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高级别管线的屈强比浅析

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高级别管线的屈强比浅析

  

高级别管线的屈强比浅析

  2017年第2期 42高级别管线的屈强比浅析Analysis Yield Ratio of X70Thin Gauge High Grade Pipeline Steel供稿徐勇,崔洪涛 / XU Yong, CUI Hong-taoDOI: 10.3969/j.issn.10006826.2017.02.12文章介绍了本钢生产的厚度9.5 mm的管线屈强比偏高的影响因素,并对化学成分、轧制工艺、金相组织、强化机理、钢板厚度及检验方式等影响屈强比的因素进行了研究。通过对本钢生产的不同厚度的管线力学性能进行分析,找出了其中影响屈强比的重要因素,对今后指导高级别管线钢的生产具有重要意义。提高管线钢中C、Mn、Cr等元素的含量,可增加固溶强化的作用,降低屈强比;提高卷取温度,同时降低进钢温度与降低冷却速率,使组织中以针状铁素体为主,还有少量的先共析铁素体,可降低管线钢屈强比;降低拉伸实验中的应力速率也可使屈强比降低。内容导读作者单位:本钢集团公司产品研究院,辽宁 本溪 117000随着石油和天然气等能源的发展,采用高压力和大管径管道来输送石油和天然气是经济与安全的运输方式,这必然对管线钢的性能提出更严格的要求。如果管线 和抗拉强度R m 分别提高不同的程度,且R t0.5 增长的较快而抗拉强度R m增加较慢,那么屈强比R t0.5 /R m 就会升高。高屈强比的材料应变硬化能力降低,从而使管道抗弯曲变形能力减弱。屈强比R t0.5 /R m 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,材料的塑性变形能力下降,进而使材料缓和应力集中、松弛裂纹尖端应力和限制裂纹扩展的能力降低。本文对本钢生产的不同厚度规格的X70管线钢的屈强比进行了统计分析,最终找出影响管线钢屈强比的重要因素是化学成分、轧制工艺、金相组织以及产品厚度规格,对控制高级别管线钢的屈强比具有指导意义。影响管线钢屈强比的因素化学成分高级别管线钢大都采用低C,再添加Mn、Cr、Nb、V、Ti等微合金元素,然后采用TMCP工艺。主要通过固溶强化、细晶强化和析出强化来提高材料的强度和韧性。由于碳含量低,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也不大,从而使材料的屈强比随着屈服强度的提高而增大 [1] 。本钢生产的厚度9.5 mm的高级别管线采用的化学成分设计见表1。C、Mn、Cr元素主要起固溶强化作用,Cr元素除了提高强度的同时还具有提高淬透性的作用,适当提高以上元素含量可提高抗拉强度从而降低屈强比,Nb、V和Ti元素会析出碳氮化物,起细晶强化和析出强化的作用,会使屈强比 43性能研究企业论坛Enterprise Forum增高。对Mn和Cr元素进行调整(见表2),由成分调整前后实验结果可以看出,随着Mn和Cr元素含量的提高,材料屈强比从0.92下降为0.88。单独调整C含量 表1 X70钢化学成分(质量分数) %元素 C Si Mn P S Cu Ni标准 0.03~0.12 0.45 1.70 0.025 0.015 0.45 0.40实物 0.06 0.20 1.65 0.015 0.002 元素 Cr Mo Nb V Ti Nb+V+Ti标准 0.25 0.20 0.15实物 0.21 0.065 0.060 0.010 表2 X70钢化学成分调整(质量分数) % 成分 Mn Cr内控 1.60~1.70 0.18~0.25调整前实际范围 1.62~1.65 0.20~0.22均值 1.64 0.21调整后实际范围 1.64~1.68 0.21~0.24均值 1.66 0.23(质量分数,%):0.06,0.07,0.08,材料的屈强比分别为0.92、0.90、0.88,由此可见,随着C含量的提高,材料屈强比明显降低。 轧制工艺对不同卷取温度400、450、500 ℃分别进行实验,见图1,同时调整冷却模式,减缓冷却速度使管线钢微观组织以针状铁素体为 主,还有少量的先共析铁素体,而不是板条贝氏体,从而降低屈强比。力学性能检验见表3。对进精轧温度(进钢温度)按923℃、940℃、960 ℃实验,降低进精轧温度(进钢温度),在A+F两相区轧制,变形会促使碳化物(Nb、V、Ti)C析出,使尚未相变的奥氏体晶粒继续变形、拉长,晶粒内形成新的滑移带,在这些部位形成新的铁素体晶核,降低屈服强度;其内部有大量亚结图2 X70屈强比随进钢温度的变化 图1 X70屈强比随卷取温度的变化关系表3 X70管线钢力学性能项目 R t0.5 /MPa R m /MPa 屈强比标准 506~600 570~760 0.90试样 527~584 603~637 0.90~0.91构和位错,有利于提高抗拉强度,从而降低屈强比(图2)。金相组织利用TMCP工艺得到最终的组织对管线钢的屈强比影响显著。相关研究表明,在较低的终冷温度下得到的板条贝氏体管线钢比较高温度下获得的针状 2017年第2期 4419862017性能研究图3 X70试样厚度方向显微组织形貌:(a) 边部组织;(b) 心部组织图4 X70屈强比随拉伸应力速率变化关系铁素体管线钢具有更低的屈强比,因为板条贝氏体中细小弥散析出相对降低屈强比是有利的。本钢生产的高级别管线金相组织是针状铁素体加少量的贝氏体(图3)。检验方式拉伸实验采用国标GB/T228的规定,当材料弹性模量E150000 MPa时,应力速率为6~20 MPa/s。该X70执行美标ASTM A370,其中对拉伸实验应力速率无要求。在符合GB/T228要求的前提下,对应力速率分别进行10、6和3 MPa/s实验,实验表明较慢的应力速率对降低屈强比是有利的,见图4。厚度规格本钢生产的厚度9.5 mm和14.3 mm的管线,但是在实际生产过程中,有一部分厚度9.5 mm的屈强比高于标准,而厚度14.3 mm的屈强比全部0.90。原因是炼钢过程的铸坯厚度是相同的,而最终成品的厚度规格不同,导致在轧制过程中的道次和压下量不同,从而使晶粒细化程度也不同,最终影响屈强比。相关研究表明 [2] ,轧制道次的增大或压下量的增大会起到细化晶粒的作用,而晶粒细化对屈服强度的增加程度大于抗拉强度的增加,屈强比成升高趋势,因而,与厚规格的管线钢相比,薄规格的管线钢具有更高的屈强比。重要因素影响机理分析C、Mn、Cr元素主要起固溶强化作用,固溶强化使R t0.5 升高幅度小于R m 升高幅度;Nb、V、Ti、Mo和Ni元素会析出碳氮化物,起细晶强化、析出强化和位错强化的作用,会使R t0.5 和R m 同时升高,并且R t0.5 升高的幅度要大于R m 从而使屈强比增高。固溶于铁素体中的C、N原子与位错交互作用形成柯氏气团,对位错具有钉扎作用,必须在较大的外加应力下才能使位错挣脱气团的钉扎而移动,因此出现了上屈服点,位错源的移动需要克服柯氏气团的钉扎,而一旦位错源开动后,就可以在较低的应力下运动,试样继续延伸而应力保持定值或作微小波动,形成屈服齿或屈服平台。在挣脱柯氏气团的过程中,屈服强度上升很快,从而使屈服强度明显偏高。Cr元素除了提高强度的同时还具有提高淬透性的作用,适当提高以上元素含量可提高抗拉强度从而降低屈强比。随着管线钢强度级别的升高,钢中不可避免的要添加更多种类和数量的元素,因此,高级别管线钢具有高的屈强比是不可回避的。降低进精轧温度,在A+F两相区轧制,变形会 45性能研究企业论坛Enterprise Forum促使碳化物(Nb、V、Ti)C析出,使尚未相变的奥氏体晶粒继续变形、拉长,晶粒内形成新的滑移带,在这些部位形成新的铁素体晶核,降低屈服强度;其内部有大量亚结构和位错,有利于提高抗拉强度,从而使屈强比升高;降低冷却速度使组织中以针状铁素体为主,还有少量的先共析铁素体,而不是板条状贝氏体,从而降低屈强比。结束语(1) 提高管线钢中C、Mn、Cr等元素的含量可增加固溶强化的作用,降低屈强比。 (2) 提高卷取温度,同时降低进钢温度和冷却速度可降低管线) 针状铁素体组织型(针状铁素体+贝氏体+ MA)管线钢具有更低的屈强比。(4) 降低拉伸实验中的应力速率可使屈强比降低。(5) 随着钢板厚度的降低,屈强比会有逐渐升高的趋势。参考文献[1] 张小立,冯耀荣,赵文珍,等.X80级管线钢的组织与力学性能.特殊钢,2006,27(3):11[2] 高惠临. 管线钢屈强比分析与评述.焊管,2010,33(6):10作者简介:徐勇(1979),男,辽宁省沈阳市人,本钢板材股份有限公司产品研究院热轧高强钢研究所研究员、工程师。2008年毕业于东北大学材料加工工程专业,主要研究方向:耐候钢以及石油和天然气管线用钢的开发与研究。E-mail:。( 上接第 25 页 )表2 实验耐大气腐蚀钢种和对比钢种Q345B的周期浸润腐蚀实验结果钢种 平均腐蚀失重速率/(gm -2 h -1 ) 相对腐蚀速率/%Q345B 5.05 1001 2.45 48.562 1.79 35.453 1.31 26.034 1.15 22.695 0.93 18.416 0.62 12.23结束语按照铁道行业标准TB/T23751993测试了6个实验耐大气腐蚀钢种相对于Q345B的腐蚀速率。结果表明,在C、Si、Mn、P、S、Ni、Cu等元素含量相近的前提下,单独增加Cr含量可有效提高钢的耐大气腐蚀性能,当Cr含量从0增加到约3%时,耐大气腐蚀性能提高效果明显,当Cr含量从3%进一步增加到约9%时,耐大气腐蚀性能改善效果不再显著。参考文献[1] 柯伟. 中国工业与自然环境腐蚀调查.全面腐蚀控制,2003,17(1):1[2] 王祖滨,东涛. 低合金高强度钢.北京:原子能出版社,1996[3] 屈庆,严川伟,曹楚南. 金属大气腐蚀实验技术进展.腐蚀科学与防护技术,2003,15(4):216[4] 杨松柏. 铁道车辆用耐候钢耐腐蚀性能评价方法.铁道车辆,2001,39(5):10

  2017年第2期 42高级别管线的屈强比浅析Analysis Yield Ratio of X70Thin Gauge High Grade Pipeline Steel供稿徐勇,崔洪涛 / XU Yong, CUI Hong-taoDOI: 10.3969/j.issn.1000–6826.2017.02.12文章介绍了本钢生产的厚度9.5 mm的管线屈强比偏高的影响因素,并对化学成分、轧制工艺、金相组织、强化机理、钢板厚度及检验方式等影响屈强比的因素进行了研究。通过对本钢生产的不同厚度的管线力学性能进行分析,找出了其中影响屈强比的重要因素,对今后指导高级别管线钢的生产具有重要意义。提高管线钢中C、Mn、Cr等元素的含量,可增加固溶强化的作...

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