于晨阳，张 钧，张伟卫，池 强，袁 和

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；3.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，西安710077）

管道输送是原油和天然气长距离运输最经济、 最安全的方式之一。 为了提高运输效率，降低能耗和建设成本，管线钢的发展旨在实现高强度和优越的焊接性。 近年来随着全球油气资源需求的日益增长，我国石油天然气管道研究和建设进入了一个新的高峰期，大直径、 厚壁、 高钢级钢管成为管线建设的主要选择之一[1-2]。 X80 钢不仅满足材料的经济性，同时具有高强度、 韧性好以及优越的耐蚀性。 全球石油天然气资源的开采与管线建设逐渐趋向于油气资源蕴藏丰富的高寒区域，管线的输送压力也逐渐提高，对管线钢的低温力学性能要求更加严格。

随着管道工程的要求以及管线钢冶炼技术的提升，管线钢中的C 元素含量逐渐降低，并加入了Nb 和Ti 等微合金元素，以提高管线钢的强度和韧性，并延长管道安全运行的周期[3-5]。 拉伸性能是管线钢重要的力学性能指标之一，也是管道设计和安全评定的基本指标[6]。 为了确保管线钢管实际力学性能与设计性能保持一致，有必要对管线钢管的力学性能进行系统分析。 本研究以Φ1 422 mm×32.1 mm 规格 X80 管线钢管为例，模拟评价X80 管线钢管在低温环境中的适用性，重点研究X80 钢管不同厚度处显微组织与拉伸性能的关系，探究X80 管线钢管在低温环境中微观组织和力学性能变化的原因，以期为低温环境中大壁厚高强度管线钢的选材提供数据支持和指导。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验材料选取国内某厂家生产的Φ1 422 mm×32.1 mm 规格X80 管线钢管，在钢管母材处取样进行化学成分分析，管线钢管母材的主要化学成分见表1。

表1 X80 管线钢管母材的主要化学成分 %

由表 1 可见，w（C）＜0.05%，w（Mn）在 1.5%～2.0%之间。 减少C 含量有益于改善钢的焊接性能，提高钢的延韧性，但同时也降低了钢的强度。 通常是以Mn 代替C，通过固溶强化来弥补因C 含量降低导致的材料强度损失，并且能够降低奥氏体的转变温度，有助于晶粒细化，从而提高材料的韧性、 降低韧脆转变温度。 钢中w（Nb）为0.075%，对于钢的晶粒细化也有十分明显的作用[7-8]。

1.2 试验方法

拉伸性能测试参考标准GB/T 13239—2006《金属材料低温拉伸试验方法》，利用火焰切割机在距离管体焊缝90°位置处，沿轴线方向分别在钢管壁厚的外层、 中心层和内层取横向试样进行试验，具体取样位置如图1 所示。 采用线切割分层取样，并用数控机床加工成圆棒拉伸试样，试样的夹持段加工成螺纹头。 取样时应防止过热和加工硬化，避免影响拉伸性能。

圆棒拉伸试样的尺寸及形状如图2 所示。 试样直径为6.25 mm，试样过渡半径R 为10 mm，测试段长度L0为65 mm。 拉伸试验在带有超低温试验箱和螺纹拉伸夹具的MTS810-15 电子万能试验机上进行，为了更经济地使用冷源，并尽量缩短冷却时间，采用喷淋液氮的方式对试验箱内的试样进行冷却和控温。 本试验冷却时间控制在30 min，试验温度分别设置为： 20 ℃、0 ℃、 -20 ℃、 -40 ℃和-60 ℃，拉伸应变速率为2 mm/min。

图1 管体取样位置示意图

图2 圆棒拉伸试样的尺寸及形状示意图

在钢管壁厚的外层、 中心层和内层分别截取金 相 试 样 ，经 180#、 400#、 600#、 800#、 1000#、1500#砂纸逐级打磨和机械抛光后，用3%的硝酸酒精溶液腐蚀，然后用75%的酒精溶液冲洗金相试样表面，用吹风机冷风吹干后，在MEF4M金相显微镜上观察腐蚀后试样的金相组织。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸性能

试验材料为一种典型的低碳Nb-Ti 微合金X80 管线钢管。 不同温度环境下X80 管线钢管拉伸性能的变化规律如图3 所示。 从图3 （a）和图3 （b） 可以看出，温度由 20 ℃下降至-60 ℃时，3 组试样的抗拉强度、 屈服强度均有所升高，最外层试样的低温抗拉强度以及屈服强度提高幅度最大，分别为11%和12%。 在同一温度下，3 组试样强度由大到小的顺序为： 外层＞内层＞中心层。 从图3 （c） 可知，3 组试样的断后伸长率总体随着温度的降低而增大，但数值变化幅度不大。 可见，在-60 ℃时拉伸变形，试样的抗拉强度与屈服强度提高的同时，塑性并未降低。

一般情况下，随着温度的降低，铁素体合金钢会出现脆化倾向，即屈服强度随温度的变化幅度要大于抗拉强度[9-10]。 但从图3 可见，试验材料屈服强度随温度的变化幅度比抗拉强度较弱，在试验温度低于-20 ℃时尤为明显，说明试验材料在低温服役环境中出现脆化倾向的可能性较小，具有良好的低温拉伸性能。

图3 不同温度环境下X80 管线钢拉伸性能的变化规律

2.2 显微组织

X80 钢管不同厚度处的显微组织及X80 钢板的带状组织形貌如图4 所示。 图4 （a） ～图4 （c）分别为X80 钢外层、 中心、 内层的显微组织形貌，从图4 可以看出，试样的组织特征为典型的铁素体+粒状贝氏体，粒状贝氏体内岛状物 （M-A） 的形态分布对其力学性能有着重要的影响。 针状铁素体组织含有较高的位错密度，高密度位错对基体有很好的强化作用。 此外，试样中心处的组织晶粒尺寸大于外层和内层的组织晶粒尺寸，这主要是由于管体壁厚较厚，在轧制过程中，轧制压力很难渗透到钢板中心，从而使板材中心处的晶粒尺寸较为粗大，导致中心部位显微组织的整体均匀性较差。

有研究[11-14]表明，在高钢级管线钢中构成带状组织的多数是M-A 岛。 管线钢连续冷却转变时，在形成铁素体的过程中，碳会逐渐富集在残余奥氏体内。 由于低碳钢发生相变的温度较高，相变的驱动力较小，转变不能完全进行，少量奥氏体就会残余下来，以不规则的岛状分布在板条间和晶界上[15]。 M-A 岛的成分中合金元素的含量与基体相近，主要是碳的富集。 但是岛内的富集程度还不足以析出碳化物，因此会成为一些富碳的奥氏体岛。 这些奥氏体岛在随后的冷却过程中由于成分、冷却速度不同将转变为不同的产物。 当钢中的成分偏析达到一定程度时，这些M-A 岛就会分成条带状，形成带状组织。 一般钢板厚度越大，碳偏析就越明显，带状组织就会越严重。 M-A 岛属于淬硬性组织，其强度和硬度一般高于基体，当材料发生变形时，带状组织和基体的变形不同步，在相交界面容易产生脆性裂纹，从而发生断裂，这对材料的动态止裂韧性不利。

图4 X80 钢管不同壁厚处的显微组织及X80 钢板的带状组织形貌

3 结 论

（1） 当温度由 20 ℃下降至－60 ℃时，X80 管线钢管3 组试样抗拉强度、 屈服强度、 断后伸长率均随温度降低而增大，但增幅不大。 温度对其拉伸性能的影响不明显，说明该材料具有良好的低温拉伸性能，且外层低温拉伸性能相对较好。

（2） 由于管壁较厚，板材中心处的晶粒尺寸较为粗大，构成带状组织的M－A 岛属于淬硬性组织，当材料发生形变时，容易在其相界面处产生脆性裂纹，导致试验材料在低温环境下发生脆断。