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行业综述 管线钢屈强比分析与评述 高 惠 临 西安石油大学 材料科学与工程学院 西安 710065 摘 要 论述了管线钢屈强比的作用和要求 分析了屈强比对钢管形变容量 缺陷容量及承载能 力的影响 综合部分标准对管线钢屈强比的要求 指出屈强比超标或对屈强比的大小有疑虑时 应结合材料的应力 应变曲线及其均匀伸长率 形变硬化指数和静力韧度等综合进行评价 并 从强化机制 化学成分 控轧控冷工艺和显微组织等方面 分析了管线钢屈强比的控制因素 关键词 管线钢 屈强比 强化机制 化学成分 控轧控冷 显微组织 中图分类号 T G 142 1 文献标志码 A 文章编号 1001 3938 2010 06 0010 05 A n a l y s i s a n dC o mme n t a r yo nY i e l dR a t i oo f P i p e l i n e S t e e l G A OH u i l i n S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g X i a nS h i y o uU n i v e r s i t y X i a n710065 C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l ed i s c u s s e df u n c t i o na n dr e q u i r e m e n t s f o r y i e l dr a t i oo f p i p e l i n es t e e l a n a l y z e de f f e c t o f y i e l dr a t i o o ns t e e l p i p es h a p ed e f o r m a t i o nc a p a c i t y d e f e c t c a p a c i t ya n dc a r r y i n gc a p a c i t y I t i n t r o d u c e dr e q u i r e m e n t s f o r p i p e l i n e s t e e l y i e l dr a t i oi ns o m es t a n d a r d s a n dp o i n t e do u t t h a t w h e nt h ey i e l dr a t i oi se x c e e d e do r u n c e r t a i n i t s h o u l db ee v a l u a t e dc o mb i n e dw i t hs t r e s s s t r a i nc u r v eo f m a t e r i a l a n di t s e l o n g a t i o nr a t e s h a p ed e f o r m a t i o nh a r d e n i n gi n d e xa n d s t a t i ct o u g h n e s s F i n a l l y i t a n a l y z e dc o n t r o l f a c t o r so f p i p e l i n es t e e l f r o ms t r e n g t h e n i n gme c h a n i s m c h e m i c a l c o m p o s i t i o n c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n ga n dmi c r o s t r u c t u r e Ke yw o r d s p i p e l i n es t e e l y i e l dr a t i o s t r e n g t h e n i n gme c h a n i s m c h e m i c a l c o m p o s i t i o n c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g m i c r o s t r u c t u r e 材料的屈服强度与抗拉强度之比 R P0 2 Rm或 Rt 0 5 Rm 称之为屈强比 屈强比是管线钢性能的 重要参量和管线钢管安全性的重要表征 在研制 和开发高级别管线钢的实践中 人们注意到 采用 控轧 控冷技术制造的微合金化管线钢 其屈服强 度的增幅明显大于抗拉强度的增幅 因而与传统低 合金高强度钢相比 现代管线钢有较高的屈强比 然而 目前对管线钢屈强比的认识还不深入 1 笔 者在国内外已有研究成果的基础上 对管线钢屈强 比所涉及的有关问题 进行综合的分析和评述 1 屈强比对材料性能的影响 不同强度级别管线钢屈强比的变化如图 1所 示 可见随着管线钢屈服强度的提高 屈强比明显 增加 当屈服强度大于 500 M P a 相当于 X 70级 管线钢 时 屈强比大于 0 85 当屈服强度大于 700M P a 相当于 X 100 时 屈强比大于 0 90 据 图 1 不同强度级别管线钢的屈强比 2 10 焊管 第 33卷第 6期 2010年 6月 国家自然科学基金项目 50874090 统计 在过去 10年内 管线钢的屈强比已从 0 80 增加至 0 90 0 93或以上 过高的屈强比限制 了管线钢的极限塑性变形能力 对管道结构的安 全服役造成影响 因此 有关屈强比的研究已成 为当前管线钢和管线钢管的研究热点 1 1 屈强比与形变容量 通过大量试验 建立了管线钢均匀伸长率 u 与屈强比的关系 如图 2所示 从试验数据 的分析中 可以获得管线钢均匀伸长率和屈强比 的近似关系式为 u 0 5 1 Rt 0 5 Rm 随屈 强比的增加 均匀伸长率减小 即表示材料从起始 塑性变形到开始断裂的形变容量减小 图 3为服 役条件下所建立的管线钢管环向应变与管线钢屈 强比的关系 图 3表明当管线钢的屈强比增加 时 管道结构所允许的环向应变减小 图 4为管 线钢管在试压条件下所建立的钢管均匀伸长率与 管线钢均匀伸长率的比值和管线钢屈强比的关 系 图 4表明管线钢屈强比增加时 管道结构的 均匀伸长率减小 研究表明 在单轴加载条件下 图 2 管线钢均匀伸长率与屈强比的关系 2 当管线钢管屈强比超过 0 93时 其均匀应变率很 快降低到理论值以下 由此可见 过高的屈强比 损伤了材料的均匀形变容量和材料的极限塑性变 形能力 1 2 屈强比与临界裂纹 随着屈强比的增加 材料的塑性变形能力下 降 使得材料缓和应力集中 松弛裂纹尖端局部应 力和限制裂纹扩展的能力降低 图 5表明 随着屈 强比的升高 钢管临界裂纹的长度和深度减小 促 图 5 钢管临界裂纹长度 深度与管线钢屈强比的关系 5 11 第 33卷第 6期 高惠临 管线钢屈强比分析与评述 进了钢管的断裂过程 由此可见 过高的屈强比损 伤了材料的缺陷容量 给管道服役安全构成威胁 1 3 屈强比与承载能力 通过理论分析和试验 建立了管线钢屈强比 与材料形变强化指数 n 的关系 如图 6所示 其近 似关系式为 n 0 005 46 0 556Rt 0 5 R m 0 547 R t 0 5 Rm 2 即屈强比升高会引起形变强化指数 的下降 管线钢屈强比对钢管强度的影响如图 7 所示 可以看出 随着管线钢屈强比的升高 管材 屈服强度与钢管屈服强度的差值增加 过高的屈 强比会导致材料的形变强化能力降低 从而降低 钢管的屈服强度和承载能力 2 对屈强比的要求 石油天然气长输管线的服役条件要求管线钢 应有大的极限塑性变形和抗断裂能力 通常提出屈 强比的上限要求 不同的规范对管线钢屈强比的 规定有所差别 通常要求屈强比低于 0 85 0 93 表 1为部分标准的屈强比的限值 实际上 用户一 般对管线钢屈强比经常提出更严格的要求 表 1 部分标准对管线钢屈强比的要求 标 准钢级屈强比限值 I S O3183 2007 A P I S p e c5L2007 G B T9711 2009 修改稿 X 42 X 80 X 90 X 100 X 120 0 90 0 95 0 97 经协商可降低 0 99 经协商可降低 西气东输管道工程技 术要求 X 70 0 90 允许其中 5 的炉批 0 92 西气东输二线管道工 程技术要求 T r a n s C a n a d aP 04 D N V海上钢管安装规范 X 80 0 92 矩形试样 0 93 圆棒试样 无要求 要求均匀伸长 率大于 10 0 85 扩径管 0 90 应该注意 各种标准和规范对管线钢屈强比的 规定并没有定量的依据 屈强比是一个从属的性 能指标 仅从屈强比的大小有时难以做出准确评 价 如图 8所示 虽然图中两种材料的屈强比相 同 但它们的应力 应变特征和塑性变形能力各 异 从这种意义上讲 把屈强比作为钢管安全性的 表征应十分谨慎 现代管线钢管虽具有高的屈强 比 但仍可能具有高的塑性水平而安全运行 因 此 当屈强比超标或对屈强比的大小有疑虑时 应 结合材料的应力 应变曲线及其均匀伸长率 u 形 变硬化指数 n 和静力韧度 V T等进行综合评价 静 力韧度也称强塑值 其大小等于材料应力 应变曲 线所包围的面积 可以通过积分精确获得 V T 也可 通过简化公式 V T 0 5 Rt 0 5 Rm 获得 VT的 近似值 图 8 材料的屈强比与应力 应变曲线 3 屈强比的影响因素 3 1 强化机制 如图 9所示 虽然材料的强化机制对屈服强 度和抗拉强度的作用趋势一致 但其作用程度各 12 焊 管 2010年 6月 有不同 由此可以获得以下结论 1 晶界强化使屈服强度的增幅大于抗拉强 度的增幅 因此晶粒的细化使材料的屈强比增加 2 位错强化使屈服强度增幅大于抗拉强度 增幅 因此位错密度的增加使材料的屈强比增加 3 沉淀强化使屈服强度的增幅略大于抗拉 强度的增幅 因此第二相的沉淀析出对材料屈强 比的增加稍有影响 4 固溶强化使屈服强度的增幅略小于抗拉 强度的增幅 因此固溶合金元素含量的增加使材 料的屈强比减小 图 9 材料的强化机制对屈服强度和抗拉强度的作用 3 2 化学成分 基于以上强化机制的分析 管线钢合金元素 影响屈强比的基本规律为 1 在管线钢中主要起固溶强化作用的 C M n 和 S i 使屈强比减小 图 10所示分别为钢中 C 和 M n 含量对屈服强度和抗拉强度的影响 可 以看出 随 C 含量和 M n 含量的增加 屈服强度的 增幅小于抗拉强度的增幅 致使屈强比降低 图 10 元素含量对屈服强度和抗拉强度的影响 1 2 微合金元素 N b V 和 T i 主要作用是细化 晶粒和使沉淀析出 因而使管线钢屈强比增大 3 合金元素 M o C r N i 和 B 等主要作用是 形成针状铁素体而细化有效晶粒尺寸 因而使管 线钢屈强比增大 3 3 控轧 控冷工艺 在管线钢轧制和轧后的冷却过程中 可通过 增加晶粒尺寸和减少位错密度来降低材料的屈强 比 在兼顾强韧性要求的前提下 为降低屈强比 可尝试采用以下的工艺措施 提高终轧温度 减小形变量 特别是在奥氏体再结晶区的形变 量 减少形变道次 热轧后停留适当时间再实 施冷却 降低始冷温度 减小冷却速率 增 加终冷温度 3 4 显微组织 研究表明 通过双相组织或复相组织的获取 可使管线钢的屈服比降低 双相组织使屈强比降 低可用位错理论进行解释 也可简单地理解为双 相组织中的软相使屈服强度降低 硬相使抗拉强 度增加 因而表现为屈强比的降低 通过低 C 超低 C 的多元合金化设计和特定的 控轧 控冷技术 可分别获得 B F 和 B M A 13 第 33卷第 6期 高惠临 管线钢屈强比分析与评述 等不同类型的双相组织 这种双相组织可使 X 70 钢的屈强比小于 0 75 图 11为一种 B M A 双 相管线钢屈强比与组织的关系 可以看出 随 M A 的增加 管线钢屈强比降低 图 11 双相管线钢屈强比与组织的关系 6 3 5 其他 3 5 1 板厚 图 12表明 不同厚度的管线钢具有不同的屈 强比 由于厚板的轧制形变量和轧后冷却速率的 减少 致使其屈强比降低 图 12 管线钢屈强比与钢板厚度的关系 2 3 5 2 试样类型 拉伸试样的类型可影响到管线钢测试的屈强 比值 在测试钢板的屈强比时 由于钢板内外性能 的差异 采用圆棒试样比采用板状试样测试的屈强 比低 在测试钢管的屈强比时 由于包辛格效应 采用圆棒试样比采用板状试样测试的屈强比高 3 5 3 试样方向 由于钢板的轧制以及随后的制管加工工艺引 起各向异性 高强度管线钢的纵向屈服强度通常 低于横向屈服强度 4 结 语 1 随管线钢屈强比的增加 均匀伸长率减 小 即表示材料从起始塑性变形到开始断裂的形 变容量减小 当管线钢的屈强比增加时 管道结 构所允许的环向应变减小 2 随着屈强比的升高 钢管临界裂纹的长 度和深度减小 促进了钢管的断裂过程 3 过高的屈强比 使材料的形变强化能力 降低 致使钢管的屈服强度和承载能力降低 4 当屈强比超标或对屈强比的大小有疑虑 时 应结合材料的应力 应变曲线及其均匀伸长 率 u 形变硬化指数 n 和静力韧度 VT等进行综合 评价 参考文献 1 高惠临 管线钢 组织 性能 焊接行为 M 西安 陕 西科学技术出版社 1995 2 HE A L YJ B I L L I N G HA M J Me t a l l u r g i c a l C o n s i d e r a t i o n s o ft h eH i g hY i e l dt oU l t i ma t eR a t i oi nHi g hS t r e n g t h S t e e l sf o rU s ei nO f f s h o r eE n g i n e e r i n g C 14t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nO f f s h o r eMe c h a n i c sa n dA r e t i e E n g i n e e r i n g C o p e n h a g e n s n 1995 365 3 李鹤林 天然气输送管研究与应用中的几个热点问 题 C 石油管工程应用基础研究论文集 北京 石 油工业出版社 2001 89 95 4 G L O V E RA R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no f X100a n dX120 C T h eI n t e
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