国产X80管线钢的应变时效行为及预防措施

国产X80管线钢的应变时效行为及预防措施高建忠1，马秋荣1,2，王长安1，李云龙1，李记科1,谢勇1（1.中国石油天然气集团公司管材研究所，陕西西安710065;2.西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安710049）摘要：针对管线钢存在的应变时效问题，对国产X80管线钢及其直缝埋弧焊管管体进行了不同时效后的拉伸试验。研究了国产X80管线钢的应变时效行为并分析了预防措施。结果表明:当时效温度达到210℃时，存在1％预应变的X80管线钢和经水压、冷扩径后的直缝埋弧焊管均出现明显的应变时效，前者屈服强度和屈强比均上升6％，后者屈服强度和屈强比分别上升9.5％和6.9％，且应力－应变曲线均出现明显的屈服平台。降低制管质量控制过程中的拉伸试样制备温度，降低防腐前加热温度和缩短加热时间以及降低管线钢中碳、氮的含量，采用双相显微组织并在轧制工艺中用加速冷却后立即在线热处理等方法均是降低管线钢应变时效的有效措施。关键词：应变时效；管线钢；直缝埋弧焊管；X80管线钢中图分类号：TG113.25文献标识码：A文章编号：1000－3738(2009)BehaviorandPreventiveMeasuresofStrainAgingofDomesticX80LinepipeSteelGAOJian-zhong1,MAQiu-rong1,2,WANGChang-an1,LIYun-long1,LIJi-ke1,XIEYong1(1.TubularGoodsResearchCenterofCNPC,Xi’an710065,China;2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)Abstract:Aimingatthestrainagingeffectoflinepipesteel,thetensilepropertiesofdomesticX80Gradeplateandlongitudinalsubmerged-arcweldedpipebodyweretestedafteragingatdifferenttemperature.Experimentalresultsshowthatthestrainagingeffectofbothplateswith1%pre-strainandUOEpipesafterhydrostatictestandcoldexpansionwassignificantafteragingat210℃.Theyieldstrengthandyield-to-tensileratioofspecimensfromplateincreasedby6%andtheonesfrompipebodyincreasedby9.5%and6.9%respectively.Inaddition,thestress-straincurvesexhibitedsignificantyieldplateauotherthantheoriginalround-housetypecurves.Tominimizethestrainagingeffectofhighstrengthlinepipesteel,measuressuchasmaintaininglowtemperatureduringtheprocessoftensilespecimenspreparation,controllingtemperatureandheatingtimedelicatelyduringcoating,loweringCandNcontentinlinepipesteelanddevelopingtwo-phasesteelaswellasapplyingon-lineheatingtreatmentjustafteracceleratedcoolingweresuggestedtobetaken.Keywords:strainaging;linepipesteel;SAWL;X800引言管线钢是一种低碳微合金钢，当经受一定的冷变形后再加热到一定温度时，会产生应变时效（StrainAging）[1]。应变时效会造成管线钢的屈服强度和屈强比升高，在拉伸应力－应变曲线上出现明显的屈服平台，即吕德斯线；同时，也对制管控制、钢管现场焊接以及钢管服役性能等造成不利影响[2-3]。随着管线钢钢级的不断提高，应变时效对钢管性能的影响越来越显著。因此，为了保证管线钢管力学性能测试结果的正确性，确保实际钢管力学性能和管线设计时保持一致，对管线钢的应变时效行为进行系统1收稿日期：2008-12-22；修订日期：2009-5-31作者简介：高建忠（1970－），男，河北乐亭人，工程师，博士。研究，对管线的设计和安全运营具有重要意义。国外针对高钢级管线钢的应变时效行为进行了较多的研究，主要是在“基于应变的管线设计”的背景下，研究防腐过程中加热温度对钢管应变时效的影响[1,4]。研究结果表明，当管线钢存在预应变时，加热到200℃左右即可产生明显的应变时效[4-5]。而国内针对钢材应变时效行为的研究主要集中在船板用钢[6]、特种钢[7]以及结构用钢[8]等方面，针对管线钢的相关研究不多，尤其是对国产高钢级管线钢及其钢管制品的应变时效行为的深入研究更是报道甚少。因此，作者对目前国内批量应用的X80钢级国产钢板及制成的直缝埋弧焊管的应变时效行为进行了试验研究，并就应变时效现象的防止、利用及其表征进行了探讨。1试样制备与试验方法试验材料为X80管线钢钢板和制成的直缝埋弧焊管。试验钢板厚度22mm，宝钢生产。根据订货要求，在板宽1/2取样，切取方向与轧制方向垂直。试验材料钢管与钢板为同一熔炼炉次，公称直径1219mm，采用UOE方式成型。取样位置在距焊缝180°处的管体，方向为横向。对于钢板来说，板状试样比圆棒试样更能代表包括表面金属的全壁厚钢板整体性能，而对于钢管管体而言，圆棒试样则可以消除板状试样因展平而带来的包申格效应[9]，因此，钢板取样采用了板状试样，而钢管管体取样采用的是圆棒试样。板状试样标距内长50mm，宽38.1mm，厚度为全壁厚（22mm）。圆棒试样标距内长50mm，直径12.7mm。试验方法按照ASTMA370《钢铁产品力学性能标准试验方法和定义》的规定进行。钢板取样数量8个，编号为B1～B8，其中6个采用人工加载方式，使试样预应变量达到1％，其余2个无预应变。钢管试样在制管、水压和扩径后切取，实际扩径率为(0.8±0.1)％，造成的管体应变约为0.9~1％左右[4]。试样数量为6个，编号为G1～G6。钢板试样和钢管试样进行如表1所示温度下的时效处理，空冷到室温后进行拉伸试验。表1时效处理工艺Tab.1Agingprocedure试样编号时效温度/℃保温时间/Min预应变/%B120301.0B220301.0B3150301.0B4150301.0B5210301.0B6210301.0B720/0.0B8210300.0G120/0.9～1.0G220/0.9～1.0G3150300.9～1.0G4150300.9～1.0G5210300.9～1.0G6210300.9～1.02试验结果与讨论2.1应变时效对拉伸性能的影响从表2可以看出，对于钢板试样，当没有预应变时，未时效试样室温下的屈服强度、抗拉强度和屈强比分别为561，752MPa和0.75；而加热到210℃并时效30min后，其屈服强度、抗拉强度和屈强比分别为556，750MPa和0.74。可见，当不存在预应变的情况下，加热后并不会造成管线钢的应变时效。当人工预制应变为1%时，试样的应变时效随温度升高而更为明显，屈服强度平均值从20℃的641MPa升高到210℃的680MPa，对应的屈强比平均值由0.84升高到0.89，升幅均达到6％，而抗拉强度的变化不明显，说明应变时效对屈服强度和屈强比造成的影响较大。对于钢管试样而言，在制管过程中管线钢经历了冷弯曲成型、静水压试验以及全长冷扩径，存在预应变约为0.9～1.0%。当温度升高时，也将出现应变时效。从表2可以看出，当时效温度从20℃升高到210℃后，试样的屈服强度平均值从600MPa升高到657MPa，屈强比平均值从0.87升高到0.93，升幅分别达到9.5％和6.9％。与钢板试样情况类似，抗拉强度的变化不甚明显。一般认为，应变时效产生的机理是由于管线钢在塑性变形后，材料中的位错脱离钉扎质点而移动，而在随后的低温加热过程中，钢中的碳、氮、氧等原子被激活并移动到位错上，钉扎位错，造成位错滑移困难，导致宏观上的屈服强度和屈强比升高[1-2]。表2不同工艺时效后试样的拉伸试验结果Tab.2Tensiletestresultsofspecimensafteragingunderdifferenttemperature试样编号屈服强度/MPa平均值抗拉强度/MPa平均值屈强比平均值B16356417627630.830.84B26477640.85B36476527627620.850.86B46567610.86B56796807637640.890.89B66807640.89B75615617527520.750.75B85565567507500.740.74G16046006896870.880.87G25966850.87G36196176956960.890.89G46146960.88G56766577167050.940.93G66376930.92由于钢板试验采用了板状试样，而钢管试验采用的是圆棒试样，从而造成前者屈服强度和屈强比试验结果偏低[10]。但从各自的趋势看，该国产X80管线钢的应变时效随温度升高而明显增强。2.2应变时效对应力－应变曲线的影响应变时效不仅使材料的屈服强度和屈强比发生显著变化，而且影响拉伸应力－应变曲线的形状。X80钢级钢板采用热机械控轧工艺（TMCP）生产，组织为针状铁素体，晶体结构中存在高密度位错。理论上，这种管线钢具有良好的强韧性，当一个位错开始滑动时，会被更多的位错阻挡，因此必须持续加力才能使这些堆积的位错逐个开动，导致拉伸曲线没有明显的屈服平台，而是具有连续屈服的特征[11]。由图1和图2可以看出，钢板试样和钢管试样拉伸试验测得的应力－应变曲线都呈现同样的规律，即在室温（20℃）下，拉伸曲线呈现平滑的圆顶形状，材料连续屈服，应变时效不明显；加热到150℃，拉伸曲线开始出现屈服平台，但不明显，屈服强度上升，说明此时开始出现应变时效；当加热到210℃，拉伸曲线出现明显的屈服平台，而且出现了明显的屈服尖峰，屈服强度值也明显上升，说明此时应变时效已经非常明显。B1试样:20℃；B3试样：150℃；B5试样：210℃图1不同时效温度下钢板试样的应力－应变曲线Fig.1Stress-straincurvesofspecimensfromplateunderdifferentagingtemperatureG1试样：20℃；G3试样：150℃；G5试样：210℃图2不同时效温度下钢管管体试样的应力－应变曲线Fig.2Stress-straincurvesofspecimensfrompipebodyunderdifferentagingtemperature3应变时效的利用和防止可以从两个角度来看待管线钢的应变时效现象。一方面，可以利用应变时效来增强钢管抗挤毁的能力。例如，对于UOE直缝埋弧焊管，由于冷扩径工序会造成钢管环向压应力的降低，而通过在防腐涂层制备过程中的加热，诱发应变时效，可以补偿压应力的降低，从而提高钢管的抗挤毁能力[12]。另一方面，管线钢的应变时效会对钢管制造过程的质量控制、钢管的现场焊接以及管线的最终服役性能造成不利影响。例如，制管过程常规拉伸性能试样的制备过程中，由于火焰切割造成的温度影响和由于车削加工产生的热量都可能诱发试样的应变时效行为。用发生应变时效的试样进行拉伸性能测试，势必导致最终的测量结果不能代表钢管的真实性能。另外，在常规的三层聚乙烯（