X80管线钢组织热稳定性研究.pdf

收稿日期:2023-03-18作者简介:林基艳(1984),女,山东烟台人,博士,副教授,主要从事人工智能、油气田开发研究。基金项目:国家自然科学基金项目(11964040);榆林市产学研合作项目(CXY-2021-94-02;CXY-2021-94-03)X80 管线钢组织热稳定性研究林基艳1,崔 巍2,林 凯2,尉 鹏3(1.榆林学院 信息工程学院,陕西 榆林 719000;2.中化工储运有限公司,山东 烟台 261400;3.兖州煤业榆林能化有限公司,陕西 榆林 719000)摘 要:X80 管线钢主要用来制造输送石油、天然气等物质的输送管道及与之配套的各种管件的系列钢种,为了研究 X80 管线钢组织的热稳定性,分别选用 900、1 000、1 100、1 200 四种不同的温度对 X80 管线钢进行处理并对其晶粒度、组织、硬度以及弯曲性能进行测试。结果表明,热处理温度从900 升至1 200 时,其最终组织均为珠光体和铁素体,但其晶粒平均截距从6.9 m 增大至25.7 m,增大速率为 0.06 m/,其硬度从 161.5 HV 降低至 143.8 HV,抗弯强度从 125.4 MPa 下降至 102.4 MPa。关键词:热处理;硬度;晶粒度;三点弯曲中图分类号:TG156.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3871(2023)05-0006-04DOI:10.16752/ki.jylu.2023.05.002 管线钢是用来制造输送石油、天然气等物质的输送管道及与之配套的各种管件的系列钢种,是随着油气输送管道的发展而发展起来的一类钢。为了降低输送成本,提高输送效益,管道应向高压力、大管径的方向发展,从而促使管线钢向高强度和高韧性发展1-5。输送管道施工建设中,根据地形的变化,常需要改变管道的方向,因此需要大量的弯管。弯管是油气输送管道的重要组成部分,它可以缓冲管道所在地域的地层迁移、外界环境温度的变化以及地震等附加在直管上的拉、压应力和扭矩作用,是管线中承载较为苛刻的重要构件之一。在已建成运行的管线中,与弯管质量相关的管线事故在所有管线事故中占有相当高的比例。弯管质量的好坏将直接影响到管道的安全运行,因此弯管的质量是制约管线安全运行的关键。西气东输二线是中国第一条引进境外天然气的大型管道工程,这条管道要翻山越岭,穿越湖泊、长江、黄河、珠江流域,一路上要适应不同的地形,这就需要很多弯管灵活的转变方向。因此对 X80 弯管的性能要求也就十分严格。影响弯管产品性能的因素较多,主要有原材料的化学成分、力学性能及加热温度、冷却方式、推制速度、加热带宽和弯后热处理工艺等6-8。其中,原材料的成分和性能对弯管制造工艺和弯后热处理工艺的制订起着决定作用;加热温度和冷却方式除影响弯管的力学性能外,还将影响弯管的成形,加热温度高、冷却速度快、推制速度慢、加热宽度窄都有利于减小弯管的椭圆度,减少弯管的回弹;弯后热处理能够减小弯管的残余内应力,改善弯管组织,提高弯管的韧性。因此,对弯管弯后热处理工艺进行系统的试验研究,提高弯管的强韧性,才能保证弯管运行的可靠性。本文通过对 X80 管线钢进行不同温度的热处理,了解 X80 管线钢热敏感性变化规律,研究 X80 钢组织及性能变化,为实际应用提供参考。1 实验条件1.1 实验材料试验选用的材料为马钢生产的X80 管线钢板材,其原始组织如图 1 所示,由图 1 可见,试验用 X80 管线钢板材的显微组织以呈块状分布的粒状贝氏体为主,辅之少量的多边形铁素体。其成分和力学性能如表 1 和表 2 所示,金相腐蚀液 4%硝酸酒精溶液。图 1 X80 管线钢的显微组织2023 年 9 月第 33 卷 第 5 期榆 林 学 院 学 报JOURNAL OF YULIN UNIVERSITYSep.2023Vol.33 No.5表 1 X80 管线钢的化学成分 wt%w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Ni)w(Cr)w(Cu)0.060.171.810.0120.0030.270.030.18w(Nb)w(V)w(Ti)w(Mo)w(Al)w(N)w(B)w(Ce)0.070.010.0160.270.040.0060.00020.45表 2 X80 管线钢的力学性能性能项目HV10屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%屈强比性能均值239610685230.891.2 实验方法将 X80 管线钢热稳定性试验分为四组(A、B、C、D),四组试样分别在 SX-10-12 型箱式电阻炉中加热到 900,1 000,1 100,1 200,保温2 个小时,然后将试样随炉冷到 550,最后将试样空冷到室温。利用 PME3-323UN 型金相显微镜观察 X80 管线钢的显微组织;利用 MH-5D 型显微硬度计测量X80 管线钢的显微硬度,载荷为 0.98 N,保压时间为10 s,每个试样测试 8 次,取其平均值。2 实验结果分析2.1 加热温度对 X80 管线钢晶粒度和显微组织的影响用直线截距法测试奥氏体晶粒度评定试验,采用公式 1 来计算奥氏体晶粒平均截距 D,用公式 2 计算晶粒度 G:D=L/MN(1)G=-6.644 lgD-3.288(2)式中,L 为距法所采用的直线长度,mm;M 为显微镜放大倍数;D 为晶粒平均截距,mm。不同加热温度下 X80 试板铁素体晶粒大小的测试结果见表 3。由表 3 可看出,随着加热温度的升高,X80 钢的晶粒尺寸增加。当经过 900 热处理后,试验用 X80 钢的晶粒平均截距为 6.9 m,晶粒度11.6 级,当经过 1 000 热处理后,试验用 X80 钢的晶粒平均截距为 7.8 m,晶粒度 10.8 级,在此温度下试验用 X80 管线钢具有较高的强韧性;当经过 1 100 热处理后,试验用 X80 钢的晶粒平均截距为10.5 m,铁素体晶粒度评定为 10 级。当经过 1 200 热处理后,由于试验钢中微合金元素碳氮化合物的溶解,致使其对奥氏体晶粒粗化过程的抑制作用减弱或消失9-12,引起奥氏体晶粒的急剧长大,晶粒平均截距可达 25.7 m,铁素体晶粒度评定为 7.5 级,X80级管线钢晶粒明显开始粗化。表 3 X80 钢在不同加热处理温度下的铁素体晶粒尺寸加热温度/晶粒平均截距/m平均晶粒度/级9006.911.61 0007.810.81 10010.510.01 20025.77.5 图 2 为不同热处理工艺下的金相组织,由图 2 可知,随着热处理温度的提高,晶粒发生长大、粗化,但其最终组织均为珠光体和铁素体13-16图 2 不同热处理温度后的金相组织图2.2 加热温度对 X80 钢硬度的影响表 4 为不同热处理工艺下 X80 管线钢的平均硬度值,同时为了更直观的反应试样经加热后的硬度分布以及硬度随加热温度的变化情况,给出了所测得的硬度分布情况如图 3 所示。综合硬度表以及硬度分布图可以看出 X80 管线钢分别经 900、1 000、1 100 以及 1 200 加热其硬度分布体现出一定的规律性,随着加热温度的升高,X80 钢的硬度也随之下降,未经热处理的试样硬度为 171.9 HV,900 热处理后的试样硬度达均值为 161.5 HV,当试样经过1000热处理后时,试样硬度均值降为 151.9 HV,当试样经过 1100 热处理后,试样硬度值降了 145.7 HV,在 900 1 100 热处理温度范围内,随着加热温度的升高硬度不断减小,但在 900 1 000 硬度减小幅度最大:当热处理温度超过 1 100,随着温度继续上升硬度下降幅度变小,1 200 热处理后的 X80 材料硬度下降为 143.8 HV。研究证明,钢的硬度的高低一方面取决于试验钢晶粒度的大小,另一方面还与钢的化学成分有关17-19。试验结果表明:试验钢中,在获得同种显微组织的前提下,晶粒越细小,变形抗力越大,钢的硬度值越大,硬度随着尺寸的细化越来越大,同时随着温度不断升高,晶粒尺寸将会变大,硬度也将会下降。7林基艳,崔 巍,林 凯,尉 鹏:X80 管线钢组织热稳定性研究表 4 X80 管线钢在不同热处理温度下的硬度值温度/表面维氏硬度/HV均值/HV900159.9160.5160.9161.9161.3161.2160.8163.4161.51 000150.8149.8153.6152.5149.8149.3150.5155.5151.91 100146.8146.2145.8145.3150.2141.8146.5147.5145.71 200140.3144.3145.3140.8141.2140.8143.0155.0143.8图 3 X80 管线钢在不同温度下的硬度分布图2.3 加热温度对 X80 钢试样抗弯强度影响将不同热处理下的试样分别放在弯曲试验机上,加载载荷力分别观察试样弯曲角度变化如图 4 并截取每个图像上相同两点数据制成表 5。通过观察图 4,可以发现试样经过 900 热处理后,试样所能加载的最大载荷力为 6 079.485 N,经过 1 000 热处理后的试样所能加载最大载荷力为 6 078.536 N,经过 1 100 图 4 不同温度热处理后试样弯曲曲线图热处理后的试样所能加载最大载荷力为 5 790.017 N,经过 1 200,热处理后的试样所能加载最大载荷力为 4 987.166 N。通过表 5,我们同时发现,在加载力为 4 000 N 时,900 热处理后的试样弯曲角度只能达到 2.3,1 000 热处理后的试样弯曲角度能达到 3.5,而经过 1 100 热处理后的试样弯曲角度能达到 10.7,1 200 热处理后的试样弯曲角度能达到 15.6;当加载力为 5 000 N 时,900 热处理后的试样弯曲角度只能达到 5.5,1 000 热处理后的试样弯曲角度能达到 7.6,而 1 100 热处理后的试样弯曲角度达到了 29.1,1 200 热处理后的试样弯曲角度达到了 57.9。同时根据三点弯曲度计算公式 3 可以计算出每个温度下试样抗弯强度 b,如表 6。b=3PL2bh2(3)式中,P 是破坏载何力,N;L 是跨距,mm;b 是宽度,mm;h 是厚度,mm。分析表 6 可以发现,经过 900 热处理后试样的抗弯强度为 125.4 MPa 经过 1 000 热处理后试样的抗弯强度为 124.9 MPa,经过 1 100 热处理后试样的抗弯强度为 112.7 MPa,经过 1 200 热处理后试样的抗弯强度为 102.4 MPa。综合两者,我们可以发现 X80 管线钢的抗弯强度随着温度升高而下降。表 5 弯曲角度与加载力对应表温度/加载力/N 弯曲角度/()加载力/N 弯曲角度/()9004 0002.35 0005.51 0004 0003.55 0007.61 1004 00010.75 00029.11 2004 00015.65 00057.9表 6 不同温度下试样抗弯强度温度/9001 0001 1001 200抗弯强度/MPa 125.4124.9112.7102.43 结论对 X80 管线钢进行了不同的热处理工艺试验,研究了不同热处理工艺下的材料组织和力学性能的变化,得出以下结论。(1)随着加热温度从 900 升到 1 200,X80管线钢的晶粒尺寸从 6.9 m 变为 25.7 m。(2)随着加热温度从 900 升到 1 200,X80管线钢的硬度由 161.5 HV 降为 143.8 HV,其中 900 1 000 硬度减小幅度最大。(3)随着加热温度从 900 升到 1 200,X80管线钢的抗弯强度由 125.4 MPa 降为 102.4 MPa。(4)在 900 1 200 范围内,X80 管线钢的热8榆林学院学报 2023 年第 5 期(总第 169 期)稳定性随着温度上升而下降。参考文献:1潘家华.我国的天然气及天然气管道工业J.焊管,2008,31(4):5-6.2张骁勇,高惠临.X70 管线钢感应加热弯管工艺参数的热模拟试验J.热加工工艺,2005,16(9):34-35.3张汉谦,吴宇,薄文.熔化焊接头“不均匀混合区”的形貌特征研究J.材料科学与工艺,1995,10(1):28-32.4薛小怀,杨淑芳,吴鲁海.X80 管线钢的研究进展J.上海金属,2004,26(2):45-49.5钱百年,国旭明,李晶丽.高强度管线钢 X80 的焊接研究J.焊接,2002,10(8):14-17.6李树庆,潘贻芳.管线钢的研发过程及方向J.天津冶金,2006,12(1):6-10.7孔君华.高钢级 X80 管线钢工艺、组织与性能的研究D.武汉:华中科技大学,2005.8陶勇寅.X80 管线钢焊接工艺及可靠性研究D.天津:天津大学,2005.9黄志潜.X80 级管线钢在高压大流量输气管道上的应用与发展前景J.焊管,2005,28(2):1-10.10王新华,李秀刚,李强.X80 管线钢板中条串状 CaO-Al2O3系非金属夹杂物的控制J.金属学报,2013,49(5):553-561.11HAMADA M,SHITAMOTO H,OKAGUCHI S,et al.Arc welding of annular seams under flux in high-strength X80 steel 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Chemical Storage and Transportation Co.Ltd.,Yantai 261400,China;3.Yan Zhou Coal Yulin Energy Chemical Co.,Ltd.,Yulin 719000,China)Abstract:X80 pipeline steel is mainly used to manufacture a series of steel grades for transporting oil,natural gas,and other substances,as well as supporting various pipe fittings.In order to study the thermal stability of X80 pipe-line steel,four different temperatures areselected,namely 900,1000,1100 and 1200,to treat X80 pipe-line steel and test its grain size,structure,hardness,and bending properties.As the heat treatment temperature ri-ses from 900 to 1200,the final microstructure is both pearlite and ferrite,but the average intercept of the grains increases from 6.9 m to 25.7 m,with the increase rate of 0.06 m/,its hardness decreases from 161.5 HV to 143.8 HV,and its bending strength decreases from 125.4 MPa to 102.4 MPa.Key words:heat treatment;hardness;grain size;three point bending 9林基艳,崔 巍,林 凯,尉 鹏:X80 管线钢组织热稳定性研究