螺旋埋弧焊管母材韧脆转变温度的影响因素

螺旋埋弧焊管母材韧脆转变温度的影响因素

0试验结果对比。在钢管全尺寸爆破试验由于材料的耐脆变温度（fatt）通常通过标准v形沟截面热敏电阻试验进行测量，但由于v形沟截面热敏电阻样品的大小、延伸度和负荷，与材料的实际承受量不同，因此测量结果往往不同于材料的实际破坏状态。而管线钢落锤撕裂试验(DWTT)结果与钢管全尺寸爆破试验结果相当吻合,更接近于管线钢管的实际断裂状态,因此成为评定高强度、高韧性管线钢脆性断裂和延性断裂性能的重要方法。韧脆转变温度决定了管线钢的低温性能,是衡量管线钢脆性转变的重要指标,直接影响了管线钢的使用范围。笔者研究了螺旋埋弧焊管母材不同取样方向对DWTT试验韧脆转变温度的影响,并分析了原因,研究结果对管线钢管的设计有一定的指导意义。1材料及组织分析某制管厂采用X70级1550mm×17.5mm规格卷板生产1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管时,执行Q/SYGJX0127—2007《西气东输二线管道工程用X70螺旋埋弧焊管技术条件》。根据技术条件要求,在母材距焊缝90°位置取管体横向和管体纵向试样,分别进行DWTT系列温度试验,得到不同的韧脆转变温度,如图1所示。从图1中可以看出,横向试样的韧脆转变温度低于纵向试样的韧脆转变温度,横向试样的50%FATT在-40~-50℃,而纵向试样的50%FATT在-30~-40℃。钢管母材的化学成分及技术要求见表1。材料的晶粒度为12级,组织成分为粒状B+PF+MA+少量P,其金相组织如图2所示。DWTT试样的尺寸为76.2mm×305mm×B,B为壁厚,采用5mm的压制型缺口,在量程为30000J的落锤试验机上进行。试验温度为0℃,试验标准为SY/T6476—2007。2影响因素分析2.1材料尺寸对相加工的影响细化晶粒一直是增强材料韧性,避免脆断的重要手段,韧脆转变温度与晶粒大小有如下定量关系:式中:β,B和C—常数;d—晶粒尺寸;Tk—韧脆转变温度。从公式(1)可以看出,细化晶粒材料的韧脆转变温度降低。文献的研究表明,材料50%FATT与晶粒尺寸的关系如图3所示,图中dmax是指材料断裂方向上的晶粒尺寸。管线钢制造过程采用热机械控轧工艺(TM-CP),钢卷的轧制过程造成管线钢的晶粒并非等轴晶,沿轧制方向的晶粒尺寸较长。采用X70级1550mm×17.5mm规格卷板生产1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管时,焊管螺距为1775mm,可以计算出:对于横向试样,其撕裂方向与钢卷轧制方向夹角约为60°;而对于纵向试样,其撕裂方向与钢卷的轧制方向夹角成30°。由于与轧制方向的夹角不同,造成了dmax的不同,纵向试样的dmax大于横向试样,所以纵向试样的韧脆转变温度高于横向试样的韧脆转变温度。2.2影响钢韧性的因素管线钢的化学成分对其韧脆转变温度有较大的影响,因而相关标准对输送钢管的化学成分均有严格要求(见表1)。含碳(C)量对钢的韧脆转变温度有很大的影响,随着钢中含C量的增加,材料塑性抗力增加,韧脆转变温度明显提高,转变的温度范围也加宽,钢中含C量增大对韧脆转变温度的影响,主要归结为珠光体的增加加大了钢的脆性。管线钢中的锰(Mn)可以抑制铁素体-珠光体的转变,促进贝氏体的形成,从而提高管线钢的韧性,随着Mn含量的增加,韧脆转变温度降低。钼(Mo)可以细化晶粒和形成第二相质点,以此来提高钢的韧性,影响韧脆转变温度。硫(S)、磷(P)等杂质易偏聚于晶界,降低晶界表面能,产生沿晶断裂,同时降低脆性断应力,影响韧脆转变温度。硅(Si)对韧性有不良影响,Si含量的控制对于韧脆转变温度的降低也起到一定的作用。铌(Nb)在热轧过程中有沉淀强化的作用,使管线钢的强度增大,韧性减小,但同时Nb又能细化晶粒,从而改善钢的强度和韧性。钛(Ti)由于其与氮(N)有很强的亲和力,结合形成TiN,能固定钢中氮元素,TiN在钢中以细小弥散状质点分布,可以降低板坯加热奥氏体化温度,控制奥氏体晶粒长大,从而达到细化晶粒的目的,有效改善材料韧性。钒(V)和铝(Al)在钢中有沉淀强化、细晶强化和晶界强化作用,从而有利于韧脆转变温度降低。2.3材料的临界受载速度增加应变速度会降低材料的塑性能力,进而使得材料的韧脆转变温度升高,所有材料都有一个临界受载速度,在临界速度以上,材料呈现类似玻璃的脆性。因此,对于DWTT试验,根据SY/T6476—2007要求,锤击速度的最大值必须控制在9m/s以内,以避免由于高应变速度而造成明显的韧脆转变温度的升高。2.4铁素体的组成在给定强度下,钢的韧脆转变温度取决于转变产物。就X70管线钢中各种组织来说,珠光体有最高的脆化温度,脆化温度由高到低的顺序依次为:珠光体,贝氏体,多边铁素体。此外,材料内部的尖锐缺陷也能引起韧脆转变温度的升高,当裂纹扩展到尖锐缺陷处时,该处就相当于一个尖锐缺口,此时应力状态发生改变,缺陷越尖锐,尖端的应力就越大,应力变化的梯度也越大,从而在材料中部的裂纹尖端处产生很高的三向应力状态,使得材料形成解理断裂形貌,即引起韧脆转变温度的升高。3化学元素对管线钢低温韧性的影响(1)X70级1016mm×17.5mm螺旋埋弧焊管母材横向试样的韧脆转变温度要低于纵向试样的韧脆转变温度,横向试样的50%FATT在-40~-50℃,而纵向试样的50%FATT在-30~-40℃。(2)管线钢的韧脆转变温度受晶粒度、化学成分、应变速度、显微组织和缺陷形状的影响。细化晶粒对材料的韧性有利,能降低管线钢的韧脆转变温度。不同的化学元素对管线钢的低温韧性有不同的影响,提高管线钢的低温韧性,首先应该从改善钢的本质出发,纯净钢质,减少钢中夹杂物含量,严格控制S和P含量;其次,利用Nb,V和Al等微合金化技术,配合控制轧制工艺或热处理工艺,得到细晶组织。此外,通过钛处理技术等对夹杂物进行变性处理,也可以使钢板获得较高的韧性。增加材料的应变速度,造成塑性变形