【www.zhangdahai.com--其他范文】
王林林，陈小伟，范 洁，李志华，孙永琪，董 超，张思思
（巨龙钢管有限公司，河北 青县 062658）
据统计，我国天然气消费量逐年增加，在一次能源消费结构的比例将由2015 年的5.9%提高到2030 年的15%，消费端市场需求旺盛［1-2］。随着陆地油气资源开发越来越受到环境等因素的制约，海洋资源将逐渐成为又一个战略重地，我国海洋资源丰富，石油资源量为240 亿t，天然气资源量为14万亿m3，海洋开发具有重要意义，预计到2022 年，全球海底管道敷设将超过15.6 万km［3］。海底管线有其自身的特点，对钢管强度、硬度、伸长率等有明确的要求，且随着敷设深度的增加，管径要求会逐渐减小［4］，同时在高纬度的深海，极低的温度也是海底管线开发中的难题［5-9］，海底管道受到海流、流沙、低温和腐蚀介质等复杂环境因素的影响，对管道的低温韧性、裂纹敏感性、抗腐蚀性也可能有较高的要求，这就要求以后的海底管线用钢板要在充分考虑低温性能的同时，还应兼具抗酸的特性，技术难度大［10-15］。
巨龙钢管有限公司（简称巨龙钢管）跟踪的国外某海底管线项目，钢级为X65MOS（M 代表热机械轧态交货，O 代表海洋用管，S 代表抗酸），规格为Φ762 mm×22.2 mm，设计温度-29 ℃，对材料的低温韧性、抗氢致开裂性能、抗硫化氢应力腐蚀性能提出了极高的要求。为开发项目所需的钢管产品，巨龙钢管联合国内外不同钢厂进行X65MOS海底低温抗酸钢板的开发。这里通过试验对比分析国内外4 家钢厂开发的X65MOS 钢板的理化性能，研究海底低温抗酸钢板的理化性能特点及实物质量，对后续产品开发提供参考。
对比分析所用的材料为国内A、B、C 钢厂及国外D 钢厂提供的共计4 种X65MOS 钢板，钢板壁厚为22.2 mm。
1.1 化学成分对比分析
按照ASTM A 751—2014a《钢铁产品化学分析的标准试验方法、做法和术语》对4 家钢厂（国内A、B、C 钢厂及国外D 钢厂）提供的钢板的化学成分（质量分数）进行检验，检验设备为ARL 4460 直读光谱仪。4 种X65MOS 钢板的化学成分（质量分数）见表1。
表1 4 种X65MOS 钢板化学成分（质量分数）%
从表1 可以看出，各厂家对于低温抗酸钢板的整体合金设计思路是一致的，即均采用超低C、低Mn、超低S 的合金思路，C 含量控制在0.04%以内，Mn 含量控制在1.3%以内，S 含量控制在0.002 5%以内，大幅低于API Spec 5L—2018 标准的规定。各厂家在其他合金元素含量方面稍有不同，如A、B 两种钢板不添加Mo 元素，但添加了0.03%~0.05%的V 元素；
C、D 两种钢板均添加了不到0.1%的Mo 元素，但不添加V 元素。从整体看，Ni、Cr、Cu 是低温抗酸钢板中的主要合金元素，用以实现材料的强化和韧化。4 钟钢板均添加了Ni、Cr 元素，但在元素含量方面稍有差异，A、B、C 钢板Ni、Cr 元素含量差异较小，D 钢板添加了较多的Ni、Cr 元素。Cu 元素含量方面，D 钢板未添加Cu 元素，A、B、C 钢板均添加了0.15%~0.30%的Cu 元素。4 种钢板的冷裂纹敏感指数Pcm均控制在0.14%左右的较低指数。
1.2 拉伸性能对比分析
在钢板宽度1/2 处取横向拉伸试样，拉伸试样为矩形试样，在WESW-2000E 拉伸试验机上进行钢板横向拉伸试验，钢板拉伸性能对比见表2。
对比结果表明，4 种钢板拉伸性能存在较大的差异。C 钢板屈服强度偏低，低于钢管屈服强度下限要求，其余3 种钢板屈服强度均达到了钢管屈服强度要求。由于直缝埋弧焊管制造过程中，机械扩径会引起材料的加工硬化，造成实际屈服强度升高。因此，关于C 钢板制管后的屈服强度是否能达到钢管要求，还需通过制管验证。钢板的抗拉强度整体不高，A 钢板抗拉强度低于钢管抗拉强度的下限，由于抗拉强度在制管过程中变化较小，钢板抗拉强度偏低会使钢管存在较大的不合格风险。钢板屈强比在0.75～0.90，如果考虑C 钢板屈服强度偏低、A 钢板抗拉强度偏低，合格的B、D 钢板屈强比分别为0.90、0.86，均满足钢管屈服强度要求，但要比普通的X65 钢板的屈强比高一些。钢板断后伸长率A 均在50%以上，远高于钢管标准要求的24%的水平。拉伸性能试验结果表明，对于X65MOS 钢板，屈服强度、抗拉强度的控制是重点。
表2 4 种X65MOS 钢板拉伸性能对比
1.3 夏比冲击功对比分析
在钢板宽度方向1/4 位置取横向夏比冲击试样，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm、刻2 mm深V 型缺口，在NI750C 冲击试验机上按照ASTM A 370—2019《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》对该钢板进行夏比冲击试验，结果如图1所示。
图1 4 种X65MOS 钢板的冲击试验结果
通过对比分析发现，本次试验的钢板夏比冲击性能都很优良，在-60°时钢板的夏比冲击功仍高于400 J，远高于设定的此温度情况下的150 J 目标值。
1.4 落锤性能对比分析
在钢板宽度方向1/4 位置取样，加工成长305 mm、宽76.2 mm 的落锤撕裂试验（DWTT）试样，刻深度为5 mm 的V 型缺口，在-10 ℃、-20 ℃、-30℃与-45 ℃进行低温落锤撕裂试验，试验设备为JL-50000 落锤试验机。4 种X65MOS 钢板落锤撕裂性能如图2 所示。
图2 4 种X65MOS 钢板的落锤撕裂性能
结果表明，4 种钢板都具有较优良的落锤撕裂性能，但其落锤撕裂性能方面存在一定的差异。-30℃时，C 钢板落锤撕裂剪切面积百分比略低于要求的85%，A、B、D 钢板均满足要求；
-45 ℃时，A、D 钢板落锤撕裂性能仍能满足85%的要求，而B、C 钢板则低于此要求。整体看，A 钢板落锤撕裂性能最好，其次是D 钢板，C 钢板落锤撕裂性能整体偏低。当温度低于-40 ℃，B 钢板落锤撕裂性能恶化最明显。
1.5 硬度对比分析
出于钢管抗酸性能的需要，对钢板的硬度值也给出严格的要求，钢板硬度越高，氢元素的透过速度越快，传播速度也越快，氢致开裂（HIC）裂纹敏感性就越大，此次试验给出的目标值为≤200 HV10，钢板硬度打点位置如图3 所示，结果如图4 所示。
图3 钢板硬度打点位置
图4 4 种X65MOS 钢板的硬度检测结果
对比发现，4 家钢厂的钢板在硬度方面都能满足要求，其中A、B、D 3 家钢板在厚度方向上的硬度比较均匀，C 钢板在厚度方向上的硬度不均匀，离散型较大，最高值与最低值之间相差50 HV10，数值低的点主要集中于中部，说明钢板的性能均匀性较差。
1.6 金相组织
4 种钢板表层、中心显微组织如图5 所示。
如图5 所示，A 钢板显微组织以块状铁素体为主，块状铁素体之间为少量粒状贝氏体、珠光体等组织，表层铁素体尺寸较细小，中心铁素体尺寸有所增加。B 钢板显微组织主要为粒状贝氏体，并含有一定量的多边形及准多边形铁素体；
表层组织比较细小，中心铁素体基体尺寸有所增加。C 钢板显微组织是铁素体+贝氏体为主的双相组织，其中铁素体含量较贝氏体明显多；
与表层组织相比，中心铁素体含量进一步增加，铁素体尺寸也有所增加。D 钢板显微组织以粒状贝氏体为主，并含有一定量的准多边形铁素体。可见，4 种钢板中，B 钢板和D 钢板显微组织比较接近，均为以粒状贝氏体为主的组织；
但D 钢板中块状铁素体含量以及马奥组元含量要稍多于B 钢板。
图5 4 种钢板表层、中心的显微组织
1.7 抗HIC、SSC 性能
对本次提供的钢板进行抗酸性能试验，其中抗氢致开裂试验方法选用NACE TM 0284—2016《管道和压力容器用钢抗氢致开裂性能评价的试验方法》，溶液为A 溶液，试验温度为（25±3）℃，试验时间96 h，4 家钢厂钢板均满足裂纹敏感率≤2%，裂纹长度率≤15%，裂纹厚度率≤5%；
抗硫化物应力开裂试验方法选用NACE TM 0177—2016《金属在H2S 环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验的标准试验方法》，按照ASTM G 39—2016《弯曲梁应力腐蚀试样制备与使用规程》采用四点弯曲试件，加载应力为实际屈服强度的80%，溶液为A 溶液，试验温度为（24±3）℃，试验时间要求为720 h，4 家钢厂钢板均无开裂或表面破坏裂纹，抗氢致开裂、抗硫化物应力腐蚀性能均符合标准要求。
4 种低温抗酸钢板合金设计规律为超低碳、低锰、低硫，适当添加Ni、Cr、Cu 等合金元素，以及Nb、V、Ti 等微合金元素。低C、Mn 元素成分设计对铸坯中心偏析控制更有利，可减少带状组织，是获得更好抗氢致裂纹性能的关键，适合开发高钢级抗酸管线钢管。文献［8-9］指出，从合金元素角度分析，碳元素是钢铁中的最基本元素，随着碳元素含量的增加，可以拉升屈服强度和抗拉强度，但是塑性和冲击性能会降低，抗酸板采用低碳设计既可以保证抗酸性能，也可以保证后续的焊接性能；
锰元素作为比较经济的固溶强化合金元素，可以补偿碳元素含量降低所引起的强度损失，提高钢板的强度，在一定程度上细化晶粒，改善钢的冲击韧性，提高淬性，但锰与硫易生成夹杂物，此夹杂物是抗硫化物应力腐蚀与氢致开裂最易形核的位置，会加剧硫化腐蚀，所以需严格控制锰的含量；
铬元素可显著地提高钢板强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；
铜元素可提高钢板的强度以及耐蚀性，但随着铜元素含量的增高，钢板在轧制及焊接过程中产生裂纹的倾向性明显变强，所以在有意提高铜元素含量的同时，还应加入镍元素；
镍元素既能提高钢的强度，又能保持良好的塑形和韧性，并且可在高铜环境下减少产生裂纹的可能；
钼元素能细化钢板晶粒尺寸，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，但Mo 元素也是增加组织中马奥组元的元素，而马奥组元对抗酸性能不利，因此需要控制添加；
钛元素是钢中的强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性，还能够改善焊接性能；
钒元素也是优良的脱氧剂，可细化晶粒，提高强度和韧性，钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力，但钢中的碳氮化钒作为硬相会影响材料的抗酸性能；
铜元素可在钢的表面形成一层保护膜，减少氢的侵入，在提高钢板的强度和韧性的同时，能大幅度提高钢板的抗氢腐蚀能力；
同时还需严格控制磷、硫、氮、氧等有害元素含量，减少由此引起的中心偏析、热脆、冷脆、时效和钢板各向异性的可能性，改善低温韧性。基于上述原因，形成了4 种钢板的合金设计思路，这种合金设计为材料的强韧性以及抗酸性能奠定了基础。
结果表明，4 种钢板显微组织存在明显的差异，这与各厂家制造工艺的差异以及合金元素的差异有关。A 钢板是以块状铁素体为主的组织，由于块状铁素体具有较高的塑形和韧性，而强度较低，因此A 钢板表现出了较低的抗拉强度以及良好的夏比冲击、落锤撕裂性能，其低温落锤撕裂性能是几种钢中最好的。B 钢板和D 钢板显微组织类似，均是以粒状贝氏体为主的组织，其中D 钢板中块状铁素体含量稍多。因此B 钢板和D 钢板表现出了相近的拉伸性能，优良的夏比冲击韧性以及较好的落锤撕裂性能。C 钢板为典型的铁素体+贝氏体组织，这种组织中铁素体属于软相，决定了材料的屈服强度；
而贝氏体属于硬相，主要影响材料的抗拉强度，铁素体贝氏体双相钢具有较低的屈服强度和较高的抗拉强度，这与C 钢板的拉伸性能特点相吻合。然而，由于铁素体、贝氏体双相钢的组织均匀性较差，尤其是冷却过程中，表层冷却速度快，贝氏体含量较多，而中心冷却慢，铁素体含量多，因此厚度方向性能的均匀性较差。硬度试验结果也表明了C 钢板在厚度方向上的性能均匀性最差；
另一方面，硬相贝氏体含量的增加也使材料的低温落锤撕裂性能恶化，因此C 钢板表现出了相对较差的低温落锤撕裂性能。
（1） 尽管在具体合金含量方面存在差异，4 种X65MOS 低温抗酸钢板均采用了超低碳、低锰、低硫，适当添加Ni、Cr、Cu 合金元素以及Nb、V、Ti 等微合金元素的合金设计，冷裂纹敏感指数均保持在0.14%左右，为材料获得良好的低温韧性及抗酸性能奠定了基础。
（2） 4 种X65MOS 低温抗酸钢板的拉伸性能存在一定的差异，均具有优良的低温韧性水平，-45℃夏比冲击功达到了390 J 以上，-30 ℃落锤撕裂试验也都满足单值≥70%、均值≥85%的要求；
4种钢板的抗氢致开裂、抗硫化物应力腐蚀性能均符合标准要求。
（3） 4 种X65MOS 低温抗酸钢板显微组织存在一定差异，主要包括块状铁素体组织、粒状贝氏体组织以及铁素体+贝氏体双相组织，显微组织差异是造成材料力学性能差异的主要原因。
（4） 国内厂家X65MOS 钢板性能水平与国外厂家同类产品基本处于同一水平。
猜你喜欢 铁素体钢板低温 0Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢δ-铁素体含量及奥氏体晶粒度的控制金属热处理(2022年9期)2022-10-21浅析鱼类在低温环境下暴死原因当代水产(2022年2期)2022-04-26探讨拉森钢板桩在市政工程基坑支护中的应用建材发展导向(2021年20期)2021-11-20观山海散文诗（青年版）(2021年6期)2021-08-09S32750双相不锈钢焊接工艺试验研究机械制造文摘·焊接分册(2020年2期)2020-06-15金属丝大变身小天使·四年级语数英综合(2019年10期)2019-11-09双相不锈钢的焊接技术研究科技信息·中旬刊(2018年5期)2018-10-21SA—387Gr11C12钢板（6=88mm）厚压裂原因分析科技经济市场(2017年4期)2017-07-061Cr17Ni2钢制纺丝模头热处理科技资讯(2017年14期)2017-06-22骨折手术的钢板 可以不拆吗大家健康(2016年8期)2016-12-26本文来源：http://www.zhangdahai.com/shiyongfanwen/qitafanwen/2023/0425/589300.html
