林基艷,崔 巍,林 凱,尉 鵬

(1.榆林學院 信息工程學院,陜西 榆林 719000; 2.中化工儲運有限公司,山東 煙臺 261400;3.兗州煤業(yè)榆林能化有限公司,陜西 榆林 719000)

管線鋼是用來制造輸送石油、天然氣等物質(zhì)的輸送管道及與之配套的各種管件的系列鋼種,是隨著油氣輸送管道的發(fā)展而發(fā)展起來的一類鋼。為了降低輸送成本,提高輸送效益,管道應向高壓力、大管徑的方向發(fā)展,從而促使管線鋼向高強度和高韌性發(fā)展[1-5]。輸送管道施工建設(shè)中,根據(jù)地形的變化,常需要改變管道的方向,因此需要大量的彎管。彎管是油氣輸送管道的重要組成部分,它可以緩沖管道所在地域的地層遷移、外界環(huán)境溫度的變化以及地震等附加在直管上的拉、壓應力和扭矩作用,是管線中承載較為苛刻的重要構(gòu)件之一。在已建成運行的管線中,與彎管質(zhì)量相關(guān)的管線事故在所有管線事故中占有相當高的比例。彎管質(zhì)量的好壞將直接影響到管道的安全運行,因此彎管的質(zhì)量是制約管線安全運行的關(guān)鍵。西氣東輸二線是中國第一條引進境外天然氣的大型管道工程,這條管道要翻山越嶺,穿越湖泊、長江、黃河、珠江流域,一路上要適應不同的地形,這就需要很多彎管靈活的轉(zhuǎn)變方向。因此對X80彎管的性能要求也就十分嚴格。

影響彎管產(chǎn)品性能的因素較多, 主要有原材料的化學成分、力學性能及加熱溫度、冷卻方式、推制速度、加熱帶寬和彎后熱處理工藝等[6-8]。其中,原材料的成分和性能對彎管制造工藝和彎后熱處理工藝的制訂起著決定作用;加熱溫度和冷卻方式除影響彎管的力學性能外, 還將影響彎管的成形, 加熱溫度高、冷卻速度快、推制速度慢、加熱寬度窄都有利于減小彎管的橢圓度, 減少彎管的回彈;彎后熱處理能夠減小彎管的殘余內(nèi)應力, 改善彎管組織,提高彎管的韌性。因此,對彎管彎后熱處理工藝進行系統(tǒng)的試驗研究,提高彎管的強韌性,才能保證彎管運行的可靠性。本文通過對X80管線鋼進行不同溫度的熱處理,了解X80管線鋼熱敏感性變化規(guī)律,研究X80鋼組織及性能變化,為實際應用提供參考。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

試驗選用的材料為馬鋼生產(chǎn)的X80管線鋼板材,其原始組織如圖1所示,由圖1可見,試驗用X80管線鋼板材的顯微組織以呈塊狀分布的粒狀貝氏體為主,輔之少量的多邊形鐵素體。其成分和力學性能如表1和表2所示,金相腐蝕液4%硝酸酒精溶液。

表1 X80管線鋼的化學成分wt%

表2 X80管線鋼的力學性能

圖1 X80管線鋼的顯微組織

1.2 實驗方法

將X80管線鋼熱穩(wěn)定性試驗分為四組(A、B、C、D),四組試樣分別在SX-10-12型箱式電阻爐中加熱到900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃,保溫2個小時,然后將試樣隨爐冷到550 ℃,最后將試樣空冷到室溫。利用PME3-323UN型金相顯微鏡觀察X80管線鋼的顯微組織;利用MH-5D型顯微硬度計測量X80管線鋼的顯微硬度,載荷為0.98 N,保壓時間為10 s,每個試樣測試8次,取其平均值。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 加熱溫度對X80管線鋼晶粒度和顯微組織的影響

用直線截距法測試奧氏體晶粒度評定試驗,采用公式1來計算奧氏體晶粒平均截距D,用公式2計算晶粒度G:

D=L/MN

(1)

G=-6.644 lgD-3.288

(2)

式中,L為距法所采用的直線長度,mm;M為顯微鏡放大倍數(shù); D為晶粒平均截距,mm。

不同加熱溫度下X80試板鐵素體晶粒大小的測試結(jié)果見表3。由表3可看出,隨著加熱溫度的升高,X80鋼的晶粒尺寸增加。當經(jīng)過900 ℃熱處理后,試驗用X80鋼的晶粒平均截距為6.9 μm,晶粒度11.6級,當經(jīng)過1 000 ℃熱處理后,試驗用X80鋼的晶粒平均截距為7.8 μm,晶粒度10.8級,在此溫度下試驗用X80管線鋼具有較高的強韌性;當經(jīng)過1 100 ℃熱處理后,試驗用X80鋼的晶粒平均截距為10.5 μm,鐵素體晶粒度評定為10級。當經(jīng)過1 200 ℃熱處理后,由于試驗鋼中微合金元素碳氮化合物的溶解,致使其對奧氏體晶粒粗化過程的抑制作用減弱或消失[9-12],引起奧氏體晶粒的急劇長大,晶粒平均截距可達25.7 μm,鐵素體晶粒度評定為7.5級,X80級管線鋼晶粒明顯開始粗化。

表3 X80鋼在不同加熱處理溫度下的鐵素體晶粒尺寸

圖2為不同熱處理工藝下的金相組織,由圖2可知,隨著熱處理溫度的提高,晶粒發(fā)生長大、粗化,但其最終組織均為珠光體和鐵素體[13-16]

圖2 不同熱處理溫度后的金相組織圖

2.2 加熱溫度對X80鋼硬度的影響

表4為不同熱處理工藝下X80管線鋼的平均硬度值,同時為了更直觀的反應試樣經(jīng)加熱后的硬度分布以及硬度隨加熱溫度的變化情況,給出了所測得的硬度分布情況如圖3所示。綜合硬度表以及硬度分布圖可以看出X80管線鋼分別經(jīng)900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃以及1 200 ℃加熱其硬度分布體現(xiàn)出一定的規(guī)律性,隨著加熱溫度的升高,X80鋼的硬度也隨之下降,未經(jīng)熱處理的試樣硬度為171.9 HV,900 ℃熱處理后的試樣硬度達均值為161.5 HV,當試樣經(jīng)過1000℃熱處理后時,試樣硬度均值降為151.9 HV,當試樣經(jīng)過1100℃熱處理后,試樣硬度值降了145.7 HV,在900 ℃～1 100 ℃熱處理溫度范圍內(nèi),隨著加熱溫度的升高硬度不斷減小,但在900 ℃～1 000 ℃硬度減小幅度最大:當熱處理溫度超過1 100 ℃,隨著溫度繼續(xù)上升硬度下降幅度變小,1 200 ℃熱處理后的X80材料硬度下降為143.8 HV。研究證明,鋼的硬度的高低一方面取決于試驗鋼晶粒度的大小,另一方面還與鋼的化學成分有關(guān)[17-19]。試驗結(jié)果表明:試驗鋼中,在獲得同種顯微組織的前提下,晶粒越細小,變形抗力越大,鋼的硬度值越大,硬度隨著尺寸的細化越來越大,同時隨著溫度不斷升高,晶粒尺寸將會變大,硬度也將會下降。

表4 X80管線鋼在不同熱處理溫度下的硬度值

圖3 X80管線鋼在不同溫度下的硬度分布圖

2.3 加熱溫度對X80鋼試樣抗彎強度影響

將不同熱處理下的試樣分別放在彎曲試驗機上,加載載荷力分別觀察試樣彎曲角度變化如圖4并截取每個圖像上相同兩點數(shù)據(jù)制成表5。

表5 彎曲角度與加載力對應表

圖4 不同溫度熱處理后試樣彎曲曲線圖

通過觀察圖4,可以發(fā)現(xiàn)試樣經(jīng)過900 ℃熱處理后,試樣所能加載的最大載荷力為6 079.485 N,經(jīng)過1 000 ℃熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為6 078.536 N,經(jīng)過1 100 ℃

熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為5 790.017 N,經(jīng)過1 200 ℃,熱處理后的試樣所能加載最大載荷力為4 987.166 N。通過表5,我們同時發(fā)現(xiàn),在加載力為4 000 N時,900 ℃熱處理后的試樣彎曲角度只能達到2.3°,1 000 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達到3.5°,而經(jīng)過1 100 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達到10.7°,1 200 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達到15.6°;當加載力為5 000 N時,900 ℃熱處理后的試樣彎曲角度只能達到5.5°,1 000 ℃熱處理后的試樣彎曲角度能達到7.6°,而1 100 ℃熱處理后的試樣彎曲角度達到了29.1°,1 200 ℃熱處理后的試樣彎曲角度達到了57.9°。

同時根據(jù)三點彎曲度計算公式3可以計算出每個溫度下試樣抗彎強度σb,如表6。

表6 不同溫度下試樣抗彎強度

(3)

式中,P是破壞載何力,N;L是跨距,mm;b是寬度,mm;h是厚度,mm。

分析表6可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過900 ℃熱處理后試樣的抗彎強度為125.4 MPa經(jīng)過1 000 ℃熱處理后試樣的抗彎強度為124.9 MPa,經(jīng)過1 100 ℃熱處理后試樣的抗彎強度為112.7 MPa,經(jīng)過1 200 ℃熱處理后試樣的抗彎強度為102.4 MPa。綜合兩者,我們可以發(fā)現(xiàn)X80管線鋼的抗彎強度隨著溫度升高而下降。

3 結(jié)論

對X80管線鋼進行了不同的熱處理工藝試驗,研究了不同熱處理工藝下的材料組織和力學性能的變化,得出以下結(jié)論。

(1)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的晶粒尺寸從6.9 μm變?yōu)?5.7 μm。

(2)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的硬度由161.5 HV降為143.8 HV,其中900 ℃～1 000 ℃硬度減小幅度最大。

(3)隨著加熱溫度從900 ℃升到1 200 ℃,X80管線鋼的抗彎強度由125.4 MPa降為102.4 MPa。

(4)在900 ℃～1 200 ℃范圍內(nèi),X80管線鋼的熱穩(wěn)定性隨著溫度上升而下降。