（材料加工工程专业论文）x80管线钢的韧性研究.pdf

，。 j j j i 。l 7 o j ：二：气 ：。+ ! 一 一 。 ：i ：u at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g s t u d y o nt h et 0 u g h n e s so f x 8 0 p i p e l i n es t e e l b yx u ep e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r d ul i i i u n o i r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 f e b 邝a r y2 0 0 8 东 加 为 论 学 阅 流 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 旃 签字日期： 2 口0 8 3 、。 矗厶 东北大学硕士学位论文 摘要 x 8 0 管线钢的韧性研究 摘要 大口径、高压、高密度输送使石油天然气管线不断向更高钢级发展。随着管材强 度级别的提高，对管材的韧性要求也进一步提高。本课题旨在探索出轧制工艺和合金 成分因素对x 8 0 管线钢韧性的影响机制，获得工业生产高韧性的x 8 0 管线钢的稳定 的工艺、组织和成分。 研究了不同铌含量在x 8 0 钢中的作用，随着铌含量升高，最终组织的晶粒尺寸 越来越细小，先共析铁素体越来越少，组织越来越均匀。冲击功越来越高，冲击韧性 呈现提高的趋势。 研究了x 8 0 管线钢中铌在控轧和控冷中的析出行为以及第二相粒子析出对韧性 的影响规律。析出粒子主要以两种形式存在，一种是在高温下尺寸较大的铌、钛复合 粒子，立方形的t i n 粒子先析出，随后铌的碳氮化析出物将包裹在t n 外面并以其为 核析出；另一种是在较低温度条件下析出的近似球形的n b c 粒子，变形过程中在晶 内的位错和亚晶上析出。 研究不同钼含量在x 8 0 钢中的作用，钢中添加0 2 l 的钼时，奥氏体转变后形 成的铁素体晶粒比不含钼钢要细小。钢中钼含量增加到0 2 9 时，组织中针状铁素体 的量明显增多，钢的组织以针状铁素体为主。随钼含量的增加2 0 冲击韧性值呈上 升趋势。进一步增加钼含量，可见到明显的贝氏体束和马奥岛组织，铝含量增加到 0 4 1 时，马奥组织数量进一步增多，随钼含量的增加2 0 冲击韧性值呈下降趋势。 由此得出低碳锰铌系x 8 0 试验钢中，钼合金的合适添加量为o 2 0 0 3 0 。 研究轧制制度对韧性的影响。对第一阶段轧制设计了9 0 0 一9 5 0 ，9 5 0 1 0 0 0 和 1 0 0 0 1 0 5 0 的变温变形进行试验轧制，试验结果表明，第阶段轧制温度在9 0 0 9 5 0 时出现了严重的晶粒尺寸不均匀现象，在1 0 0 0 1 0 5 0 时，再结晶晶粒出现了长大 现象。它们都会对韧性有不良的影响，9 5 0 1 0 0 0 温度区间是较好的第一阶段轧制温 度区间。 研究了冷却制度对韧性的影响。根据加速冷却对钢在t m c p 过程中组织与性能 的影响，提出以加速冷却方式改善x 8 0 管线钢韧性的方法。适当提高冷速后，基体 中高碳高硬度的m a 组元明显减少，并被韧性的残余奥氏体薄膜所取代；而在极高 的冷速下得到粗大的贝氏体束组织，韧性反而下降。在6 0 0 以下的贝氏体相变区选 择2 0 s 左右冷却速度，使材料获得良好的中温转变组织，是提高管线钢韧性的简 单而有效的途径。 分析了高性能管线钢落锤撕裂试验中出现异常断口的原因。提出了对d w t t 异 常断口的评价方法。研究了d w t t 试样断口的分层裂纹及其对断裂的影响，并且对 东北大学硕士学位论文摘要 对三角形断口和线性断口提供评价建议。 关键词：轧制工艺；合金元素；d w t t ；异常断口；分层裂纹 j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h et 0 u 曲n e s so f x 8 0 p i p e i i n es t e e i a bs t r a c t i no r d e rt oi m p r o v em ee m c i e n c ya n dr e d u c et h ec o s t ，t h et r a n s p o r t i n gp i p e l i n ef o ro i l a n dn a t u r a lg a l sh a sr a p i d l yd e v e l o p e dt ol a r g ed i 锄e t e r ，m g hp r e s s u r ea n dd e n s i t y a st h e s t e e lg r a d ei 工1 1 p r o v e d ，t 1 1 er e q u i r e m e n t sf o rt o u g h n e s sa r ea l s oe i l l l a n c e d i nt h j ss t u d y ，w e i n v e s t i g a tt h ee f f e c to fd i 妇眙r e n tr o l l i n gp r o c e s s i n ga n dc o n s t i t u e n tt 0t h ed u c t i l i t yo fh i 曲 l e v e lp i p e l i n es t e e l t h ep u 印o s ei st og e tt h es t a l b l i z e dp r o c e s s i n gt og e tl l i g h1 e v e lp i p e l i n e s t e e lw i mg o o dd u c t i l i t y t h o u 曲i n v e s t i g a t 啦t h ee 虢c to fd i 虢r e n tn bc o n t e n to nt h e i i l i c r o s t m c t w ea n d m e c h a 血c a lp r o p e r t i e so fx 8 0s t e e l ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e 诧币t eg r a i n 血e ra st 王l en b c o m e n ti 1 1 c r e a s e t l l ep r o e u t e c t o i df e r r i t eb e c o m el e s sa n dm e 铲a i ns i z eb e c o m em o r ea n d m o r eh o m o g e n e o u s t h e na st h en bc o n t e mm c r e a s e ，w ec a ng e ta r i s et e n df o rd u c t i l i 够 t h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o r so fn be l e m e n t si 1 1a c i c u l a u rf i e m t ep i p e l i n es t e e lx 8 0 血 m e n n o m e c h a i l i c a l l yc o n t r 0 1 1 e dp r o c e s s i n gw e r ei i l v e s t i g a t e db yu s i n gt r a n s n l i s s i o ne l e c t i 0 n m i c r o s c o p y t h ep r e c i p i t a t e so b s e e d b yt e m w e r ei n 咖f o r n l s t l l el a r g ep r e c i p i t a t i o n 、e r ec o m p l e xc o r n p o l u l d sc o m p r i s i l l gt np r o c i p i t a l | eo fs q u a r es h a p e2 l sc o r ew i mn b c o n t a i n i i 】gp r e c i p i t a t en u c l e a t e do np r e e x i s t i l l gt i np r e c i p i t a t ea sc 印so no n e o rm o r ef a c e s a tm 曲t e m p e r a t u r e t h ef i n ea n ds p h e r i c a ln bc a r b i d e sa 1 1 d o rc a r b o i l i t r i d e sp r e c i p i t a t e d h e t e r o g e n e o u s l yo nd i s l o c a t i o l l sa n ds u b - b o u l l d 撕e sa tl o wt e m p e r a t u r e t h r o u 曲m e s t i g a t i n gt h ee 脆c to fd i 腩r e n tm oc o n t e n to nt h em i c r o s t m c t u r e a 1 1 d m e c h a l l i c a lp r o p e r t i e so fx 8 0s t e e l ，“c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea d d i t i o no f0 21 、v t m ot o m es t e e lm a k e st h ef 宅而t eg m i nf m e rc o m p a r e dw i t l lm eg r a i no fm o 一丘es t e e l m e nt h em o c o m e n ti si n c r e a s e dt 00 2 9 ，m o r ea c i c u l a rf i e r r i t ei so b t a i l l e d ，i m p a c te n e r g y 近c r e a s e a c c o r d i n g l y t h em o r em oi sa d d e dt ot h es t e e l 丘o m0 2 9 t o0 41 ，t h el a r g e ra n l o u n to f m as 缸u c t u r ec a l lb eg a i l l e d a n di m p a c te n e r g yd e c r e a s e da c c o r d i n g l y - s ot h es u i t a b l em o c o n t e n ti i ll o wc a r b o n m n 小mx 8 0s t e e l i sb e t w e e no 2 0 一0 3 0w t at o t a lo ft h r e ed i f i e r e r l t de f o n n a t i o nt e m p e r a t u r e sf o rt h ef i r s ts t a g er o l l i i l g ， n a m e l y ，9 0 0 一9 5 0 ，9 5 0 1 0 0 0 a j l d1 0 0 0 1 0 5 0 w e r eu s e df o rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t s t h e o p t i c a lo b s e r v a t i o n ss h o 、他dn l a tm e9 0 0 - 9 5 0 t e m p e r a t l l r ep r o c e s s i n gi 1 1t 1 1 i ss t l l d yr e s m t e d i nam i x 铲a i ns i z e 10 0 0 - 10 5 0 t e m p e r a t u r ep r o c e s s i 工l gi nt l l i ss t u d yr e s u l t e di nag r o w e r e c r y s t a l l i z e d 铲a i ns i z e t 1 1 e ya l lr e s u l t e di 1 1ab a dd u c t i l i t y t h e9 5 0 10 0 0 t e m p e r r a t u r ei s i v 廿l eb e s ts p a c ef o rt h ef i r s ts t a g e r o l l i n g a c c e l e r a t i n gc 0 0 1 i n g 、) l ，i t h 印p r o p r i a t ec o o l i n gr a t ei sas 锄p l ea n de 笳c i e n tm e m o dt o 蚰p r o v et h et o u 9 1 1 i l e s s w ep r o p o s e dt oa d o p tt h i sm e 也o df o ri m p r o v e m e n to f t o u g l u l e s so f x 8 0p i p e l i n es t e e l t h er e s u l t so fe x p e 曲e n ti n d i c a t et 1 1 a ta t 印p r o p r i a t ea c c e l e r a t i n gc 0 0 l i n g r a t et h em - ac o n s t i t u e n ti sr e d u c e do b v i o u s l yi n 锄o u ma i l dr e p l a c e db yt o u 曲a u s t e n i t e f i l m s c o a r s eb a i n i t i cs h e a v e sw e r eo b t a i n e dw h e n j e t t i n gw a t e rd i r e c t l yt ot h es 锄p l ea n dt h e t o u g l u l e s sg ob a d t h e2 0 sc o o i i n gr a t ei s 也eb e s tr a t e n ec a u s eo fa b n o n n a i 胁c n 鹏a p p e a r 觚c e so fd w t t i ss 砌i e d b a s e do n 咖d y i n gt h e r e a s o n ，c o u n t e rm e a s u r e s0 fa b n o n l l a l 疳a c t u r ed 嘶n gd w t ta r ep u tf o n ) i ，a r d t h ed e l 锄 i n a t i o nc r a c ka n di t se f j f e c to nt 1 1 e 盘a c t u r eo f p i p e l i n e s t e e l 他r ei i e s t i g a t e db yd r o p w e i g h t t e a rt e s t ( d w t t ) w e p r o v i d es u g g e s t i o n sf o rm ee v a l u a t i o no ft 1 1 ei n n u e n c eo ff r a c t u r ew i t l l t r i a 芏1 9 u l a ro rl i n es h a p e sd e l 锄i n a t i o nc m c k s k e yw o r d s ： r o l l i n gp r o c e s s i l l g ； 鲥】o y i n g d e l 锄i n a t i o nc r a c k s a g e n t ；d w t t ；a b n o 肌a 1 丘a c t u 】r e s u r ：f a c e ； 一v 一 3 1 1 研究轧制制度的影响3 l 3 1 2 研究冷却制度的影响3 2 3 2 试验结果和分析3 4 3 2 1 轧制制度对x 8 0 管线钢韧性的影响3 4 3 2 2 冷却制度对x 8 0 管线钢韧性的影响3 7 东北大学硕士学位论文目录 3 3 本章小结4 2 第四章d w 订异常断口和分层裂纹评价4 3 4 1 异常断口的出现与冲击韧性的关系4 3 4 1 1 试验方法及试验过程4 4 4 1 2 典型断口4 5 4 1 3 异常断口的不同形式4 6 4 1 4 对异常断口评价方法的建议4 8 4 2 分层裂纹的出现与冲击韧性的关系4 9 4 2 1 分层裂纹的产生4 9 4 2 2 分层裂纹对主裂纹的影响5 0 4 2 3 对不同分层裂纹的评价建议5 1 4 3 本章小结5 3 第五章结论5 5 参考文献5 7 致谢6 0 一v i i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 石油天然气是国民经济的重要战略物资，能源的增长加上结构优化调整，带动了 石油天然气工业的全面发展，至2 0 3 0 年世界上天然气的需求量将翻一番i l j 。在3 5 0 0 0 公里距离以下，石油天然气的管道输送是较其它运输方式相比最为经济的一种手段。 与其它方式相比，管道输送具有输送量大，成本低，安全性高、便捷、高效等优点。 二次大战后，油气输送管线发展迅猛，输送压力不断提高，国外新建天然气管道 的设计工作压力都在1 0 m p a 以上。输送压力的提高要求增加钢管壁厚，壁厚增加势 必带来钢管重量的增加。在此情况下，只有提高管线钢级，才能减小钢管壁厚，节约 钢材，降低管道建设的成本。一般情况下，钢管费用占整个管道投资的2 5 一3 0 。 如图1 1 所示，同样输气量下，材料由x 7 0 改用为x 8 0 ，可因壁厚减小降低材料成本 7 左右【2 1 。 避 c 霪 星 鐾 笛 口 q 图1 1 采用不同钢级钢管建设的成本变化 f i g 1 1c o s tc h a n g ew i t ht b eg r a d ec h a n g eo f p i p e i i n es t e e l 高钢级、大管径已经成为管线钢管发展的总趋势。提高输送工作压力，加大管道 直径，能够提高输送效率，从而提高管道运营的经济效益。 天然气管道的运行压力越来越高，管径也越来越大，造成管道的断裂事故不断出 现。发生管道延性断裂的风险随着输送气体压力的提高而加大，管道的安全性问题更 加成为人们关注的话题。管线的断裂是由于管线钢在轧制、焊管和铺设管线过程中带 入的缺陷而引起的，这些缺陷在受力作用下成为起裂源。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 管线断裂包括脆性断裂和钢管特有的失稳延性断裂。石油是非压缩流体，管线断 裂时，管内压力急剧下降，其减压波速度大于管线脆性断裂扩展速度，呈不连续断裂 破坏。天然气管线，由于其减压波速度比断裂扩展速度慢，为失稳延性破坏。高压天 然气管线在大变形时，在管线的纵向上可能产生1 0 0 米的龟裂传播破坏，造成长距离 的断裂扩展。由延性断裂扩展引起的事故在美国以及其它国家的大管径、高压输气管 线中都有发生。 管道的安全需要钢材具有高的韧性，管线钢材韧性的高低是影响管线断裂的关键 因素，因为高的韧性是防止断裂起始和阻止断裂扩展的必要保证 3 。随着管线钢级的 提高，对钢材的低温韧性要求也不断提高 4 。 材料的韧性是影响管线钢服役性能的主要因素之一，由于材料性能的提高，材料 韧脆转变温度降低，管线钢的韧性断裂已经成为管道破坏的一种重要形式。所以提高 材料的韧性已经成为管线钢研究工作的重中之重。这就是本论文的研究背景，本文主 要研究如何提高x 8 0 管线钢的韧性。 1 2 管线钢的研究概况 1 2 1 国外管线钢的开发与使用概况 x 8 0 钢级的开发与使用 1 9 8 5 年德国m a n n e s m a l l i l 公司( 后并入欧洲钢管公司) 研制成功了x 8 0 钢级【5 1 ， 并铺设了3 2 k m 的试验管道。此后不断发展，到2 0 0 2 年底欧洲钢管公司已经供应了 近1 8 9 1 0 4 t ，目前可以供应钢管壁厚至2 5 4 m m ；住友金属已经生产出1 4 0 2 5t 、新日 铁公司也生产出近60 0 0t ，nk k 公司供应了4 7 5 4 0 t ，他们的x 8 0 钢级油气输送管销售 业绩详见表1 1 。在北美，p s c o 于1 9 9 4 年第一个进行了x 8 0 钢级卷板的商业化生 产，用于n o v ag a st r a i l s m i s s i o n ，此后还成功地生产出厚度为1 5 3 m m 的x 8 0 热轧卷 板。部分实物产品的化学成分、力学性能如表1 2 、表1 3 ( 第8 项为热轧卷板) 。从表 中可以看出，各家冶金原理不一样，但主要是采用nb 、m o 、b 等合金元素，结合控制 轧制、控制冷却，达到要求的强度、韧性、焊接性能。其中合金元素的选择、终轧温 度、冷却速度和终冷温度是生产工艺的控制关键。加拿大t r a n s c a j l a d a 【6 】于1 9 9 1 年开 始小规模试用x 8 0 钢级的钢管，1 9 9 4 1 9 9 5 年铺设了一条3 0k m 的管道，全部采用 x 8 0 钢管，至今已经铺设了大约4 0 0k m 。x 8 0 钢管已经成功地应用在加拿大a 1 b e 砌 省北部永久冻土地带，并将管道的材料费用大大降低。目前世界上已经建成x 8 0 管线 项目如表1 0 。 x 1 0 0 钢级的开发与研究 从1 9 9 8 年开始，t r a n s c a n a d a 就着手x 1 0 0 钢级管线钢的开发、应用等研究工作【3 】。 到2 0 0 2 年9 月，已将nk k 提供的1 4 3m m 厚的x 1 0 0 钢管用于w e s t p a t h 项目中 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的s a r a t o g a 部分试验段的建设，并取得了一系列的技术成果。为检验管材的止裂性能， 还用直径3 6i n ( 9 1 4 4m m ) 的研a d e 6 9 0 钢级的钢管进行了两次全尺寸爆破试验，结果 证明扩展裂纹的止裂与预测的止裂韧性值相符。据此，2 0 0 2 年新版的加拿大管道标准 c s a z 2 4 5 1 2 0 0 2 中也首次将该钢级列入标准。开发了x 1 0 0 管线钢钢管，并进行了 冶金、理化性能评价，可焊性评估以及钢管现场弯曲试验。英国b p 公司5 年前开始 与钢铁和制管企业合作，为非酸性天然气输送管道为确定x 1 0 0 管材对钢管长程开裂 的止裂能力，还进行了多次全尺寸爆破实验1 7 j 。 表1 1 几家外国公司生产x 8 0 钢级油气输送管业绩表 t a b l e1 1o u t s t a n d i n ga c “e v e m e n to fo v e r s e a sx 8 0p r o d u c e r 髫 年代使用嗣家甩胁程 羚径效彰长彰 笼厚缸用途 厂家 矗眦t缸n 1 9 9 9美搿v e 蛐口6h4 84 3 0嚣管 l0 2 01 579 日1 9 9 l饿罗骺 p 舢蟹f b 遗p o f t 本 14 2 02 垒6l o 骚送无然气 新 1 9 多9靛罗骺 t 豫n m e f fi0 2 01 42il 屡 1 9 9 9黄国z x x o n 由虹4 。h 。o f 5 0 8 2 n6 2 l0 5 0 套臀 公 2 0 0 0科威特x 檬铲a i t o 赶c 避口扭节 q61 z4 86 8 5 输送石油 霹 2 0 0 时羹匿( 玉t 曲u k f 5 0 82 q6 27 6 q 套管 合计 59 7 5 1 9 8 5m 娌a l ll l gl 王6王2 欧 1 9 9 2德强r t m f ( h s 吐h l e 幽l 托挺f“4 3 0l l s5输送天嘉汽 黍 1 9 9 3定曲fg a we m e we t t e f l2 2 01 83 l 复4 8 l2 0 0l 钳 管 2 l热拿大c 缸f 妇f 扭船e x b 6 l o2 14l8 0 05j 翕涝惹气 翁 2 0 0 l 英曩 t m 鼢定凇b f n g e m g l2 1 91 43 2 n62 08 7 54 1l输送天然气 2 0 0 2 t f 托啪hs w 曲口立h b v l2 1 91 5l a82 0 踞o4 2输送天然气 合计1 8 9 1 8 53 强8 1 9 9 5 v e 鼬h e 矗 5 3 342 22 36 3 0 1 9 9 5a 蕊v e 5 3 三41 58 82 8 0 1 9 9 2 卜2 s l 谢。t f l & s 协w 姗 5 3 玉4l 玉g 鬈2 22 39 6 0 1 9 9 1 伊8 a b b v e 洒 5 3 釜4l 垒o ，2 s4l5 7 0 1 9 5 疆ls 衙蠢f t 庭s 怔张口瓣n 5 3 玉4 1 58 咖垒 美嗣 22 3 7 2 0 1 5g l 建0 5 镭井采袖管 1 9 9 34s 蛔冒置f t s 蠡e 饨n i 5 3 生41l ，2 22 3 往 1 9 9 9 | 睾a 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l2 1 91 2o 1 6l3 84 5 3 输送天然气 新加坡v e t s h g 聊地5 3 q7 ，2 q6 2l2 1 6 钻井采油管 j 3 主幸u 1 9 9 8英罾 a b b v e g 愿y 8 2 4 毫i 井架油管 稠睦6 6 6 n4l 垒o s4 0 镭井采油臀 獒嚣 v 神g 唧k 5 3 互4l 玉8 84 0 4 诂井采澜臀 5 3 341 2 毒s6 1 5 钻井采油管 1 9 约 加囊大暂。张c o i al2 1 91 2o66 9 0 输送天然气 合计5 71 9 6 欧洲钢管公司【8 1 也已生产出几百吨x l o o 管线钢，钢板厚度可达2 0n u n ，用来制 造口径9 1 4 1 1 u 1 1 的钢管，目前还试制了2 5 4n l i i l 厚的钢板。有人认为，真正影响x 1 0 0 的使用推广的是其现场焊接问题还没有得到彻底解决。但是，意大利的s n a m 公司 表1 2 部分x 8 0 管线钢产品的化学成分 1 曲l e1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f x 8 0s t e e l ( m a s s 。 ) 序锕 w 媳奄f 号缀 w 蚴姆能曩)w ( s o弹渤w 圆拇艇o )w 艉b )饕8 0w f c r )* )w 谯dw 氇)懈)毹厂 w ( c 曩) la0 驺ls 5q q0 1 7a0 0 2 0qo 辱2q0 1 5o0 2 4qo o l 3 k s c l 2q0 6t 弱q 弱q0 1 5q0 0 2 0q2 0q 劬q0 2q2 职q0 0 3 k s c 2 3qo 甾王9 5q3 9q0 1 4q 1 7qo lo0 4 4q1 9qo sqo 绷0 3q3 0no o 秘 e 砷参e 毒q0 89 6q3 80 0 9 eq l oq0 4 7q0 1 5q0 7q0 3 7默l 5x g oq0 7王5 9o2 6ao d 6 cqo o l 6oo lq0 4 2q0 1 7q1 8q0 6 7a 甜洳2 700 2 5qo ) o lq0 0 3 6默2 6q0 5t8 5q0 3q0 4q 德n k k n l9 0q0 0 4 0q2 5q a2 sq n 7 z 踢 q0 9t 6q0 0 2 0鑫q q q n2 5 8q0 47 5q qn 5一o 彤q4 2 粒 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 3 部分x 8 0 管线钢产品的力学性能 t a b l e1 3m e c h a n i c a lp r o p e n ) ，o f x 8 0s t e e l ( m a s s ) 拉律性能饼p ；申击性能鼢v 订 序弱瑕强度茬伸强度廷f 牵翠 妥验 i 哮击能盈剪切蕊积 9 5 生产 号 锕级滋痊融玎 鳓p a锄姐p t砌 ? c c ；办“肛 j 厂家 母材母材缛缝i母材 母材王薹& z 绎缝 l5 8 66 9 ，7 l o3 32 03 3 41 3 81 4 51 0 03 5k s c l 7 密9 3 25 9 0 、，6 l o6 9 0 、一7 l o3 0l 一3 0 0阶l g o1 2 0 vl 笱 n s c 2 f 。1 0 ) 3铆7 1 62 32 01 8 3 l ( 1 0 ) 聊扣 46 3 47 4 33 q 12 01 0 7 ( - 钓1 。)2 1 42 1 64 6锹l x 9 7 ，5 鳄7 0 47 2 03 s2 02 l o1 7 5l 约2 3默2 f 1 0 ) 65 7 5酩453 0 23 2n 贼 5 渤2 32 口2 2 移2 2 2 03 0 z 删 g5 辩6 粥3 扣5l s o2 0p s 针对欧洲钢管公司生产的x 1 0 0 对其现场焊接特性作了多种焊接工艺试验，认为只要 采取适当的措施，x 1 0 0 现场焊接的焊缝强度和韧性是可以获得满意的结果的【9 1 。 表1 4 已建x 8 0 管线钢项目 r a b l e1 4x 8 0l i n e sp u ti n t op r o d u c t j o n 序号 建没年代国家工程名称长 钢管厂 直径名嘲壁厚扇嗡 l1 9 8 5德国 m e 弘l 王2受内烦燕l1 1 8l 王6 21 9 8 6 麟洛伐克第四翰气管道 t5 曼内额璺 l4 2 2l s6 ；1 9 匀拿大 n o 说e 碍，r 鹳se a 砖 26n i 隘l0 6 7l q6 41 9 9 2 r u h fg 曩置s c h 缸e 馥la 让l 吖 1 l s5 德国欧灏钢管 l2 1 9 l & 3 l 殳4 s 1 9 9 3r 证f ( h 妇e f n e we l l e f 1 4 4 61 9 9 毒n o v 矗mi 拓凼妇矗矗5 4 7 1 9 9 5 e 矗髓a 勘e r 惦s y s t 田1 3 3 加拿大瓣s o dl2 1 91 2o 2c 觚t 礴l ab e r 执s y 鲢19 l 1 9 9 7 9 t t a 自畦n 矗s y 霉鼬 2 7 l o 2 0 0 l c 嘲b f 虹g e m g 4 2lt2 1 91 43 2 q6 英翟欧粼钢管 l l2 0 0 2 毯s w i i b u g h 蚵 4 2l2 1 91 5l 2 l8 台诗5 6 q9 对于x 1 0 0 ，欧洲钢管公司和英国钢管、意大利s n a m 公司曾经做过三种不同的 尝试【5 ，1 0 】：第一种是高含碳量和碳当量、低冷速、高终冷温度；第二种是低含碳量和 碳当量、高冷速、低终冷温度；第三种界于上述二者之间。三种方法的化学成分见表 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 ，经过控制快冷得到的结果如表1 6 。经过比较发现，方法尽管c e q 为0 4 6 ，但 是在确保强度的同时，还是可以得到良好的低温冲击韧性和满意的现场焊接性能，效 果最佳。各家均采用低c 高mn 的纯净钢，结合微ti 处理，在炼钢和轧钢工艺过程 中通过nb 、m o 、b 和ni 等合金元素的固溶强化、沉淀强化、细晶强化等原理，得 到高强度和高韧性以及良好焊接性能的管线钢。对于x 10 0 化学成分的准确控制、非 再结晶区的总压下量、终冷温度及b + m 组织的控制是各家比较注意的关键点。 表1 5 三种试验方法测得的x 1 0 0 钢级化学成分 t a b l e1 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f x 1 0 0s t e e l ( m a l s s 。) ， 方法直径厚度w ( c )w 缸矗)w ( s 0w 酝o )w 甜ow ( c 口)矽懿幻w 住盎 i ，甜 l3 0 h l 垒l m mqo 嚣t9 5q2 6o2 6q2 3q2 2q0 5qo l gq 3 l l 3 0 h l 9 蚴 q0 7l8 9q2 9ql ，0 1 6q q0 1 5q0 0 4 5 6 矗l 垒l m m q0 7l9q3o 1 7q3 3q2 0q0 5q0 1 8q 5 m 3 6 h l 矗o m 越q0 6t9 0q3 5q2 8q2 5 q0 5q0 1 8q 4 表1 6 经控制快冷测得的x 1 0 0 钢级力学性能 t l a b l e1 6m e c h a n i c a lp r o p e r 够o f x 8 0s t e e l ( m a s s ，) 方嘶，馐? 国乜矾 c 加 8 5 结m p amp 量 ( 2 0 )e a t t l7 3 9 7 9 2q9 31 842 3 5 一 1 5 7 5 59 2 0n9 21 7l2 4 02 5 7 3 78 q9 21 82 0 0一2 0 7 5 28 1 6q9 21 82 7 05 0 1 2 2 国内管线钢的开发与使用概况 国内x 8 0 钢级课题于2 0 0 0 年立项，迄今为止，宝钢根据管线的发展需求，进行了 x 8 0 管线钢7 1 9i 姗、1 4 1 6m m 和1 5 1 3n u n 厚规格热轧板卷的研制，产品满足a p i 标 准x 8 0 强度等级的要求冲击韧性和焊接性能优良【l 。武钢采用控制轧制和强制加速 冷却工艺生产了1 5 1 3n m 和1 7 1 5 u i l 厚度的x 8 0 热轧板卷，其成分设计以a p i 标准 为基础，符合国内对高钢级管线钢高纯净度、高韧性、低的脆性转变温度以及优良的焊 接性和抗h i c 能力等要求。钢中夹杂物级别不超过2 级，且己球化，分布均匀，组织为 针状铁素体和少量弥散分布的岛状组织【l 引。除了以上两家企业外，还有鞍钢和舞阳钢 一，7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本论文的研究目的和研究内容 目前需要解决的问题是探索出轧制工艺和组织因素对x 8 0 管线钢韧性的影响机 制。确定化学成分、最终组织与管线钢韧性的对应关系。从而获得工业生产高韧性的 x 8 0 管线钢的稳定组织和成分，为x 8 0 管线钢的生产提供条件。这也是本论文研究的 目的。 本课题旨在探索出轧制工艺和组织因素对x 8 0 管线钢韧性的影响机制，获得工业 生产高韧性的x 8 0 管线钢的稳定的工艺、组织和成分。 通过观察对比试轧的不同工艺条件下和不同微合金化条件下所获得的管线钢试 样中的组织类型和百分比含量、析出以及m a 岛的百分比含量、尺寸、分布情况和 形貌，配合冲击和落锤试验的结果确定各种因素对韧性的影响。 d w t t 比夏比冲击试验( c 町更能代表钢管的实际水平，利用落锤撕裂试验的韧 脆面积就成为防止管道脆性破坏的主要控制指标。但是一些异常断口和分层裂纹的出 现对我们客观评价材料的韧性制造了障碍。本部分通过分析d w t t 试样试验断口和 l 东北 2 1 b f 以 根据 织和 图2 2 x 8 0 管线钢s e m 组织 f i g 2 2s e mm i c r o s t l l 比t u r eo fp i p e l i n es t e e l sx 8 0 9 一 东北大学硕士学位论文 第二章合金元素对x 8 0 韧性的影响 下，x 8 0 钢上铁素体基体上分布的白色粒状物，粒状物细小，且这种白色粒状物分 布于铁素体的晶粒内部晶界位置。x 8 0 中多数铁素体基体上存在粒状物，并且数量为 2 3 个铁素体。根据s m i t h 关于管线钢中针状铁素体的概念，即针状铁素体显示为 独特的不规则形状，晶粒大小不等，相互之间的位相关系不定，呈混杂分布状态。由 图可知x 8 0 管线钢的组织特征均满足该针状铁素体的定义。 图2 3x 8 0 管线钢t e m 组织 f i g 2 3t e mm i c r o s t m c t u r eo fp i p e l i n es t e e l sx 8 0 高倍的t e m 照片可明显地看出针状铁素体的特征，针状铁素体由许多非平行铁 素体板条交织而成，并且在其亚晶界附近一些板条内有着很高的位错密度( 图2 3 ) 。 东北大学硕士学位论文第二章合金元素对x 8 0 韧性的影响 2 2 试验材料和试验方案 2 2 1 研究铌含量对韧性影响 考察x 8 0 管线钢中加入不同铌的质量分数( w ( n b ) ) 对钢的组织和冲击性能的影 响，以探讨铌元素在x 8 0 管线钢中的作用规律。 设计了3 炉试验钢，化学成分以低c n b 系列微合金化钢为基础，质量分数 ( 0 0 3 9 、o 0 6 l 、0 0 9 2 ) ，其他元素的质量分数均基本保持不变，试验钢在真空感 应炉冶炼成5 0 始的钢锭，经4 5 0 i m 轧机采用相同的控轧控冷工艺轧制成1 8 m m 厚的 钢板。试验钢的具体化学成分如表2 1 所示。 表2 1 试验钢的化学成分( 质量百分比，) t a b l e2 1c h e i i l i c a lc o m p