抗壓曲性良好的管線鋼管實(shí)用化

　　1前言

　　在地震帶、凍土帶的地基發(fā)生變動(dòng)時(shí)，在該地帶鋪設(shè)的管線有可能發(fā)生壓曲和斷裂。因此，提高管線鋼管的抗壓曲性對(duì)于保證管線安全非常重要。傳統(tǒng)的管線設(shè)計(jì)采用增加鋼管壁厚的方法防止鋼管壓曲。這種方法不能達(dá)到采用高強(qiáng)鋼管使鋼管薄壁化，降低管線成本的目的。JFE鋼鐵公司利用最新的厚板形變熱處理技術(shù)，對(duì)鋼進(jìn)行多相組織控制，開發(fā)出抗壓曲性優(yōu)于傳統(tǒng)鋼管的新產(chǎn)品，并已經(jīng)作為地震帶、凍土帶管線鋼管實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　2開發(fā)思路

　　鋼管是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，鋼管的壓曲現(xiàn)象由鋼管的力學(xué)性能，特別是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系決定。鋼管的力學(xué)性能由鋼管微觀組織決定。通過優(yōu)化鋼管的化學(xué)成分、軋制和熱處理?xiàng)l件可以對(duì)鋼管的組織進(jìn)行控制。為進(jìn)行鋼管新產(chǎn)品的開發(fā)，查明以下的各種關(guān)系十分重要：1)鋼管抗壓曲性與鋼管抗拉強(qiáng)度的關(guān)系、2)鋼管抗拉強(qiáng)度與鋼管微觀組織的關(guān)系、3)鋼管微觀組織與鋼管制造條件的關(guān)系。其中，根據(jù)微觀組織對(duì)力學(xué)性能的研究，過去主要是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本研究開發(fā)出利用TEM解析對(duì)鋼管組織結(jié)構(gòu)和變形行為進(jìn)行預(yù)測(cè)的技術(shù)，使鋼管組織達(dá)到最佳化。

　　3開發(fā)內(nèi)容

　　3.1查明鋼管抗壓曲性與鋼管抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

　　首先用應(yīng)力-應(yīng)變曲線和管徑壁厚比(D/t)不同的鋼管，進(jìn)行軸向壓縮壓曲試驗(yàn)。圖1是極限壓曲應(yīng)變與n值的關(guān)系以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線模式圖。一般來說，管徑(D)小、壁厚(t)大的鋼管不易發(fā)生壓曲，即D/t小的鋼管極限壓曲應(yīng)變高，D/t相同時(shí)，n值越大，極限壓曲應(yīng)變?cè)礁摺４送?，具有屈服平臺(tái)型應(yīng)力-應(yīng)變曲線鋼管的極限壓曲應(yīng)變低。因此，為防止壓曲，應(yīng)使管線鋼具有連續(xù)型應(yīng)力-應(yīng)變曲線并具有高n值。

　　3.2多相組織鋼的拉伸特性控制

　　本文對(duì)鋼的微觀組織與鋼的拉伸特性的關(guān)系進(jìn)行了研究。該研究以控制軋制加速冷卻工藝制造的具有高n值的鐵素體-貝氏體兩相組織鋼為對(duì)象，將鋼的組織進(jìn)行模型化，對(duì)其變形行為進(jìn)行解析。根據(jù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和對(duì)稱性，將軟質(zhì)相中彌散分布有硬質(zhì)相的三維結(jié)構(gòu)模型化計(jì)算單元，進(jìn)行二維軸對(duì)稱解析。根據(jù)該模型對(duì)不同組織體積分?jǐn)?shù)的鐵素體-貝氏體鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化特性進(jìn)行FEM解析的結(jié)果如圖2。FEM解析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果非常一致。因此，可以認(rèn)為，用本解析模型可以對(duì)多相鋼的加工硬化特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，從圖2可知，單相鐵素體、單相貝氏體的n值都較低，當(dāng)鋼中的貝氏體體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，獲得最大n值。

　　調(diào)整鋼材制造工藝，還可以獲得貝氏體之外的其他各種硬質(zhì)第二相。因此，對(duì)珠光體、馬氏體等硬質(zhì)第二相的情況也進(jìn)行了FEM解析。結(jié)果表明，各種硬質(zhì)相的分?jǐn)?shù)增加都使n值增大。并且軟質(zhì)相和硬質(zhì)相的強(qiáng)度差越大，對(duì)n值的影響越大。因此，將馬氏體作為硬質(zhì)第二相，即使馬氏體體積分?jǐn)?shù)較少，也可獲得高的n值。

　　3.3創(chuàng)新型在線熱處理多相組織控制技術(shù)

　　創(chuàng)新型厚鋼板在線熱處理多相組織控制技術(shù)的主要特點(diǎn)是，控制軋制后，在Ar 3溫度以下進(jìn)行加速冷卻(ACC)可制造出鐵素體-貝氏體組織鋼。鐵素體-貝氏體型高變形鋼管在日本國(guó)內(nèi)有許多作為煤氣管線的使用實(shí)績(jī)。但在海外，為了防腐蝕要對(duì)鋼管外部在200-250℃下進(jìn)行防蝕涂裝。因此存在著應(yīng)變時(shí)效導(dǎo)致變形性能下降的問題。為解決這個(gè)問題，利用加速冷卻后在線熱處理裝置(HOP?)，使鋼的組織多相化，降低應(yīng)變時(shí)效。

　　圖3是利用加速冷卻和HOP?進(jìn)行組織控制的模式圖。控制軋制后進(jìn)行加速冷卻時(shí)，在貝氏體轉(zhuǎn)變途中停止加速冷卻，直接進(jìn)行在線熱處理。這時(shí)，C向未轉(zhuǎn)變奧氏體濃聚，在在線熱處理加熱后的空冷過程中生成島狀馬氏體(MA)。因此獲得了MA彌散分布在貝氏體中的多相組織。此外，在在線熱處理加熱過程中發(fā)生Nb、Mo等碳化物的析出，使固溶C量顯著下降，抑制了時(shí)效的發(fā)生。這種軟質(zhì)貝氏體相中彌散分布MA的多相組織是過去生產(chǎn)工藝不能獲得的組織。

　　3.4貝氏體-MA組織鋼的力學(xué)性能和鋼管的實(shí)用化

　　貝氏體-MA組織鋼涂層加熱引起屈服強(qiáng)度有很小的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀也沒有大變化，涂層加熱后仍具有高n值。鐵素體-貝氏體組織鋼涂層加熱引起屈服強(qiáng)度大幅度升高、n值下降。過去已知，MA是焊接熱影響區(qū)等部位的脆性斷裂起點(diǎn)，使鋼的韌性惡化。但在線熱處理得到的MA是微細(xì)的粒狀物，沒有對(duì)母材韌性產(chǎn)生不良影響。此外，由于MA被許多取向不同的貝氏體晶粒包圍，所以貝氏體/MA界面的裂紋傳播受到抑制。

　　對(duì)貝氏體-MA組織鋼的鋼管進(jìn)行壓屈試驗(yàn)，證明其具有優(yōu)良的抗壓曲性。API X80級(jí)貝氏體-MA組織鋼管已經(jīng)用于中國(guó)和加拿大的地震凍土帶天然氣輸送管線。