织(图3所示)进行了定量金相分析,得到了不同先共析铁素体含量与钢板均匀延伸率的关系,如图4所示。
    在一定范围内,先共析铁素体的相比例与钢板均匀延伸率呈现线性关系,随着PF相比例增加,均匀延伸率提高。考虑到钢板制成钢管后均匀延伸率会因制管及扩径过程会有一定下降,所以要保证钢管7%的均匀延伸率,先共析铁素体的体积分数要在60%以上。当然过高的铁素体含量会降低钢板强度,因此相比例要进一步和强度指标要求进行匹配。
如前面所述,先共析铁素体是在轧后待温至ACC水冷前的过程中析出长大的,因此该过程的工艺参数对先共析铁素体的含量至关重要。一般来讲,延长钢板轧后待温时间,降低钢板ACC开冷温度,都会增加先共析铁素体的相比例。
3  相的形态对钢板强度的影响
    钢板的屈服强度和抗拉强度除了与双相所占的相对比例有关外,与相的形态也有直接关系。通过钢的组织和性能的对比分析发现,先共析铁素体的晶粒尺寸对钢板的屈服强度影响显著,而贝氏体的形态对钢板抗拉强度影响显著。二者结合双相比例,共同决定了Rt0.5、Rm、屈强比和应力比等纵向拉伸性能。
试验室选取了成分相同或相近的、屈服强度有较大差异的试样进行金相对比。试样对应拉伸性能如表1。
表1  不同屈服强度对比试样的纵向拉伸性能
Tab1 Longitudinal tensile properties of samples with different yield strength
试样号
纵向拉伸
Rt0.5
Rt1.0
Rt1.5
Rt2.0
Rt5.0
Rm
1.5/0.5
2.0/1.0
5.0/1.0
A%
Y/T
uEL%
A
519
559
583
600
654
674
1.123
1.073
1.170
36
77.0
10.2
B
595
599
608
619
664
679
1.022
1.033
1.109
34
87.6
8.6
C
616
616
614
614
655
674
1.00
1.00
1.06
25
91.4
10.2
D
673
680
682
684
709
726
1.01
1.01
1.04
25
92.7
9.3
 
    如A、B试样金相,B试样组织中先共析铁素体的晶粒尺寸更加细小,几个微米的小尺寸晶粒更多,所以其屈服强度比试样A也高了近80MPa。从工艺上来讲,降低终轧温度、增加形变量将利于铁素体的形核率,从而减小析出铁素体晶粒的尺寸,提高钢板的屈服强度。
    但同时应注意到,先共析铁素体晶粒尺寸减小,同时会引起屈强比升高,因此应力比也就会减小。这在试样C、D中体现的尤为明显。C、D试样终轧温度较低,在接近两相区轧制后几乎不做待温,即入水冷却,由于形核率高,且没有充分长大,先共析铁素体晶粒十分细小,其屈服强度明显增加,但由于其屈强比很高,应力比值很低,而且由应力比可以看出其应力应变曲线已经出现屈服平台,所以其抗应变性能并不理想。因此,要根据管线钢强度等级要求来匹配先共析铁素体的晶粒尺寸。
     决定双相钢抗拉强度性能的,除了相比例因素外,更主要的是硬相即贝氏体相的形态。试样E、F来自同一块试验钢板的不同位置,二者实际终冷温度不同,E来自钢板头部,水冷后温度较低;F来自钢板中部,终冷温度偏高。两个试样所对应的拉伸性能如表2。从金相上比较(图6),F试样的硬相形态与E试样有明显区别,E试样贝氏体板条细小,而F试样硬相碳化物析出长大,呈现出“珠光体化”的形态。F试样应力比很低,尤其是Rt1.5/Rt0.5和Rt2.0/Rt1.0,说明其拉伸曲线有明显的屈服平台。
表2 钢板不同位置(不同终冷温度)对应的纵向拉伸性能
Tab2 Longitudinal tensile properties in different places with different cooling finished temperature
试样编号
Rt0.5
Rt1.0
Rt1.5
Rt2.0
Rt5.0
Rm
Rt1.5/Rt0.5
Rt2.0/Rt1.0
Rt5.0/Rt1.0
A%
Y/T
Uel%
E
510
543
572
593
656
679
1.122
1.092
1.208
37
0.75
11.0
F
509
517
514
532
584
608
1.010
1.029
1.130
39
0.84
11.0
     硬相组织形态与抗拉强度的对应关系,也体现在屈服强度较高的G、H试样中。G、H试样取自相同成分的两块钢板,二者轧制工艺除了终冷温度不同外基本相同。G试样钢板终冷温度低于300℃,H试样终冷温度为426℃。对比二者的强度性能(表3)和金相组织(图7),贝氏体相的形态与抗拉强度的对应性与上述规律完全一致。增加硬相硬度,可有效降低屈强比,提高应力比。
表3  不同抗拉强度对比试样的纵向拉伸性能
Tab3 Longitudinal tensile properties of samples with different tensile strength
试样编号
Rt0.5
Rt1.0
Rt1.5
Rt2.0
Rt5.0
Rm
Rt1.5/Rt0.5
Rt2.0/Rt1.0
Rt5.0/Rt1.0
A%
Y/T
Uel%
G
589
631
660
682
748
772
1.12
1.08
1.19
28
0.76
10.6
H
569
564
565
568
602
631
0.99
1.01
1.07
28
0.90
11.8
    硬度统计结果如图9。终冷温度降低,硬相硬度明显增加。这与终冷温度与抗拉强度的统计结果是一致的。
 
4  基于应变设计用大应变X80 UOE厚壁钢管的开发
     在中国,能源消费持续增长,且天然气在能源中所占份额也稳步增加。为解决集中在东部的天然气能源需求,西气东输工程已进行三线建设。由于管道线路途经部分地震断裂带等地质灾害多发区域,需要具有抗大应变性能的X80直缝焊管线管来满足工程中应变设计的要求。不仅需要横向拉伸性能、韧性、焊接性能满足API 5L 标准,也需要纵向的变形性能满足应变设计要求,如Y/T比、均匀延伸率、代表n值的应力比等指标要满足技术标准。纵向拉伸的应力应变曲线应该为拱顶型。同时,要200℃ 5min时效条件下具有较好的应变时效抗力。西气东输三线的纵向性能的技术要求如表4[15]
 
表4  西气东输三线大应变X80管线管纵向拉伸性能要求
Tab4  Requirements of longitudinal tensile properties of X80 linepipes for strain-based design for Third West-to-East Gas Transmission Pipeline
 
Rt0.5,
MPa
Rm,
MPa
Rt0.5
/Rm
u-EL,%
Rt1.5
/Rt0.5
Rt2.0
/Rt1.0
Before aging
510~610
625~770
≤0.85
≥7.0
≥1.100
≥1.033
After aging
200℃, 5min
530~630
570~730
≤0.86
≥6.0
≥1.070
≥1.033
 
    根据验室研究结果, 铁素体作为软相、贝氏体作为硬相的的双相组织,是基于应变设计用管线钢非常合适的组织设计。在以上研究的基础上,宝钢对大应变X80管线钢及管线管进行了工业性试生产。通过300t转炉炼钢、LF精炼、真空脱气,然后连铸成300mm厚坯。根据实验室得到的工艺参数对钢板组织性能的影响规律,精确控制各工艺参数,在5米轧机轧机通过TMCP轧成UOE制管所需的26.4mm钢板,并进行两阶段的冷却工艺。试制钢板在宝钢UOE厂制成φ1219* 26.4mm的厚壁大应变X80管线管。
    工业性试制的大应变X80钢的化学成分如表5。其平均碳含量为0.06%,采用Nb微合金化,并添加了Cr、Cu、Ni、Mo等合金元素。钢中S、P含量很低,利于钢的韧性。钢的碳当量Ceq和Pcm分别为0.44%和0.19%。
    试制X80钢的典型微观组织如图10,由细小的先共析铁素体和贝氏体组成,为典型的双相组织。
表5  X80钢的化学成分 (wt%)
Tab5 Chemical compositions of trial-produced X80 steel
C
Mn
Si
S
P
Nb
Ti
Other
Ceq
Pcm
0.060
1.66
0.25
0.0002
0.008
0.045
0.010
Cu,Ni,Cr,Mo
0.44
0.19
    工业性试制的X80的横向拉伸性能采用φ12.5mm棒状试样测试。表6给出了试制大应变X80的横向性能,以及夏比冲击、DWTT等性能。各项性能很好的满足API 5L 标准及西气东输三线技术要求。其中钢管的DWTT性能十分良好。
 
表6 φ1219×26.4mm试制X80 UOE管线管的横向性能
Tab6 Transverse properties of trial-produced φ1219×26.4mm X80 pipe
 
管体横向拉伸性能
-10℃夏比冲击,J
焊缝强度
0℃ DWTT
SA, %
Rt0.5,
MPa
Rm,
MPa
A,
%
Rt0.5
/Rm
管体
HAZ
焊缝
Rm, MPa
Ave.
599
681
23
0.88
247
219
196
675
93
min
570
660
28
0.84
216
182
182
655
91
max
630
720
25
0.93
284
239
213
695
95
 
    表7给出了试制的大应变X80管线管时效前后的纵向拉伸性能。试制钢管的均匀延伸率都在7%以上,屈强比0.83以下,应力比也满足要求。试制钢管具有很好的纵向拉伸变形性能。试制钢管在200℃经5 min时效后,强度略有增加,均匀延伸率和应力比也略有降低,但仍满足标准要求,具有良好的应变时效抗力。
 
表7  试制大应变X80 UOE 管线管的纵向拉伸性能
 Tab7 Longitudinal tensile properties of trial-produced X80 pipe
 
管号
状态
Rt0.5
Rm
A %
AGT
Rt1.5/
Rt0.5
Rt2.0/
Rt1.0
屈强比
3194370
时效前
517
686
41
7.6
1.238
1.062
0.75
时效后
563
677
42
6.9
1.115
1.046
0.83
3194380
时效前
510
691
41
8.4
1.255
1.073
0.74
时效后
543
713
40
6.5
1.217
1.067
0.76
3194390
时效前
523
704
40
7.9
1.255
1.067
0.74
时效后
555
720
39
6.7
1.194
1.072
0.77
3194410
时效前
513
687
41
8.6
1.231
1.070
0.75
时效后
547
705
41
7.7
1.178
1.068
0.78
3194420
时效前
511
678
41
8.0
1.228
1.063
0.75
时效后
551
692
41
7.1
1.155
1.059
0.80
3194430
时效前
558
685
42
7.9
1.142
1.044
0.81
时效后
554
699
41
7.0
1.175
1.054
0.79
 
5  结论
     由先共析铁素体+贝氏体组成的双相组织,具有理想的“拱顶”型应力应变曲线及理想的均匀延伸率、屈强比、应力比的性能匹配,可以提高管线钢的抗大应变性能,是大应变管线钢优选的组织设计。
     双相组织的相比例对均匀延伸率性能有显著影响,均匀延伸率随先共析铁素体的体积分数基本呈线性增加。共析铁素体体积分数在60%以上,基本可以满足管线管的均匀延伸率性能要求,但要考虑均匀延伸率和强度性能要求的匹配。
    除双相比例外,相的形态也对大应变钢的屈服强度和抗拉强度有显著影响。
     先共析铁素体的晶粒尺寸是决定大应变钢屈服强度的关键因素,随着先共析铁素体晶粒尺寸减小,钢的屈服强度显著增加,但屈服强度过高会对屈强比、应力比等大应变性能指标带来不利影响。终轧温度及开冷温度是决定先共析铁素体晶粒尺寸的关键工艺因素,在接近双相区的较低温度轧制会得到晶粒尺寸十分细小的先共析铁素体,但屈强比很高,应力比很低,应力应变曲线存在屈服平台,无法满足大应变管线钢的技术条件。
     贝氏体硬相的形态是大应变钢抗拉强度的决定性因素,而终冷温度是关键的工艺因素。随终冷温度升高,贝氏体形态由板条贝氏体转变为上贝和粒贝,碳化物析出粗化,呈现“珠光体化”。贝氏体硬度降低,对应着钢板抗拉强度降低,屈强比因此升高,应力比下降。当终冷温度在400℃以上时,应力应变曲线呈现屈服平台,钢板的应变性能难以满足大应变管的技术条件。
     双相的相比例、先共析铁素体的晶粒尺寸、贝氏体硬相的形态共同决定了大应变管线钢的应变性能,应根据钢管强度等级和应变性能要求,通过终轧、开冷、终冷等关键工艺参数来进行合理的性能匹配。
     基于先共析铁素体+贝氏体双相组织设计,及组织、工艺对应变性能影响的实验室研究,宝钢成功进行了φ1219* 26.4mm大应变X80厚壁UOE管线管的工业性试生产。试制钢管横向性能满足API-5L标准,同时纵向具有良好抗变形能力和应变时效抗力,能够满足西气东输三线基于应变设计地区用X80管线管的技术条件。
 
6  参考文献
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