螺旋埋弧焊管母材韌脆轉變溫度的影響因素

螺旋埋弧焊管母材韌脆轉變溫度的影響因素

0試驗結果對比。在鋼管全尺寸爆破試驗由于材料的耐脆變溫度（fatt）通常通過標準v形溝截面熱敏電阻試驗進行測量，但由于v形溝截面熱敏電阻樣品的大小、延伸度和負荷，與材料的實際承受量不同，因此測量結果往往不同于材料的實際破壞狀態(tài)。而管線鋼落錘撕裂試驗(DWTT)結果與鋼管全尺寸爆破試驗結果相當吻合,更接近于管線鋼管的實際斷裂狀態(tài),因此成為評定高強度、高韌性管線鋼脆性斷裂和延性斷裂性能的重要方法。韌脆轉變溫度決定了管線鋼的低溫性能,是衡量管線鋼脆性轉變的重要指標,直接影響了管線鋼的使用范圍。筆者研究了螺旋埋弧焊管母材不同取樣方向對DWTT試驗韌脆轉變溫度的影響,并分析了原因,研究結果對管線鋼管的設計有一定的指導意義。1材料及組織分析某制管廠采用X70級1550mm×17.5mm規(guī)格卷板生產1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管時,執(zhí)行Q/SYGJX0127—2007《西氣東輸二線管道工程用X70螺旋埋弧焊管技術條件》。根據技術條件要求,在母材距焊縫90°位置取管體橫向和管體縱向試樣,分別進行DWTT系列溫度試驗,得到不同的韌脆轉變溫度,如圖1所示。從圖1中可以看出,橫向試樣的韌脆轉變溫度低于縱向試樣的韌脆轉變溫度,橫向試樣的50%FATT在-40~-50℃,而縱向試樣的50%FATT在-30~-40℃。鋼管母材的化學成分及技術要求見表1。材料的晶粒度為12級,組織成分為粒狀B+PF+MA+少量P,其金相組織如圖2所示。DWTT試樣的尺寸為76.2mm×305mm×B,B為壁厚,采用5mm的壓制型缺口,在量程為30000J的落錘試驗機上進行。試驗溫度為0℃,試驗標準為SY/T6476—2007。2影響因素分析2.1材料尺寸對相加工的影響細化晶粒一直是增強材料韌性,避免脆斷的重要手段,韌脆轉變溫度與晶粒大小有如下定量關系:式中:β,B和C—常數;d—晶粒尺寸;Tk—韌脆轉變溫度。從公式(1)可以看出,細化晶粒材料的韌脆轉變溫度降低。文獻的研究表明,材料50%FATT與晶粒尺寸的關系如圖3所示,圖中dmax是指材料斷裂方向上的晶粒尺寸。管線鋼制造過程采用熱機械控軋工藝(TM-CP),鋼卷的軋制過程造成管線鋼的晶粒并非等軸晶,沿軋制方向的晶粒尺寸較長。采用X70級1550mm×17.5mm規(guī)格卷板生產1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管時,焊管螺距為1775mm,可以計算出:對于橫向試樣,其撕裂方向與鋼卷軋制方向夾角約為60°;而對于縱向試樣,其撕裂方向與鋼卷的軋制方向夾角成30°。由于與軋制方向的夾角不同,造成了dmax的不同,縱向試樣的dmax大于橫向試樣,所以縱向試樣的韌脆轉變溫度高于橫向試樣的韌脆轉變溫度。2.2影響鋼韌性的因素管線鋼的化學成分對其韌脆轉變溫度有較大的影響,因而相關標準對輸送鋼管的化學成分均有嚴格要求(見表1)。含碳(C)量對鋼的韌脆轉變溫度有很大的影響,隨著鋼中含C量的增加,材料塑性抗力增加,韌脆轉變溫度明顯提高,轉變的溫度范圍也加寬,鋼中含C量增大對韌脆轉變溫度的影響,主要歸結為珠光體的增加加大了鋼的脆性。管線鋼中的錳(Mn)可以抑制鐵素體-珠光體的轉變,促進貝氏體的形成,從而提高管線鋼的韌性,隨著Mn含量的增加,韌脆轉變溫度降低。鉬(Mo)可以細化晶粒和形成第二相質點,以此來提高鋼的韌性,影響韌脆轉變溫度。硫(S)、磷(P)等雜質易偏聚于晶界,降低晶界表面能,產生沿晶斷裂,同時降低脆性斷應力,影響韌脆轉變溫度。硅(Si)對韌性有不良影響,Si含量的控制對于韌脆轉變溫度的降低也起到一定的作用。鈮(Nb)在熱軋過程中有沉淀強化的作用,使管線鋼的強度增大,韌性減小,但同時Nb又能細化晶粒,從而改善鋼的強度和韌性。鈦(Ti)由于其與氮(N)有很強的親和力,結合形成TiN,能固定鋼中氮元素,TiN在鋼中以細小彌散狀質點分布,可以降低板坯加熱奧氏體化溫度,控制奧氏體晶粒長大,從而達到細化晶粒的目的,有效改善材料韌性。釩(V)和鋁(Al)在鋼中有沉淀強化、細晶強化和晶界強化作用,從而有利于韌脆轉變溫度降低。2.3材料的臨界受載速度增加應變速度會降低材料的塑性能力,進而使得材料的韌脆轉變溫度升高,所有材料都有一個臨界受載速度,在臨界速度以上,材料呈現類似玻璃的脆性。因此,對于DWTT試驗,根據SY/T6476—2007要求,錘擊速度的最大值必須控制在9m/s以內,以避免由于高應變速度而造成明顯的韌脆轉變溫度的升高。2.4鐵素體的組成在給定強度下,鋼的韌脆轉變溫度取決于轉變產物。就X70管線鋼中各種組織來說,珠光體有最高的脆化溫度,脆化溫度由高到低的順序依次為:珠光體,貝氏體,多邊鐵素體。此外,材料內部的尖銳缺陷也能引起韌脆轉變溫度的升高,當裂紋擴展到尖銳缺陷處時,該處就相當于一個尖銳缺口,此時應力狀態(tài)發(fā)生改變,缺陷越尖銳,尖端的應力就越大,應力變化的梯度也越大,從而在材料中部的裂紋尖端處產生很高的三向應力狀態(tài),使得材料形成解理斷裂形貌,即引起韌脆轉變溫度的升高。3化學元素對管線鋼低溫韌性的影響(1)X70級1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管母材橫向試樣的韌脆轉變溫度要低于縱向試樣的韌脆轉變溫度,橫向試樣的50%FATT在-40~-50℃,而縱向試樣的50%FATT在-30~-40℃。(2)管線鋼的韌脆轉變溫度受晶粒度、化學成分、應變速度、顯微組織和缺陷形狀的影響。細化晶粒對材料的韌性有利,能降低管線鋼的韌脆轉變溫度。不同的化學元素對管線鋼的低溫韌性有不同的影響,提高管線鋼的低溫韌性,首先應該從改善鋼的本質出發(fā),純凈鋼質,減少鋼中夾雜物含量,嚴格控制S和P含量;其次,利用Nb,V和Al等微合金化技術,配合控制軋制工藝或熱處理工藝,得到細晶組織。此外,通過鈦處理技術等對夾雜物進行變性處理,也可以使鋼板獲得較高的韌性。增加材料的應變速度,造成塑性變形