抗压曲性良好的管线钢管实用化

　　1前言

　　在地震带、冻土带的地基发生变动时，在该地带铺设的管线有可能发生压曲和断裂。因此，提高管线钢管的抗压曲性对于保证管线安全非常重要。传统的管线设计采用增加钢管壁厚的方法防止钢管压曲。这种方法不能达到采用高强钢管使钢管薄壁化，降低管线成本的目的。JFE钢铁公司利用最新的厚板形变热处理技术，对钢进行多相组织控制，开发出抗压曲性优于传统钢管的新产品，并已经作为地震带、冻土带管线钢管实现实用化。

　　2开发思路

　　钢管是一个结构体，钢管的压曲现象由钢管的力学性能，特别是应力-应变关系决定。钢管的力学性能由钢管微观组织决定。通过优化钢管的化学成分、轧制和热处理条件可以对钢管的组织进行控制。为进行钢管新产品的开发，查明以下的各种关系十分重要：1)钢管抗压曲性与钢管抗拉强度的关系、2)钢管抗拉强度与钢管微观组织的关系、3)钢管微观组织与钢管制造条件的关系。其中，根据微观组织对力学性能的研究，过去主要是进行实验研究。本研究开发出利用TEM解析对钢管组织结构和变形行为进行预测的技术，使钢管组织达到最佳化。

　　3开发内容

　　3.1查明钢管抗压曲性与钢管抗拉强度的关系

　　首先用应力-应变曲线和管径壁厚比(D/t)不同的钢管，进行轴向压缩压曲试验。图1是极限压曲应变与n值的关系以及应力-应变曲线模式图。一般来说，管径(D)小、壁厚(t)大的钢管不易发生压曲，即D/t小的钢管极限压曲应变高，D/t相同时，n值越大，极限压曲应变越高。此外，具有屈服平台型应力-应变曲线钢管的极限压曲应变低。因此，为防止压曲，应使管线钢具有连续型应力-应变曲线并具有高n值。

　　3.2多相组织钢的拉伸特性控制

　　本文对钢的微观组织与钢的拉伸特性的关系进行了研究。该研究以控制轧制 加速冷却工艺制造的具有高n值的铁素体-贝氏体两相组织钢为对象，将钢的组织进行模型化，对其变形行为进行解析。根据结构的连续性和对称性，将软质相中弥散分布有硬质相的三维结构模型化计算单元，进行二维轴对称解析。根据该模型对不同组织体积分数的铁素体-贝氏体钢的应力-应变曲线和加工硬化特性进行FEM解析的结果如图2。FEM解析结果与试验测定结果非常一致。因此，可以认为，用本解析模型可以对多相钢的加工硬化特性进行预测。此外，从图2可知，单相铁素体、单相贝氏体的n值都较低，当钢中的贝氏体体积分数为40%时，获得最大n值。

　　调整钢材制造工艺，还可以获得贝氏体之外的其他各种硬质第二相。因此，对珠光体、马氏体等硬质第二相的情况也进行了FEM解析。结果表明，各种硬质相的分数增加都使n值增大。并且软质相和硬质相的强度差越大，对n值的影响越大。因此，将马氏体作为硬质第二相，即使马氏体体积分数较少，也可获得高的n值。

　　3.3创新型在线热处理多相组织控制技术

　　创新型厚钢板在线热处理多相组织控制技术的主要特点是，控制轧制后，在Ar 3温度以下进行加速冷却(ACC)可制造出铁素体-贝氏体组织钢。铁素体-贝氏体型高变形钢管在日本国内有许多作为煤气管线的使用实绩。但在海外，为了防腐蚀要对钢管外部在200-250℃下进行防蚀涂装。因此存在着应变时效导致变形性能下降的问题。为解决这个问题，利用加速冷却后在线热处理装置(HOP?)，使钢的组织多相化，降低应变时效。

　　图3是利用加速冷却和HOP?进行组织控制的模式图。控制轧制后进行加速冷却时，在贝氏体转变途中停止加速冷却，直接进行在线热处理。这时，C向未转变奥氏体浓聚，在在线热处理加热后的空冷过程中生成岛状马氏体(MA)。因此获得了MA弥散分布在贝氏体中的多相组织。此外，在在线热处理加热过程中发生Nb、Mo等碳化物的析出，使固溶C量显著下降，抑制了时效的发生。这种软质贝氏体相中弥散分布MA的多相组织是过去生产工艺不能获得的组织。

　　3.4贝氏体-MA组织钢的力学性能和钢管的实用化

　　贝氏体-MA组织钢涂层加热引起屈服强度有很小的升高，应力-应变曲线形状也没有大变化，涂层加热后仍具有高n值。铁素体-贝氏体组织钢涂层加热引起屈服强度大幅度升高、n值下降。过去已知，MA是焊接热影响区等部位的脆性断裂起点，使钢的韧性恶化。但在线热处理得到的MA是微细的粒状物，没有对母材韧性产生不良影响。此外，由于MA被许多取向不同的贝氏体晶粒包围，所以贝氏体/MA界面的裂纹传播受到抑制。

　　对贝氏体-MA组织钢的钢管进行压屈试验，证明其具有优良的抗压曲性。API X80级贝氏体-MA组织钢管已经用于中国和加拿大的地震冻土带天然气输送管线。

　　来源：世界金属导报