高Nb X80管线钢的应变时效研究

X80管线钢焊接接头应力应变场数值分析与研究田万鹏I ，2(1.湖南都市职业学院!湖南长沙410000；2.湖南汽车工程职业学院!湖南株洲412000)摘 要:管线钢焊接接头质量好坏直接影响管线钢的服役年限#本文采用SYSWELD 软件对X80管线钢焊接接头的应力应变场进行数 值研究，经课题组分析后采用更加符合实际情况的三维双椭球热源模型，结果表明，利用有限元软件SYSWELD 可以很好地掌握焊接过程应力应变的变化规律。

本研究能为优化焊接 、保证管线行 撑。

关键词：X80管线钢；SYSWELD 软件；应力应变场；双椭球热源模型中图分类号:TE82 文献标志码:A文章编号：1672-3872(2020) 13-0025-02某种程度上来讲，焊接技术的水平对一个国家工业的发展具有重要作用.T 。

随着国内管线钢朝着高钢级、大管径、高压力方向发展,X80管线钢早已成为管线工程的主流钢种,虽然国内 在西气东输、中俄东线工程中对管线的建设积累了丰富经验,但也存在不少问题32。

由于焊接过程是个复杂的传热过程，对焊接 接头而言,容易出现组织、力学 不 ，而成焊,接 着管线的 "。

现 段,大多数研究都是 对焊 热影响区， ，掌握接头的应力 的 具有重要。

1有限元分析建模题组 用SolidWorks 建模型，用SYSWELD的 工具, 具过 的 1。

图1 SYSWELD 数值模拟步骤1.1有限元模型的建立焊接 为X80管线钢材料，尺寸为150mm x 80mm x 20mm ,对焊接,V 。

过SolidWorks 建 ，iges 的工程 出。

具焊接工 数 1。

表1焊接工艺参数1.2网格划分数热 /#流/A 压/V焊接速度/(m/s)180420-45032-350.018-0.02280420-45035-380.018-0.02380780-80032-350.018-0.02iges 的 SYSWELD 中 。

X80管线钢的研究现状摘要：采用高强度管线钢，长距离高压大输量输送富气，可以节约钢材，大幅度减少管线工程的投入，增加管线的运行效益，提前回收投资。

为了确保输送管线建设的经济性、运行的安全性和可靠性，X8高性能管线钢在管线建设上的应用将越来越普遍。

本文介绍近年来出现的X80管线钢的研究与应用，包括该钢种的化学成分、组织特点、生产工艺、焊接中出现的问题等内容。

关键字：X80管线钢控轧控冷工艺焊接应用目前我国经济发展迅速，对石油天然气的需求日益旺盛。

大直径管道作为石油天然气安全经济有效的输送途径之一，随着西气东送等大建设项目相继投入，国家已将其放在了优先发展的位置。

为了降低管线建设和运营成本，提高管线安全性和可靠性，高压大口径管线用钢不仅要具有更高强度还要具有更高韧性[1,2]，所以建设高压长距离输送管线是解决长时期、大规模运输天然气的主要措施，并且我国今后将在国外寻找油资源通过海运或管道输送至国内。

目前我国石油天然气管道中应用最广的是X65和X7O针状铁素体管线钢[l,3],因此，国内钢铁企业为了占据市场有利位置，纷纷投入巨资进行高等级管线钢的开发与生产。

1、X80管线钢的化学成分特点X80管线钢典型的碳含量为0．04％～0．08％，有些含碳量达到 0．02％的超低碳水平。

由于近海和极地管线开发的需求，管线钢具有低的碳当量以便在恶劣的环境下无预热焊接，不进行焊后热处理和保证接头的低硬度、避免硫化物应力腐蚀开裂。

C的减少使屈服强度下降，通过其它强化机制的应用予以补偿。

最常用的是以Mn代C。

Mn的加入引起固溶强化，Mn提高强度的同时还提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。

由于Mn含量的增加会加速控轧钢板的中心偏析，因此根据板厚和强度的不同要求，钢中Mn的添加范围一般为1．1～2．0％[4]。

管线钢中的微合金元素主要指Nb、V、T i 等强氮化物形成元素。

其作用之一是在控轧过程中阻止奥氏体晶粒长大。

另一作用是在轧制钢板时延迟γ的再结晶。

收稿日期:2007202226基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2003AA33G 010);国家自然科学基金资助项目(50271015)・作者简介:衣海龙(1979-),男,辽宁阜新人,东北大学讲师,博士;杜林秀(1962-),男,辽宁本溪人,东北大学教授;王国栋(1942-),男,辽宁大连人,东北大学教授,博士生导师,中国工程院院士;刘相华(1953-),男,黑龙江双鸭山人,东北大学教授,博士生导师・第29卷第2期2008年2月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol 129,No.2Feb.2008X80管线钢的组织与性能研究衣海龙,杜林秀,王国栋,刘相华(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳　110004)摘 要:利用光学显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜等对X80级别管线钢的组织与性能进行了研究・实验结果表明,通过控轧控冷工艺轧制的16mm 厚的X80管线钢的屈服强度达到670MPa 以上时,其屈强比低于0185,韧脆转变温度低于-60℃,达到了很好的强韧性匹配・细化的针状铁素体有效地改善了实验钢的强度及韧性・X80管线钢中存在两种典型的析出物,一种以Nb ,Ti (CN )为主,尺寸较大(50～200nm );另一种以NbC 为主,尺寸细小(小于30nm )・这些纳米级析出物对钢的组织细化和强化起到了重要作用・关　键　词:X80管线钢;控轧控冷;针状铁素体;韧脆转变温度;析出物中图分类号:TG 115.21+3 文献标识码:A 文章编号:100523026(2008)022*******Microstructure and Mechanical Properties of Pipeline Steel X 80Y I Hai 2long ,DU L i n 2xi u ,W A N G Guo 2dong ,L IU Xiang 2hua(The State K ey Laboratory of Rolling Technology &Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China.Correspondent :YI Hai 2long ,E 2mail :longhaiyi -2004@ )Abstract :The microstructure and mechanical properties of pipeline steel X80were investigated by means of optical electron microscope ,scanning electron microscope ,transmission electron microscope ,etc.The experimental results showed that the yield strength of pipeline steel X80with 16mm wall thickness can be up to over 670MPa through controlled rolling/cooling ,and the ratio of tensile strength to yield strength and ductile 2brittle transition temperature are lower than 0.85and -60℃,respectively ,thus providing a nice match between strength and toughness.Fine acicular ferrite has good effect on both the strength and toughness of the steel.Two kinds of precipitates were observed in the steel ,where the coarse ones are mainly the Nb and Ti (CN )ranging from 50nm to 200nm ,and the fine ones are mainly NbC less than 30nm.Both the nano 2precipitates play an important role in strengthening and grain refinement of the steel.K ey w ords :pipeline steel X80;controlled rolling/cooling ;acicular ferrite ;ductile 2brittle transition temperature ;precipitate能源结构的调整和能源需求的增加促进了大口径、高压、长距离输送天然气管线的发展・为了降低管线建设和运营成本,提高管线安全性和可靠性,高压大口径管线用钢不仅要具有更高强度,还要具有更高韧性[1-2]・目前,发达国家已广泛使用X70级别管线钢,X80级别管线钢也已开始试应用,并正在研制开发X100/120级别的管线钢;国内也开始生产X70级别管线钢,并加快了对X80管线钢的研究[3-6]・从管线建设的发展趋势来看,X80管线钢在工程上的应用将逐渐增加[7-8]・因此,X80级别的高强度管线钢具有重要的研究价值与应用前景・本文主要结合国内某厂的设备情况,通过实验室的热轧实验,开发出厚度规格为16mm 的X80级别管线钢,对其组织及力学性能进行了研究,并分析了析出物的形貌及成分,为制定现场的轧制生产工艺提供了重要依据・1　实验材料和方法实验钢采用真空感应炉冶炼,并浇铸成100kg 钢锭,其化学成分如表1所示・热轧试样的断面尺寸为100mm ×100mm ・首先,将热轧试样加热到1200℃保温1h 后,利用<450mm 实验轧机,经两阶段控温轧制・第一阶段的轧制温度为1050～1000℃,第二阶段轧制温度为900～800℃;轧制后经加速冷却后得到16mm厚的钢板・表1　X80管线钢的化学成分(质量分数)Table1　Chemical compo sition of pipeline steel X80(mass fraction)%C Si Mn P S Nb+V+Ti Mo Ni Cu0.080.31 1.820.0060.00250.110.280.20.1对钢板取样后在100t电液伺服万能实验机上进行拉伸性能实验・采用矩形试样,标距长度为80mm,标距内宽度为20mm・从实验钢板上沿垂直于轧制的方向上切取冲击试样,经机床加工成10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口冲击试样,在20,-20,-30,-40,-60℃温度下,按照G B4159—84和G B/T229—1994的标准规定,在JB2300B机械式半自动冲击实验机上进行冲击试验・应用L EICA-DM IRM多功能光学显微镜和J SM-5500LV扫描电镜观察显微组织,利用H-800透射电镜观察试样组织及析出物・2　实验结果2.1　实验钢的性能表2,表3分别为轧制得到的X80管线钢的力学性能及系列冲击性能・由表2可知,经实验室两阶段控温轧制得到的X80管线钢具有良好的力学性能,R t0.5为678～688MPa,R m为802～903MPa・当实验钢的R t0.5达到600MPa以上时,其具有较高的抗拉强度、良好的断后伸长率及良好的综合力学性能・管线钢的屈强比(屈服强度与抗拉强度之比)是钢管抵抗破裂的重要参数,它体现了材料从屈服到最后断裂过程中的变形能力・根据世界上各石油公司天然气钢管的技术条件,对屈强比的限定值多数在0185以下,实验用16mm厚的X80管线钢达到此规范要求・由表3可知,在-60～20℃温度范围内,虽然X80表2　X80管线钢的力学性能Table2　Mechanical propertie s of pipeline steel X80R t0.5/MPa R m/MPa A80/%屈强比688884250.78679903240.75678802250.84表3　X80管线钢冲击实验结果Table3　Impact te st data of pipeline steel X80实验温度/℃A kV/J(横向)单值平均值20366366372368 -20351376393373 -30384374405388 -40379366347364 -60343309318323管线钢板冲击吸收功随温度的变化有所波动,但是变化幅度相对较小,都在300J以上;由此可知,其韧脆转变温度低于-60℃,实验钢具有良好的低温韧性指标・2.2　显微组织分析图1为X80管线钢的金相组织照片・由图1可知,X80管线钢的金相组织由多边形铁素体和贝氏体组成,由SEM观察可知,铁素体形状都被显著地拉长成为细条状,形状不规则,呈针状铁素体形貌;同时,未发现典型的贝氏体的板条结构,如图2所示・图1　X80管线钢的组织Fig.1　Micro structure of pipeline steel X80图2　X80管线钢的SE M组织形貌Fig.2　SE M image of morphology of pipeline steel X80应用透射电镜进一步观察实验钢的组织,其结果如图3所示・由图中可以看出,其组织呈现明显的针状铁素体形貌,组织中针片结构较为发达・这是由于实验钢中含有的合金元素钼能够使铁素体析出线明显右移,从而抑制先共析铁素体的形成,但对贝氏体转变的推迟较小,所以,过冷奥氏体直接向贝氏体转变・同时,由于钼的存在,碳在412东北大学学报(自然科学版) 第29卷奥氏体中的扩散激活能增加,从而使碳的扩散系数降低;因此,钼在强烈抑制先共析铁素体的析出和长大的同时,促进了高密度位错亚结构的针状铁素体的形成[9]・图3　X80管线钢的TE M 组织形貌Fig.3　TE M image s of morphology of pipeline steel X80(a )—多边形铁素体+针状铁素体;(b )—针状铁素体・由表2和表3可知,组织的细化在提高实验钢强度的同时,也有效地改善了实验钢的韧性・由透射电镜观察可知,实验钢中M/A 岛的数量较少,且尺寸较小・虽然M/A 岛为脆性组成物,对管线钢的韧性可能有不利影响,但均匀细小的M/A 岛有利于改善钢板的韧性・在实验钢中形成的M/A 岛主要是由于钢的成分和工艺的影响・首先,从化学成分上来说,实验钢的含碳量直接影响到岛状物的相对数量,由于本文所用的实验钢碳含量相对较低,因此,一定程度上减少了岛状组织的形成・其次,在热轧过程中,采用较大的冷却速度可以减小岛状物的相对数量及尺寸,有利于改善实验钢的韧性・2.3　析出物的分析由表2,图2和图3可知,实验钢经控制轧制和控制冷却后得到了细小的针状铁素体组织,获得了钢板的细晶强化效果,提高了钢板的强度・对于针状铁素体型的微合金钢来说,除了固溶强化和细晶强化,还有不可忽视的析出强化・为了进一步分析析出物的成分及形貌,对实验钢进行了透射观察及成分测定・图4为利用透射电镜观察到的典型的析出物的形貌及对应的成分分析・由图图4　X80管线钢的TE M 析出物及对应成分Fig.4　TE M image s of precipitate s and their compo sitions in pipeline steel X80(a )—尺寸较大的析出物;(b )—尺寸较小的析出物;(c )—对应的成分分析・512第2期 衣海龙等:X80管线钢的组织与性能研究4可知,X80管线钢中的析出物主要为微合金元素的碳氮化物・在组织中能观察到不同尺寸的碳氮化物,它们主要是在不同阶段不同温度下析出的,在钢中主要有以下两方面作用・1)相对较大的碳氮化物尺寸一般在50～200nm 范围内,它们一般是在冷却过程的较高温度下析出的,其主要作用是钉扎晶界,阻止奥氏体晶粒长大・图4的成分分析表明,这种尺寸较大的碳氮化物主要为Nb ,Ti (CN )・在多种碳氮化物中,TiN 的作用最显著,这是由于TiN 在奥氏体中的溶解度最低,热力学稳定性较高,最不容易粗化[10]・2)相对较小的碳氮化物尺寸一般在30nm 以下,这种碳氮化物主要是在奥氏体向铁素体转变过程中或冷却到单相的铁素体相区时形成的・过饱和的固溶微合金元素在脱溶过程中析出了这种碳氮化物,尽管它们的体积分数很小,却能起到有效的强化作用・图4中析出物的形貌和成分分析表明,这种尺寸细小的碳氮化物主要为NbC ,尺寸大多在10nm 以下,由于实验钢中含有微合金元素钒,因此在成分测定中也检测到钒的碳氮化物・图5为X80管线钢中析出物的分布示意图・由图可知,尺寸细小的析出物的数量较多,它们对提高实验钢的强度起到了重要作用・在现场的生产过程中,综合利用微合金元素的作用,合理控制其析出相的析出过程是管线钢开发的关键・前面对析出物的分析表明,在析出总量相同的条件下,析出物的尺寸越细小,分布越分散,对强度的贡献越大,同时对韧性的损害越小・图5　X80管线钢析出物分布示意图Fig.5　Block diagram of distribution of precipitate sin pipeline steel X803　结 论1)采用控轧控冷工艺轧制16mm 厚的X80管线钢,其中细化的针状铁素体及细小弥散的析出物有效改善了实验钢的强度及韧性・X80管线钢的屈服强度达到670MPa 以上,其屈强比低于0185,韧脆转变温度低于-60℃,达到了很好的强韧性匹配・2)X80管线钢中大致存在两种典型的析出物・一种以Nb ,Ti (CN )为主,尺寸较大(50～200nm );另一种为以NbC 为主,尺寸细小(小于30nm )・尺寸细小弥散的析出物有效提高了实验钢的强度,并在一定程度上改善了韧性・参考文献:[1]郑磊,傅俊岩・高等级管线钢的发展现状[J ]・钢铁,2006,41(10):1-10・(Zheng Lei ,Fu J un 2yan.Recent development of highperformance pipeline steel [J ].Iron and Steel ,2006,41(10):1-10.)[2]庄传晶,冯耀荣,霍春勇,等・国内X80级管线钢的发展及今后的研究方向[J ]・焊管,2005,28(2):10-14・(Zhuang Chuan 2jing ,Feng Y ao 2rong ,Huo Chun 2yong ,etal .The development and its future research direction of gradeX80pipeline steel in China [J ].Wel ded Pipe and Tube ,2005,28(2):10-14.)[3]Reip C P ,Shanmugam S ,Misra R D K.High strength microalloyed CMn (V 2Nb 2Ti )and CMn (V 2Nb )pipeline steelsprocessedthroughCSPthin 2slabtechnology :microstructure ,precipitation and mechanical properties [J ].M aterials Science and Engi neeri ng :A ,2006,424(1/2):307-317.[4]Wang C M ,Wu X F ,Liu J ,et al .Transmission electron microscopy of martensite/austenite islands in pipeline steel X70[J ].M aterials Science and Engi neeri ng :A ,2006,438/439/440:267-271.[5]Zhong Y ,Xiao F R ,Zhang J W ,et al .In situ TEM study of the effect of M/A films at grain boundaries on crack propogation in an ultra fine acicular ferrite pipeline steel[J ].Acta M aterialia ,2006,54:435-443.[6]Zhao M C ,Y ang K ,Xiao F R ,et al .Continuous cooling transformation of undeformed and deformed low carbon pipeline steels[J ].M aterials Science and Engi neeri ng :A ,2003,355(1/2):126-136.[7]Xiao F R ,Liao B ,Shan Y Y ,et al .Challenge of mechanical properties of an acicular ferrite pipeline steel [J ].M aterialsScience and Engi neeri ng :A ,2006,431(1/2):41-52.[8]Zhang L ,Shan G.Research and trial production of X80pipeline steel with high toughness using acicular ferrite [J ].Engi neeri ng Science ,2005,3(3):91-94.[9]孔君华,郑琳,郭斌,等・钼在高钢级管线钢中的作用研究[J ]・钢铁,2005,40(1):66-68・(K ong J un 2hua ,Zheng Lin ,Guo Bin ,et al .Effect of Mo in high strength pipeline steel [J ].Iron and Steel ,2005,40(1):66-68.)[10]杨才福,张永权,王宇杰・钛含量对热轧带钢力学性能的影响[J ]・钢铁,1995,30(8):48-51・(Y ang Cai 2fu ,Zhang Y ong 2quan ,Wang Yu 2jie.Effect of Ti content on mechanical properites of hot 2rolled strip steel[J ].Iron and Steel ,1995,30(8):48-51.)612东北大学学报(自然科学版) 第29卷。

一种高铌X80管线钢的组织性能分析Microst ruct ure and Mechanical Properties of a HighNb2microalloyed X80Pipeline Steel张莉莉1,张骁勇1,高惠临1,王　锋2(1西安石油大学材料科学与工程学院,西安710065;2武汉钢铁股份有限公司大型轧钢厂,武汉430080)ZHAN G Li2li1,ZHAN G Xiao2yong1,GAO Hui2lin1,WAN G Feng2 (1School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China;2The Heavy Sectio n Mill of Wuhan Iron and Steel Company Limited,Wuhan430080,China)摘要:采用力学性能测试手段和电子显微分析技术对一种高铌(Nb)合金设计的X80管线钢的组织与性能进行了研究。

结果表明:这种高Nb管线钢具有高的强韧性和低的韧脆转变温度,已成功应用于国内“西气东输二线”工程。

对Nb元素在管线钢的细晶强化、组织强化和沉淀强化作用进行了分析。

关键词:X80管线钢;针状铁素体;Nb元素中图分类号:T G14211 文献标识码:A 文章编号:100124381(2009)0520001205Abstract:Mechanical property testing and microscope analysis were applied to evaluate t he micro st ruc2 t ure and mechanical p roperties of a high niobium2microalloyed X80pipeline steel.The result s show t hat t he high niobium2microalloyed pipeline steel po ssesses higher st rengt h2toughness and lower duc2 tile2brittle t ransition temperat ure,and was already successf ully applied to t he Second West2east Gas Pipeline Project in China.The effect s of niobium2microalloyed element on grain refinement,micro2 st ruct ure strengt hening and precipitation hardening of pipeline steel were analyzed.K ey w ords:X80pipeline steel;acicular ferrite;niobium2microalloyed 国内X70管线钢的生产趋于成熟,已成功应用于“西气东输一线”等管线工程。