219 论 文 编 号 : 管 线 钢 技 术 研 讨 会 奥 斯 坦 德 2009 年 10 月 12-14 应 力 消 除 (SR) 处 理 后 具 有 良 好 抗 软 化 性 能 的 高 强 结 构 钢 管 NIshikawa 1,JShimamura 1,NShikanai1,RMuraoka 2,SYabumoto 3 1 日 本 KurashikiJFE 钢 铁 公 司 钢 铁 研 究 实 验 室 2 日 本 釜 山 JFE 钢 铁 公 司 西 部 日 本 工 作 站 3 日 本 千 叶 JFE 钢 铁 公 司 东 部 日 本 工 作 站 随 着 油 气 田 深 度 的 日 益 增 加, 在 上 升 或 导 管 应 用 中 对 高 强 度 管 线 钢, 如 APIX80 和 X100 的 需 求 不 断 增 多 由 于 应 力 消 除 (SR) 热 处 理 通 常 应 用 于 焊 后, 因 此 通 过 降 低 SR 处 理 防 止 强 度 的 降 低 变 得 至 关 重 要 本 文 研 究, 利 用 沉 淀 强 化 技 术 来 防 止 高 强 度 钢 的 SR 软 化 利 用 在 线 热 处 理 的 这 一 先 进 生 产 技 术 发 展 X80 X100 级 结 构 钢 管 由 于 油 气 田 日 益 变 深, 近 来 导 管 和 上 升 管 对 高 强 度 管 道 的 需 求 有 所 增 加, 这 些 管 道 主 要 用 于 深 海 油 气 开 采 系 统 另 外, 这 种 管 道 通 常 焊 接 在 由 高 合 金 钢 制 成 的 法 兰 或 螺 栓 上, 并 在 焊 后 通 过 SR 处 理 来 降 低 残 余 应 力 SR 温 度 通 常 高 于 600, 此 温 度 下 管 材 会 发 生 软 化 因 此, 对 于 高 钢 级 管 材 而 言, 通 过 SR 热 处 理 防 止 强 度 的 降 低 极 为 重 要 热 机 械 控 制 工 艺 (TMCP) 应 用 于 生 产 管 线 钢 的 高 强 度 钢 板 近 来, 控 轧 和 加 速 冷 去 工 艺 的 改 进 使 得 可 通 过 简 单 的 化 学 工 艺 获 得 钢 板 的 高 强 度, 在 韧 性 和 焊 接 性 能 上 也 得 到 了 很 大 的 提 高 近 年 来, 采 用 控 轧 和 加 速 冷 却 工 艺 生 产 诸 如 X80 和 X100 级 的 高 强 度 管 线 钢 [1-3] 然 而, 由 于 相 变 强 化 机 制, 加 热 后 加 速 冷 却 钢 的 强 度 会 降 低 加 速 冷 却 过 程 中 采 用 马 氏 体 转 变 和 贝 氏 体 转 变 形 成 贝 氏 体 和 马 氏 体, 通 过 相 变 形 成 的 细 小 晶 粒 和 高 密 度 位 错 使 强 度 提 高 然 而 将 加 速 冷 却 钢 再 加 热 至 600 以 上 的 温 度 后, 其 显 微 结 构 极 易 发 生 变 化, 如 晶 粒 长 大 和 位 错 恢 复 [4] 近 年 来, 生 产 板 材 的 先 进 技 术 得 到 了 发 展 应 用, 即 采 用 在 线 加 热 随 后 加 速 冷 却 [5] 研 究 表 明, 在 加 热 过 程 中, 析 出 了 纳 米 级 的 碳 化 物, 从 而 起 到 强 化 效 果 [6,7] 在 此 过 程 中,Nb 和 Mo 的 碳 化 物 在 600-650 o C 温 度 析 出, 这 和 SR 处 理 的 温 度 接 近 利 用 细 小 而 稳 定 的 析 出, 沉 淀 析 出 强 化 技 术 在 提 高 强 度 的 同 时 也 防 止 了 SR 处 理 后 的 软 化 作 用 本 文 研 究 了 生 产 高 强 度 钢 板 的 析 出 强 化 技 术, 并 采 用 在 线 热 处 理 (HOP) 工 艺 试 生 产 了 X80 和 X100 管 线 钢, 讨 论 了 其 良 好 的 抗 SR 软 化 性 能 强 度 和 抗 SR 软 化 两 者 间 的 平 衡 观 念 传 统 高 强 钢 的 抗 SR 软 化 行 为 为 了 解 高 强 钢 由 SR 处 理 而 产 生 的 软 化 行 为, 首 先 对 传 统 APIX80 和 X100 管 线 钢 进 行 模 拟 热 试 验 通 过 控 制 轧 制 随 后 加 速 冷 却 的 方 法 生 产 X80 和 X100 的 钢 板 图 1 显 示 了 经 过 600 SR 处 理 后 抗 拉 强 度 的 变 化 圆 棒 型 的 拉 伸 试 样 取 自 钢 板 横 向 1/2 厚 度 的 位 置 可 以 看 出,X80 和 X100 管 线 钢 抗 拉 强 度 显 著 降 低, 降 幅 超 过 50MPa 从 冶 金 学 的 角 度 来 看, 在 600 左 右 加 热 时, 会 发 生 由 马 氏 体 转 变 或 贝 氏 体 转 变 引 起 的 位 错 恢 复 渗 碳 体 粗 化 及 M - A 组 元 溶 解 等 现 象 这 些 因 SR 处 理 产 生 的 微 观 组 织 变 化 都 会 引 起 强 度 减 低 因 此,UOE 管 道 需 要 补 偿 SR 处 理 后 的 强 度 降 低, 强 度 要 远 高 于 要 求 的 值 然 而, 强 度 太 高 可 能 导 致 环 缝 焊 接 时 管 子 边 缘 倒 角 困 难 由 于 SR 处 理 通 常 只 用 于 环 焊 缝 区 域, 因 此 管 材 中 的 许 多 重 要 性 质 仍 存 在 差 异 材 料 的 发 展 观 点 图 2 表 明 了 SR 处 理 后 强 度 的 变 化 以 及 材 料 的 变 化 由 于 材 料 是 经 过 马 氏 体 和 贝 氏 体 的 转 变 而 强 化
220 2009 管 线 技 术 国 际 会 议 论 文 图 3 传 统 的 TMCP 工 艺 和 HOP 工 艺 的 示 意 图 图 1 经 过 600 SR 处 理 后 的 拉 伸 性 能 变 化 的, 因 此 加 热 后 强 度 降 低 是 材 料 固 有 的 性 质 因 此, 为 了 避 免 SR 引 起 的 强 度 减 低, 需 要 采 用 另 外 的 强 化 机 制 取 代 组 织 转 变 强 化 机 制 正 如 应 用 于 锅 炉 和 耐 火 建 筑 物 的 钢, 如 果 合 理 利 用 热 力 学 稳 定 的 析 出 相, 析 出 强 化 可 以 避 免 SR 软 化 并 获 得 较 高 的 强 度 备 了 表 1 所 示 化 学 成 分 的 钢, 并 在 实 验 室 热 轧 如 图 3 所 示,20mm 厚 的 钢 板 通 过 传 统 TMCP 工 艺, 进 行 了 控 制 轧 制, 加 速 冷 却, 在 线 热 处 理 为 了 研 究 组 织 和 力 学 性 能 的 变 化, 对 钢 板 进 行 SR 处 理 图 4 为 SR 处 理 工 艺 钢 板 被 加 热 至 590 到 660 保 温 2 个 小 时, 随 后 炉 冷, 当 温 度 低 于 427 o C 时, 取 出 空 冷 SR 处 理 前 后 对 钢 板 进 行 金 相 和 力 学 研 究 表 1 实 验 钢 的 化 学 成 分 C Si Mn Mo Nb V Others 0.05 0.2 1.8 0.2 0.04 0.04 Cu,Ni,Ti 图 2 SR 处 理 前 后 强 度 的 变 化 及 在 线 热 处 理 引 起 的 析 出 强 化 示 意 图 为 了 生 产 出 高 强 度 和 高 性 能 的 管 线 钢, 开 发 了 HOP 技 术 [7] 图 3 是 应 用 HOP 生 产 钢 板 时 的 温 度 曲 线 和 传 统 的 TMCP 工 艺 曲 线 图 在 传 统 的 TMCP 工 艺 中, 钢 板 控 扎 后 加 速 冷 却, 随 后 进 行 空 冷 而 HOP 工 艺 是 经 加 速 冷 却 后 感 应 加 热 使 温 度 迅 速 升 高 这 样, 通 过 控 制 转 变 获 得 各 种 特 征, 同 时 形 成 碳 化 物 和 第 二 相, 这 是 传 统 工 艺 所 不 能 实 现 的 HOP 工 艺 最 显 著 的 特 征 是 析 出 强 化 纳 米 级 的 碳 化 物 析 出 在 加 热 过 程 中 形 成, 通 过 析 出 强 化 使 强 度 显 著 提 高 应 用 HOP 工 艺 后, 钢 板 在 厚 度 方 向 上 获 得 了 均 匀 性 能 因 此, 希 望 在 管 材 生 产 中 获 得 较 小 的 力 学 性 能 差 异 及 准 确 的 尺 寸, 这 一 点 表 现 为 较 小 的 不 圆 度 钢 板 生 产 过 程 对 SR 软 化 作 用 的 影 响 实 验 过 程 通 过 实 验 室 试 验, 研 究 了 HOP 工 艺 的 效 果 准 图 4 SR 处 理 的 工 艺 示 意 图 SR 处 理 前 的 显 微 组 织 和 硬 度 图 5 为 采 用 HOP 和 TMCP 工 艺 生 产 出 的 钢 板 其 显 微 组 织 两 种 组 织 都 是 由 贝 氏 体 和 少 量 铁 素 体 组 成 但 是 通 过 扫 描 电 镜 (SEM) 观 察 二 次 腐 蚀 后 的 金 相 组 织 发 现, 经 过 传 统 的 TMCP 工 艺 的 组 织 中 包 含 了 大 量 MA 岛 ( 马 氏 体 - 奥 氏 体 ) 组 织, 而 通 过 HOP 工 艺 生 产 的 钢 板 中 几 乎 没 有 MA 岛 MA 岛 是 非 奥 氏 体 转 变 中 的 富 碳 组 织, 是 由 加 速 冷 却 后 贝 氏 体 转 变 过 程 中 出 现 的 另 外, 在 HOP 工 艺 中, 加 速 冷 却 后, 在 加 热 过 程 中 析 出 碳 化 物, 这 也 可 以 抑 制 非 奥 氏 体 转 变 中 碳 的 富 集 而 且 阻 止 MA 组 元 的 形 成 图 6 给 出 了 钢 板 厚 度 方 向 的 硬 度 分 布 传 统 的 TMCP 钢 板 上 下 表 面 的 硬 度 高 于 心 部 的 硬 度 因 为
221 图 7 SR 处 理 对 拉 伸 性 能 的 影 响 SR 处 理 对 拉 伸 性 能 的 影 响 图 5 HOP 和 传 统 的 TMCP 工 艺 处 理 后 的 钢 板 1/4 厚 度 的 显 微 组 织 表 面 的 冷 却 速 度 在 加 速 冷 却 过 程 中 高 于 心 部, 增 强 的 马 氏 体 和 贝 氏 体 转 变 以 及 较 高 的 冷 却 速 度 和 较 低 的 冷 却 终 止 温 度 导 致 了 较 高 的 硬 度 因 此, 在 传 统 的 TMCP 工 艺 中 无 法 避 免 较 高 的 表 面 硬 度 另 外, 在 HOP 工 艺 中, 加 速 冷 却 产 生 的 较 高 的 表 面 硬 度 可 以 通 过 随 后 的 加 热 而 降 低 碳 化 物 在 整 个 厚 度 方 向 上 都 有 析 出, 因 此 不 同 厚 度 位 置 的 组 织 和 力 学 性 能 都 较 均 匀 图 6 SR 处 理 前 的 硬 度 分 布 图 7 给 出 了 SR 处 理 前 后 试 样 的 抗 拉 强 度 拉 伸 试 验 所 用 的 棒 状 的 试 样 取 自 钢 板 横 向 1/2 厚 度 位 置 在 未 经 SR 处 理 前, 测 试 了 两 种 X80 管 线 钢 的 抗 拉 强 度, 传 统 TMCP 工 艺 生 产 的 试 样 经 过 590 o C 的 SR 处 理 后 强 度 大 大 降 低 采 用 较 高 的 SR 温 度, 由 于 碳 化 物 的 析 出 使 拉 抗 拉 强 度 提 高, 但 其 值 仍 低 于 SR 处 理 前 但 在 HOP 工 艺 生 产 的 钢 中, 强 度 几 乎 没 有 变 化 SR 处 理 对 微 观 组 织 的 影 响 通 过 TEM 观 察 传 统 TMCP 工 艺 和 HOP 工 艺 生 产 的 钢 的 析 出 行 为, 如 图 8 所 示 通 过 在 线 热 处 理 形 成 的 大 量 细 小 的 析 出 在 590 的 SR 处 理 后 没 有 变 化, 而 传 统 的 TMCP 工 艺 几 乎 没 有 析 出 物 图 9 是 TEM 过 程 中 的 EDX 化 学 成 分 分 析 析 出 物 为 Mo Nb Ti 和 V 的 复 合 碳 化 物 图 10 为 在 590 SR 处 理 前 后 析 出 相 的 粒 度 分 布 结 果 表 明, 析 出 物 直 径 小 于 6nm, 且 经 SR 处 理 后 未 发 生 粗 化 因 此, 析 出 强 化 可 以 在 HOP 工 艺 中 大 量 使 用, 稳 定 的 复 合 碳 化 物 可 以 防 止 SR 处 理 引 起 的 软 化 图 8 TEM 图 片
222 2009 管 线 技 术 国 际 会 议 论 文 图 9 HOP 工 艺 的 析 出 物 的 EDX 分 析 图 10 SR 处 理 前 后 HOP 工 艺 中 析 出 物 的 尺 寸 分 布 抗 SR 软 化 X80 和 X100 管 材 的 产 品 检 验 基 于 以 上 研 究, 在 工 厂 进 行 了 X80 和 X100 管 材 的 试 生 产 X80 和 X100 的 化 学 成 分 见 表 2 为 了 利 用 沉 淀 硬 化, 加 入 了 碳 化 物 形 成 元 素 如 Nb 和 Mo 对 钢 板 的 生 产 工 艺 进 行 了 细 致 考 虑, 使 X80 和 X100 在 SR 处 理 前 后 经 过 沉 淀 硬 化 具 有 较 高 的 屈 服 强 度 和 拉 伸 强 度 钢 板 生 产 在 厚 板 轧 机 上 进 行 在 线 热 处 理 工 艺 钢 板 生 产 工 艺, 如 控 制 轧 制, 加 速 冷 却, 加 热 过 程 等 要 求 最 优 化, 以 达 到 的 各 项 性 能 的 平 衡, 如 强 度 韧 性 抗 SR 软 化 性 能 用 UOE 工 艺 制 作 557mm 25 4mm 的 X80 管 线 钢 和 557mm 20mm 的 X100 管 线 钢 在 590 o C 和 620 o CSR 处 理 前 后 管 材 横 向 的 屈 服 和 拉 伸 强 度 如 图 10 所 示 X80 采 用 的 API 标 准 的 的 板 状 试 样,X100 采 用 圆 棒 状 试 样 两 种 管 材 的 屈 服 和 拉 伸 强 度 减 少 有 限, 而 且 在 620 o C 经 SR 处 理 后, 仍 具 有 足 够 的 强 度 表 2 试 验 用 X80 和 X100 的 化 学 成 分 Grade C Si Mn Mo Others Ceq X80 0.05 0.20 1.80 0.20 Cu,Ni,Nb,V 0.41 图 10 试 验 用 X80 和 X100 管 线 钢 在 SR 处 理 前 后 的 拉 伸 性 能 图 11 为 X80 在 SR 处 理 前 的 透 射 照 片 分 析 表 明, 在 实 际 生 产 过 程 中 可 以 实 现 细 小 碳 化 物 的 析 出 强 化, 达 到 优 良 的 抗 SR 软 化 性 能 图 11 试 验 用 抗 SR 软 化 X80 透 射 照 片 结 论 应 用 新 型 的 板 材 生 产 工 艺 开 发 了 用 于 导 管 和 上 升 管 的 X80 和 X100 管 线 钢 在 线 热 处 理 可 有 效 利 用 高 强 管 线 钢 的 析 出 强 化 试 制 结 果 表 明, 即 使 在 620 进 行 SR 处 理 后,X80 和 X100 都 仍 具 有 良 好 的 拉 伸 性 能 X100 0.07 0.14 1.86 0.29 Cu,Ni,Nb,V 0.44
223 参 考 文 献 [1] Endo,S.,Ishikawa,N.,Kondo,J.,Suzuki,N.andOmata,K., AdvanceinHighPerformanceLinepipeswithRespecttoStrength anddeformability,proceedingsofpipedreamer'sconference, November7-8,2002,Yokohama,Japan,pp.273-288,(2002). [2] Fluess,P.,Schwinn,V.andBuch,K., Productionanddevelop mentofpipesforconductorsandriserswithstrengthlevelx80and X100withoutpipeexpansion, ProceedingspfPipelineTechnolo gyconference,may9-13,2004,ostend,belgium,pp.809-822,(2004). [3] Tanaka,Y., ProgressinTMCPTechnologyandExpansionofits RangeofApplication, ProceedingsofASMEPressureVesseland PipingDivisionConference,July17-21,2005,Denver,Colorado USA,PVP2005-71258,(2005). [4] Nakamura,M.,Tagashira,T.,Horie,H.,Kajiwara,E.andKa washima,h., InfuluenceonfMicrostructuresin Heat Afected ZoneofSteelson themechanicalpropertiesduringpost Weld HeatTreatment, Tetsu to Hagane,Vol.80,No.5,pp.48-53, (1994). [5] Fujibayashi,A.andOmata,K., JFESteel sadvancedmanufac turingtechnologiesofleadinghighperformancesteelplates, JFEGiho,No.5,pp.8-12,(2004) [6] Shinmiya,T.,Ishikawa,N.andEndo,S., Transformationand PrecipitationBehaviorinLow CarbonMicroaloyedSteels, Mate rialscienceandtechnology,(2004) [7] Ishikawa,N.,Endo,S.andKondo,J., HighPerformanceUOE Linepipes, JFETechnicalreport,No.7,pp.20-26(2006).