X80管线钢弯管.docx
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X80管线钢弯管
二次加热对X80级弯管组织与强韧性的影响研究
张小立1罗金恒2杨来平3
（1．中原工学院材料与化工学院，河南郑州450007；2.中国石油天然气集团公司管材研究所，陕西，西安，710065；3.青海油田管道输油处，青海，格尔木市，816000）
摘要：
本文是基于弯管热弯过程的二次加热热模拟，即母管钢管材二次加热过程中的强韧性能和组织的变化关系研究。
通过对两种不同的管线钢在不同二次加热工艺下组织性能变化关系的研究，探讨了X80级弯管热加工工艺过程中热处理制度对材料强度、韧性的影响规律；并对材料组织的变化规律进行了研究。
统计分析结果表明控制使强度提高的马氏体生成是获得高性能X80级强韧性合理匹配的弯管的关键。
关键词：
X80级弯管；热加工；强韧性；马氏体；西气东输工程
TheRelationshipbetweenMicrostructureandMechanicalPropertyofHeatTreatedX80BendPipe
ZHANGXiao-li
（1.MaterialsandchemicalengineeringschoolofzhongyuanuniversityoftechnologyZhengzhou,QinghaiOilFieldPipelineTransmittingPoint;Geermu816000;Qinghai;China）
Abstract:
Thispaperisthethermalsimulationofmotherpipesinthebendingprocess,ie.thereheatingprocessinbendpipeproducing,inwhichtherelationshipbetweentheperformanceandmicrostructureofbendingpipesarestudied.Bytheresearchontherelationshipbetweenmicrostructureandpropertiesoftwosteelwithdifferentcriticalquenchingdiameter（Di）inreheatingprocess,TherelationshipbetweenheattreatingregimeofX80gradebendpipesatheatprocessanditsstrengthandtoughnessarediscussed,alsotheregularityofmicrostructureoftheseselectedmaterialsafterheattreatareshowedinthispaper.TheresultsindicatethatcontrollingtheformationofmicrostructurewhichwillimprovethestrengthasmartensiteandgranularbainiteisthekeypointsingainninghighqualityX80gradebendpipes.
Keywords:
bendpipe;heatprocess;strength-toughness;martensite;west-eastgasproject
在长输管道建设中，为满足线路走向的设计要求，管道通常需要转弯来改变方向。
其中采用的弯管有两种，即热煨弯管和冷弯弯管。
热弯管由于管口圆度好，必要的热处理消除了残余应力。
而且减薄率可以控制到低于10%，从而保证其质量符合设计要求。
更重要的是，弯曲角可以在0-90º任意变化。
同时热弯过程比冷弯效率高。
但是相对而言，热弯过程的技术资料报道较少。
为了制备高强度弯管，感应弯制技术通常得到应用，这是因为随后的水冷过程可以和感应加热及弯制过程结合。
根据所采用的热处理制度和热处理的部位，高强感应加热弯管有三种制备过程（图1）。
所采用的方法是局部淬火和回火[3]。
也就是说淬火应用于弯制部位，并且整个管子包括直管段都进行回火（图1Q-Ttype）。
所以在高钢级管线钢的二次加热过程中，材料组织和强韧性等力学性能都将发生重要的变化，并且和母管存在差异。
图1弯管制备的热加工过程示意图[1]
Fig.1Inductionbendingprocesstype
目前，X80级弯管工艺制度方面的研究少见报道。
本文将对两种X80管线钢母管分别进行二次加热热处理试验，对其强度、韧性和组织变化进行研究总结，对X80钢级弯管制备的热模拟过程中的组织和强韧性变化规律进行探讨，从而为管线钢二次加热的热处理工艺规范研究奠定实验基础，为拟将建设的西气东输二线的工程做好选材和工艺研究的前期准备。
1试验材料和方法
该试验过程选择了两种成分（G7和XR8）及Di（临界淬透直径），Pcm、Ceq不同的钢材进行热模拟试验，淬火温度为900，950，1000，1050℃，并随后回火处理。
用于组织研究的样品取自管体横向垂直于轧制方向。
样品经机械抛光、3%硝酸酒精腐蚀后进行金相显微镜分析。
金相组织观察在MEF4M金相显微镜及图像分析系统上进行。
从试验钢板端部垂直于轧制方向切取冲击样坯,经机床加工成10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口冲击试样.在0℃,-10℃,-20℃,-30℃四种温度条件下,分别按照GB2975-82,GB/T229294的标准规定，在JB2300B机械式半自动冲击试验机上进行冲击试验。
拉伸试样均采用Φ12.5mm的试样，并按ASTMA370-2002标准规定，在MTS810-15自动拉伸试验机上进行。
参考Q/CNPC108—2004《西气东输管道工程直缝埋弧焊管技术条件》和《西气东输管道工程用感应加热弯管技术条件》对材料性能进行评述。
表1化学成分分析结果（Wt%）
Table1 Chemicalcompositionoftwokindssteels
元素
Q/CNPC108-2004要求
（母材）
G7
XR8
Ni+Cr+Cu
/
0.399
0.75
V+Nb+Ti
≤0.15
0.098
0.103
Ceq
≤0.43
0.4
0.484
Pcm
≤0.23
0.18
0.214
Di
0.960838
1.333357
注：
（1）CEQ=C+Mn/6+（Mo+Cr+V）/5+（Ni+Cu）/15
（2）Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B
（3）Di为临界淬透直径
2.结果与讨论
2.1不同管线钢母材二次加热后强度与热处理制度的关系
根据Q/CNPC107—2004《X80管线钢管应用工程用热轧钢板技术条件》、Q/CNPC108—2004《西气东输管道工程直缝埋弧焊管技术条件》和APISPEC5L《管线钢管》的规定，G7和XR8均满足X80管线钢的要求。
图2-图5为材料G7和XR8在不同热处理条件下的强度性能。
二次加热后，抗拉强度和屈服强度在小于900℃淬火范围内，随淬火温度的升高而升高。
1300℃淬火，以上两个力学性能会下降或保持不变。
XR8热处理后抗拉强度、屈服强度、屈强比都能达到X80级钢材的性能。
合理选择热处理制度，在800℃淬火+450℃回火后，强韧性指标均能达到X80母管的水平。
此时显微组织为心部PF+B+P，表面为M。
当淬火温度900℃时，CVN出现分散情况（为三组数据统计结果）。
图2G7试样各处理工艺下的抗拉强度
Fig.2TensilestrengthofsampleG7atdifferentheattreatmenttechnics
图3G7试样各处理工艺下的屈服强度
Fig.3YieldstrengthofsampleG7atdifferentheattreatmenttechnics
图9G7试样各处理工艺下的屈强比
图4XR8试样在不同热处理制度下的抗拉强度
Fig.4TensilestrengthofsampleXR8heattreatedatdifferenttechnics
图5XR8试样在不同热处理制度下的屈服强度
Fig.5YieldstrengthofXR8heattreatedatdifferenttechnics
Yieldratio
yiy
图6XR8试样在不同热处理制度下的屈强比
Fig.6YieldstrengthofXR8samples
2.2不同管线钢母材二次加热后韧性与热处理制度的关系
XR8母材为X80级钢板。
图6-图9为不同热处理制度下的韧性性能。
但是从韧性来看，淬火温度1100℃时，CVN出现分散。
选择合理的热处理制度，在800℃淬火+300℃回火和900℃淬火+400℃回火CVN在-30-0℃都能够高于200J。
从而满足X80管线钢技术条件的要求。
其中前一种热处理条件下，韧性不变而强度指标更高。
这两种工艺下其金相组织均为PF+B+P[2]。
图7G7试样800℃淬火后的冲击功
Fig.7ImpacttoughnessofsampleG7quenchedat800℃
图8G7试样900℃淬火后的冲击功
Fig.8ImpacttoughnessofsampleG7quenchedat900℃
图9XR8试样在不同热处理制度下的冲击韧性
总之，经过对这两种管线钢热处理后的强韧性指标进行归纳、对比，得到最佳热处理制度，列于表2中。
母管
钢级
母材原始组织
厚度（mm）
Di（mm）
最佳热处理工艺
达到钢级
相应组织
G7
X70/X80
B粒+PF+P
9.6级（供参考）
26.2
0.960838
900℃淬火+450℃回火
950℃淬火+550℃回火
X80
X70
心部PF+B+P，表面为M
心部B粒，表面为PF+B+P或M
XR8
X80
B（以B粒为主）+PF+P
11.6级
15.6
1.333357
900℃淬火+450℃回火（强度较后者更高一些）
950℃淬火+450℃回火
X80
PF+B+P
2.3影响强韧性指标的二次加热后材料组织变化规律初探
将所有热处理制度下，材料的组织和性能汇集在一坐标途中，从而分别对比不同材料不同淬火温度下CVN变化及强度变化和组织的关系，结果发现，当组织中有马氏体出现时，二次加热试样组织的韧性将下降，但强度的变化与之相反。
当组织为PF+B+P，将可能获得较好的强韧性组合。
当组织中M或B粒（Bp）出现，CVN将出现分散点。
举例如下图10-图13。
图10G7不同热处理制度下所得组织分布图例
Fig.10MicrostructuredistributionofsampleG7heattreatedindifferenttechnics
图11XR8不同热处理制度下所得组织分布图例
Fig.11MicrostructuredistributionofsampleXR8
当韧性和强度取得最佳组合时，组织显示如下图12：
可以看到组织和韧性的变化规律。
CVN分散情况下对应组织如图13所示。
图12最佳热处理制度下所对应二次加热材料组织分布
Fig.12Microsructuredistributionoftwokindsofsteelsheattreatedatoptimizedtechnics
图13CVN分散情况下所对应二次加热材料组织
Fig.13CorrespondingmicrostructureofreheatedpipelinesteelswhenCVNvalueisscattered
二次加热试样不同处理工艺下金相组织特征如下图14-15所示。
具体为：
XR8试样在最佳热处理工艺下金相组织示于图14中；CVN分散情况下对应金相组织如图15所示。
图14XR8组织500×
Fig.14MicrostructureofXR8heattreatedatoptimumtechnics
图15XR8组织500×
Fig.15MicrosturectureofXR8whenCVNisscattered
由此可知，在弯管制备的二次加热中，控制M（马氏体）的形成是获得强韧性指标匹配的关键因素。
这是因为二次加热后，淬火处理使得马氏体含量增多，马氏体的增多使得材料的强度指标大大提高，完全可以满足标准中强度指标的规定，但是马氏体的增多使材料的韧性下降。
这都表现在二次加热后材料强度指标，尤其是屈服强度和韧性的矛盾关系上。
因此，二次加热能使弯管得到马氏体组织，但马氏体组织并不是热处理要得到的最终组织。
同时回火处理使材料弹性和强韧性增加。
但是最终为了缓解屈服强度和韧性指标间的矛盾就需要控制马氏体的形成。
而二次加热后X70弯管的组织优化为PF+B+P或有少量M，这是因为多边铁素体是一个韧性相，珠光体它是铁素体和渗碳体的的共析混合物，相当于珠光体是由渗碳体增强的铁素体，它是具有很好的强度和韧性性能的物相。
而贝氏体，在本研究中主要是粒状贝氏体，它是马氏体和残余奥氏体的混合物，其特性为具有高的强度、高的韧性和高的耐磨性能，因而针对于X70弯管强韧性匹配的要求，它也是X70级弯管的理想的相组成。
正因为多变铁素体、贝氏体及其珠光体是强韧性相，能够完全满足X70级弯管对韧性指标的需求，缓解强度指标大大升高所带来的韧性指标变差的趋势，所以该物相组合为X70级弯管理想的组合。
但若在该级别弯管中二次加热后带来马氏体的增多，只能带来强度的大大提高而使得韧性指标大大下降，从而带来屈服强度指标和韧性的矛盾增加。
因而控制马氏体的形成是制备X80级弯管必须控制的因素。
资料表明，马氏体组织和铁素体组织相比，主要是提高强度的作用；同样，贝氏体组织在获得强度和韧性匹配方面有着良好的效果，但该组织和铁素体相比强度和硬度较高。
二次加热后材料淬硬性提高，因此控制提高强度组织相，通过优化工艺增加韧性组织相，才能最终达到管件标准要求并合理强韧性指标匹配。
具体材料中韧性相所占多大比例，还需要做更详尽研究。
4.结论
1.对于X70母材，当淬火温度900℃时，CVN开始出现分散点；
2.对于X80母材，当淬火温度1100℃时，CVN开始出现分散点；
3.当Di=0.96mm左右时，二次加热后能够获得强韧性匹配更高的性能；
4.控制M（马氏体）和贝氏体的形成是获得强韧性合理匹配的弯管的关键。
参考文献：
1.JoeKnodo,MasaakiTakagishi.Developmentofinductionbendpipe[M].ProceedingsofOMAE’02,2002-28182
2.王英杰，金属材料及热处[M]，机械工业出版社，2007
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