影响管线钢屈强比的因素探讨_黄明浩

试验与研究 影响管线钢屈强比的因素探讨 黄明浩 徐 烽 黄国建 鞍钢股份技术中心 辽宁 鞍山 114009 摘 要 详细介绍了影响管线钢屈强比的因素 即管线钢成分 工艺 组织 成品厚度 取样方 向 对鞍钢生产的 X 60和 X 65级管线钢进行了性能统计分析 找出这些影响因素和屈强比的 普遍性关系 对高钢级管线钢屈强比的控制有较高的参考价值 关键词 管线钢 屈强比 影响因素 中图分类号 T G 113 25 文献标志码 A 文章编号 1001 3938 2008 03 0020 04 0 前 言 随着石油 天然气工业的发展 对管线钢的需 求量在不断增加 石油 天然气输送管道通常服 役于环境较恶劣的地区 管道压力大 输送介质复 杂 这就对管线钢性能提出了更高的要求 随着 管线钢性能 等级的提高 管线钢材料的屈服强度 Rt 0 5和抗拉强度 Rm均有不同程度提高 而 Rt 0 5 增长较快 屈强比 Rt 0 5 Rm呈明显升高趋势 高 屈强比表明钢的应变硬化能力降低 使管道抗侧 向弯曲能力降低 管线钢应变硬化能力对土质不 稳定区 不连续区及地震带敷设的管道影响很大 近年来 我国石油 天然气开发及管道输送得 到了迅速发展 管道的安全问题日显突出 而屈强 比 Rt 0 5 Rm升高意味着材料的形变强化幅度相对 减小 形变强化指数也相应减小 这对于管线安全 是有影响的 1 2 因此 用户在管道材料的选择上 严格限制了屈强比的范围 目前 国内外对这一指 标的要求是 X 60 X 65和 X 70级卷板 R t 0 5 Rm 0 90 5 允许 0 92 但在实际生产中 屈强比偏高 的问题在高级别管线钢中普遍存在 特别是薄规格 的管线钢 为了更好地了解影响管线钢屈强比的因素及 其对屈强比的影响规律 国内外许多科研单位对 此进行了相关的理论研究 如东北大学 北京科技 大学 西安交通大学 宝钢股份有限公司 鞍钢股 份有限公司 邯郸钢铁集团公司 中国石油天然气 集团公司管材研究所等 对管线钢成分 工艺 组 织对屈强比的影响进行了研究 本文对鞍钢生产的 X 60和 X 65级管线钢的屈 强比进行了分析 得出影响管线钢屈强比的因素大 体为管线钢成分 工艺 组织 成品厚度 取样方向 为今后高钢级管线钢屈强比控制提供参考依据 1 不同因素对管线钢屈强比的影响 1 1 成分对屈强比的影响 目前 输送管道所采用的高强度管线钢都是通 过降 C 增 M n 添加微合金化元素 采用超细晶化 超纯净化和控制轧制等现代冶金和轧制技术 通过 固溶强化 细晶强化 沉淀强化和织构强化等获取 高屈服强度和高韧性 由于含碳量低 管线钢在各 种强化机制中固溶强化所占的份额不高 因此在大 幅度提高材料屈服强度的同时 抗拉强度提高的幅 度不大 从而使材料的屈强比随着屈服强度的提高 而增大 3 而在固溶强化中 S i 和 M n 是强化作用 较大的元素 为了提高固溶强化的效果 可以适当 增加 S i 和 M n 的含量 从而降低屈强比 图 1为厚 度 9 5m m 取样方向 45 相同的贫珠光体管线钢 不同 M n 含量对屈强比的影响趋势图 通过趋势 图可以看出 屈强比在 0 88以下 样品中高 M n 含 量比例较大 屈强比在 0 88以上 样品中高 M n 含 量比例较小 可见高的 M n 含量有助于降低屈强 比 这与相关的理论研究相一致 1 2 工艺对屈强比的影响 在管线钢的控轧控冷过程中 工艺对管线钢 20 焊管 第 31卷第 3期 2008年 5月 图 1 Mn 含量对屈强比的影响 屈强比的影响非常明显 其中终冷温度是对屈强比 影响最大的因素之一 通过控制终冷温度可以得 到不同微观组织的管线钢 从而控制屈强比 根 据北京科技大学研究 4 终冷温度在 600 到 430 范围内 屈强比随终冷温度的降低而升高 这是 由于终冷温度升高 铁素体晶粒粗大 屈服强度和 抗拉强度都下降 屈服强度下降较多 导致屈强比 降低 东北大学提出的延长热轧后停留时间来降 低带钢屈强比 同样是通过粗化晶粒来降低屈强 比 通过对鞍钢生产的 X 60和 X 65级管线钢工艺 和性能数据进行统计分析 得到了终冷温度对 X 60 15 88m m 纵向 30 和 X 65 11 9m m 纵向 45 级管线钢屈强比的影响 如图 2和图 3所示 通过对 X 60和 X 65钢生产数据进行统计分析 可知 终冷温度在 550 到 630 范围内 随终冷 温度的升高 屈强比呈现下降的趋势 分析表明 现 场的生产结论和理论相符合 这主要是由于终冷 温度的升高 晶粒变得粗大 晶粒度增大 而细化晶 粒对钢材屈服强度的影响要大于对抗拉强度的影 响 5 钢的屈服强度和抗拉强度都下降的同时 屈服强度下降程度高于抗拉强度 所以屈强比呈 图 2 终冷温度对 X60钢屈强比的影响 图 3 终冷温度对 X65钢屈强比的影响 下降的趋势 另一方面 X 60和 X 65钢的组织为铁 素体加珠光体以及少量的贝氏体 随着终冷温度的 升高 均匀分布的先共析铁素体和较粗大的珠光体 组织增加 使屈强比降低 1 3 组织对屈强比的影响 在管线钢的控轧控冷过程中 通过控制冷却速 度和终冷温度可得到不同微观组织 这些组织对管 线钢的屈强比有很大影响 北京科技大学和西安 交通大学研究表明 6 在较低终冷温度下得到的板 条状贝氏体型管线钢比较高终冷温度下获得的针 状铁素体型管线钢具有更低的屈强比 因为板条贝 氏体型管线钢中细小弥散的析出组织对降低屈强 比也是有利的 而针状铁素体型管线钢比较高终冷 温度下获得的等轴多边形铁素体型管线钢具有更 低的屈强比 图 4为两种典型组织的屈强比对比 情况 对应的组织形貌见图 5 图 6 通过对鞍钢生 产的 X 65钢进行屈强比分布统计发现 针状铁素体 型管线钢比铁素体加少量珠光体型管线钢具有更 低的屈强比 这表明实际生产与理论结果相符合 1 4 卷板厚度对屈强比的影响 连铸坯的厚度相同 而卷板厚度不同 因此铸 图 4 两种典型组织的屈强比对比 21 第 31卷第 3期 黄明浩等 影响管线钢屈强比的因素探讨 图 5 针状铁素体组织形貌 图 6 铁素体 少量珠光体组织形貌 坯到卷板的轧制道次或压下量是不同的 卷板晶 粒度也不同 从而导致屈强比的不同 所以管线钢 卷板的厚度是对屈强比影响较大的因素之一 相 关的理论研究 7 也指出 轧制道次的增大或压下 量的增大 会起到细化晶粒的作用 而晶粒的细化 对屈服强度的增加程度大于对抗拉强度的增加 屈强比呈升高趋势 即薄规格管线钢比厚规格管 线钢具有更高的屈强比 表 1 表 2和图 7 图 8 分别为卷板厚度对 X 60和 X 65钢屈强比影响的 统计结果 通过对不同厚度规格的 X 60和 X 65钢屈强 比进行统计分析可知 随着卷板厚度的增加 屈强 表 1 卷板厚度对 X60钢屈强比影响 厚度 m m 屈强比 最大值最小值平均值 6 30 920 870 896 9 50 910 830 886 12 50 910 790 864 15 880 870 730 791 表 2 卷板厚度对 X65钢屈强比影响 厚度 m m 屈强比 最大值最小值平均值 6 950 920 870 900 9 50 910 820 881 11 50 910 810 868 11 90 900 830 866 14 30 900 800 845 15 880 890 760 812 图 7 卷板厚度对 X60钢屈强比影响 图 8 卷板厚度对 X65钢屈强比影响 比呈现明显的下降趋势 这主要是由于卷板厚度 增加 轧制的道次或压下量减少 管线钢的加工硬 化效果减弱 同时晶粒细化的程度降低 所以屈强 比明显下降 通过对鞍钢生产数据进行回归分析 得出屈强比和厚度的回归方程为 屈强比 0 974 0 009 73h 1 式中 h 卷板厚度 m m 1 5 取样方向对屈强比的影响 由于纵向 轧制方向 晶粒发生的变形量大 而横向晶粒发生变形量小 所以横向的晶粒比纵 向细小 屈服强度最高 抗拉强度差距不大 屈强 比最大 图 9和图 10为现场生产的 X 60和 X 65 级热轧卷板不同取样方向的屈强比趋势图 对现 场生产的 X 60和 X 65级热轧卷板进行横向 纵向 和 45 方向的拉伸试验 结果表明 X 60和 X 65级 热轧卷板各个方向的拉伸性能存在差异 横向强 度最高 纵向和 45 方向次之 X 60级热轧卷板纵 向屈服强度比横向低 30 50 M P a X 65级热轧卷 板纵向屈服强度比横向低 80 100 M P a 抗拉强 度差距很小 得出横向屈强比最大 22 焊 管 2008年 5月 2 制管后屈强比的变化 相关研究表明 组织为贫珠光体的低钢级管线 钢 如 X 60 X 65钢 包辛格效应使材料的屈服强 度降低 而对抗拉强度的影响很小 因此其屈强比 是降低的 8 一般而言 螺旋焊管制管后屈强比下 降 而直缝埋弧焊管屈强比上升 这是由于螺旋焊 管在制管过程中受到包辛格效应和冷作硬化作用 的综合作用 制管后的管体屈服强度可能上升 但 幅度不大 小于抗拉强度的上升幅度 造成屈强比 下降 直缝埋弧焊管采用了约 1 的冷扩径量 当 采用 U O 成型时 扩径与成型压缩方向相反 管体 的屈服强度略微上升 当采用 J C O 成型时 由于成 型时钢板没有压缩而是发生了延展 扩径时再次拉 伸 因此 管体的屈服强度呈上升趋势 造成屈强比 略有上升 3 结 论 总之 为了保证石油 天然气管道的安全 必 须严格控制管线钢热轧卷板屈强比的范围 从而 保证制管后的屈强比满足安全的需要 但在实际 生产中 影响屈强比的因素很多 主要有管线钢成 分 工艺 组织 成品厚度 取样方向等 1 控制 S i 和 M n 等元素的含量 提高固溶 强化的效果 可有效降低屈强比 2 终冷温度是对管线钢屈强比影响最大的 因素之一 终轧温度在 600 到 430 范围内 屈 强比随温度的降低而升高 3 从组织来看 对于降低屈强比的贡献大 小分别为 针状铁素体 针状铁素体加贝氏体 针状铁素体加贝氏体加少量珠光体 4 随着卷板厚度的增加 屈强比呈现明显 的下降趋势 5 在管线钢不同方向上 横向屈强比最大 以上所讨论的对屈强比影响的各个因素中 用 户的取样方向和卷板厚度都是无法改变的 钢厂仅 可以通过控制成分和工艺来得到管线钢合适的组 织和性能 因此 制管企业应充分考虑到制管后管 材屈强比的变化 从而为用户提供优质的产品 参考文献 1 S L O T E R D I J K W N E D E R L A N D S E G A S U N I E N V E f f e c t o fT e n s i l eP r o p e r t i e so nt h eS a f e t yo fP i p e l i n e s C E P R G25 A n n i v e r s a r yMe e t i n g B r u s s e l s E P R G 1997 2 刘瑞堂 刘文博 刘锦云 工程材料力学性能 M 哈 尔滨 哈尔滨工业大学出版社 2001 3 辛希贤 姚婷珍 张刊林 等 高屈强比管线钢的安全 性分析 J 焊管 2006 29 4 36 39 4 闫立超 余伟 唐荻 等 轧后控冷终冷温度对高强度 管线钢屈强比的影响 J 上海金属 2007 29 3 37 40 5 刘相华 杜林秀 王国栋 热轧钢材的晶粒细化与超级 钢开发 J 河南冶金 2004 12 3 3 6 6 张小立 冯耀荣 赵文轸 等 X80级管线钢的组织和 力学性能 J 特殊钢 2006 27 3 11 13 7 翁宇庆 超细晶钢 钢的组织细化理论与控制技术 M 北京 冶金工业出版社 2003 36 37 8 朱维斗 李年 杜百平 包申格效应对板料与成品管屈 服强度与屈强比的影响 J 机械强度 2006 28 4 503 507 作者简介 黄明浩 1979 男 工程师 现在鞍钢股份技 术中心工作 主要从事管线钢的研制工作 收稿日期 2007 11 01 编辑 黄 勇 23 第 31卷第 3期 黄明浩等 影响管线钢屈强比的因素探讨 A B S T R A C T S WE L D E DP I P EA N DT U B E V o l 31 N o 3 M a y2008 P r o g r e s so f Re s e a r c ho nWe l d i n go f D u p l e xS t a i n l e s s S t e e l HA NZ h i c h e n g WA N GS h a o g a n g X UF e n g l i n J I X i a o h u i D O N GG u i p i n g A b s t r a c t I D 1001 3938 2008 03 0005 E A A b s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s p r o g r e s s o f r e s e a r c h o n w e l d i n g o f d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l a n d i t s t h e l a t e s t r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s w h i c hi n c l u d e s a l l k i n d s o f w e l d i n gm e t h o d s w e l d i n g p r o c e d u r e a n da n a l y s i s o f s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o f j o i n t e t c I t a l s o s u m m a r i z e s m a n yp r o b l e m s o c c u r r e di n w e l d i n gp r o c e s s a n d p u t s f o r w a r d d e v e l o p m e n t t r e n do f w e l d i n g r e s e a r c hi nt h e f u t u r e K e y w o r d s d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l w e l d i n g p r o g r e s s o f r e s e a r c h A c t u a l i t ya n dP r o s p e c t o f A n t i c o r r o s i o nT e c h n o l o g yt oB u r r i e dP i p e l i n e H A NWe n l i L I NZ h u A b s t r a c t I D 1001 3938 2008 03 0009 E A A b s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h a t p i p e l i n e a n t i c o r r o s i o n t e c h n o l o g y h a s b e e n d e v e l o p e d g r e a t l y a n d t h e r e a p p e a r e d m a n y n e wa n t i c o r r o s i o n m a t e r i a l s a n dt e c h n o l o g i e s b u t p i p e l i n e c o r r o s i o n p r o b l e mh a s n o t b e e n r a d i c a l l y s o l v e dy e t I t b r i e f l y d e s c r i b e d s e v e r a l k i n d s o f m a t e r i a l p e r f o r m a n c e f o r b u r r i e d p i p e l i n e e x t e r n a l c o a t i n g a n da l s oe m p h a s i z e dp i p e l i n e a n t i c o r r o s i o n t e c h n o l o g ya c t u a l i t y e x i s t e n t p r o b l e m s a n dp r o s p e c t i nC h i n a T h o u g h p i p e l i n e a n t i c o r r o s i o nt e c h n o l o g y d e v e l o p f a s t c o m p a r i n g i t w i t h t h a t o f d e v e l o p e d c o u n t r i e s t h e r e a r e m u c hd i f f e r e n c e i ns t a b i l i t y o f c o a t i n g m a t e r i a l q u a l i t y p r o c e s s c o u r s e c o n t r o l t r a c k i n g i n s p e c t i o nt e c h n o l o g y a n d m a n a g e m e n t K e y w o r d s p i p e l i n e a n t i c o r r o s i o n a n t i c o r r o s i o n m a t e r i a l c o a t i n g m a t e r i a l c o a t i n g t e c h n o l o g y c o r r o s i o nd e t e c t i o n F i n i t eE l e me n t A n a l y s i so nL i mi t L o a do f F u e l Ga sP i p e l i n e sw i t hCo r r o s i o nDe f e c t s S H UA n q i n g WA N GWe i h u a WE I Hu a z h o n g A b s t r a c t I D 1001 3938 2008 03 0014 E A A b s t r a c t S y s t e m a t i c n o n l i n e a r a n a l y s i s i s c a r r 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