國產(chǎn)x70管線鋼斷口分離現(xiàn)象的試驗研究

國產(chǎn)x70管線鋼斷口分離現(xiàn)象的試驗研究

1斷口分離現(xiàn)象嚴重在西氣東輸工程中，利用s70板卷和管道材料進行夏比侵蝕試驗、落錘斷裂試驗和伸展試驗時，發(fā)現(xiàn)了一些樣品，尤其是在試驗開始時，板卷和管道樣本之間存在斷口分離現(xiàn)象，夏比侵蝕模型最為嚴重。因此,作者在系列夏比沖擊試驗的基礎(chǔ)上,通過對斷口的金相分析、能譜分析、掃描電鏡分析等,研究了X70管線鋼斷口分離現(xiàn)象產(chǎn)生的機理及其對性能的影響等。2化學(xué)成分和冷裂紋敏感試驗結(jié)果對斷口分離現(xiàn)象較嚴重的國產(chǎn)初制X70卷板及其試制的螺旋縫埋弧焊管(SSAW)(?1016mm×14.6mm),使用JB-800型和JL-30000型試驗機進行了-80～20℃系列溫度夏比沖擊試驗(CVN)以及落錘撕裂試驗(DWTT)。試驗標準為ASTME23、SY/T6476-2000。試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.051C,0.26Si,1.58Mn,0.011P,0.0008S,0.02Cr,0.24Mo,0.15Ni,0.068Nb,0.031V,0.014Ti,0.26Cu,0.0006B;碳當(dāng)量0.39,冷裂紋敏感系數(shù)0.18%。通過對圖1、圖2的觀察發(fā)現(xiàn):(1)DWTT試樣的斷口分離程度較夏比沖擊試樣輕得多,且分離大都出現(xiàn)在試樣厚度中部。(2)無論夏比沖擊試樣還是DWTT試樣,分離裂紋大都出現(xiàn)在試樣斷口的纖維區(qū)內(nèi),結(jié)晶區(qū)內(nèi)基本上不出現(xiàn)分離裂紋。(3)發(fā)生斷口分離的夏比沖擊試樣斷口的分離裂紋有以下幾種典型形態(tài):大小不等的單個分離裂紋;大小不等的兩個分離裂紋,有一大一小和兩個基本相等兩種形式;大小不等的多個分離裂紋,大部分是一個較大的和多個較小的分離裂紋,還有多個較小的分離裂紋。3組織分析和口形設(shè)計3.1主帶型ma帶由圖3可見,母材顯微組織為針狀F+塊狀F+粒狀B+少量M-A島,心部有帶狀組織,內(nèi)以粒狀B為主,即為MA帶。這種帶狀組織在試制初期尤為嚴重,達3級左右(按照《針狀鐵素體型管線鋼帶狀組織評定方法》)。對出現(xiàn)分離的夏比沖擊試樣斷口進行金相分析,由圖4可見,沖擊試樣分離裂紋尖端和兩側(cè)均有明顯的帶狀組織,裂紋擴展方向與帶狀組織的發(fā)展方向一致。3.2試驗溫度對分離面微觀結(jié)構(gòu)的影響由圖5可見,斷口呈灰色纖維狀,中部有分離裂紋,寬約1mm,剪切唇較大。圖6顯示出纖維區(qū)微觀形貌為韌窩,韌窩中有質(zhì)點狀夾雜物。將發(fā)生斷口分離的沖擊試樣沿分離裂紋剖開,可以發(fā)現(xiàn),在較高試驗溫度(如20℃)下,分離面形貌呈層狀,而在較低試驗溫度(如-40℃)下,分離面呈結(jié)晶狀。進一步的微觀分析表明,在較高試驗溫度下,分離面形貌為準解理斷裂,在較低試驗溫度下,分離面為解理和準解理斷裂。在掃描電鏡下觀察,分離面有大小和形態(tài)不同的夾雜物,有密集分布的片層狀,有較少分布的斷續(xù)狀,也有局部的質(zhì)點狀(圖7)。為了確定夾雜物的類型,對其進行了X射線能譜分析(圖8),可見夾雜物以MnS為主,在夾雜物附近或之間,伴生有鈮、鈦的析出相,既有其單獨析出相,也有與MnS共生的析出相。4控制板材料的分離機理由圖4可見,分離裂紋大多發(fā)生在試樣帶狀組織較嚴重的部位,尤其是壁厚中部,并沿帶狀偏析組織方向擴展,這說明斷口分離的發(fā)生與帶狀組織密切相關(guān)。如前所述,國產(chǎn)針狀鐵素體型X70管線鋼中帶狀組織的主要組成物為粒狀貝氏體,即針狀鐵素體基體上分布著富碳馬氏體和奧氏體小島(M-A島),有的還有極少量的退化珠光體,即主要為MA帶,其形貌見圖9。這是一種硬組織帶,由圖10可見,帶狀組織的硬度均較基體組織高。MA帶有與晶界碳化物類似的脆化現(xiàn)象,相當(dāng)于一種脆性組織。這種脆性帶狀組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均比鐵素體基體高,在某種程度上,可以認為這種材料是層狀復(fù)合材料。而其內(nèi)分布的夾雜物(以MnS為主)加重了帶狀組織對韌性的有害影響(圖7、圖8)。當(dāng)試驗溫度降到脆性組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下時,試樣就會產(chǎn)生平行于試樣表面(板材表面)的開裂,即斷口分離。而且,分離面主要呈解理和準解理的脆性斷裂特征,這與斷口分析的結(jié)果一致。而發(fā)生斷口分離的主斷口主要呈韌性斷裂特征,在分離面與主斷口的交界處有較大的塑性變形,微觀形貌為韌窩。這說明出現(xiàn)于韌性區(qū)的分離裂紋,在試樣的整個斷裂過程中,先于主斷口形成,即在帶狀偏析組織處首先形成分離裂紋,夾雜物促進了分離裂紋的形成,然后與形成于缺口根部的主斷口匯合,最后導(dǎo)致整個試樣斷裂。因此,造成X70管線鋼斷口分離的原因是由于沿軋制方向存在鐵素體界面的弱化,而造成弱化界面的原因是成分偏析造成的沿軋向分布的脆性帶狀組織,即非鐵素體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(MA帶),以及雜質(zhì)元素在原奧氏體晶界和變形帶界面的偏聚。這些因素最終導(dǎo)致了沖擊試驗時分離裂紋的形成。值得一提的是,Feldmann等認為,造成斷口分離的主要原因是軋制過程中,原奧氏體晶界和變形帶界面會作為磷、錫、砷等殘余元素的偏析陷阱,在該區(qū)域產(chǎn)生回火脆性,沿軋向形成弱化鐵素體界面。Kazutoshi等也認為:卷板中的分離是由于卷取后的緩慢冷卻過程中產(chǎn)生的回火脆性引起的,例如,偏析層中的磷向鐵素體晶界擴散并損害了晶界韌性。但是對國產(chǎn)X70管線鋼分離面雜質(zhì)元素的能譜分析表明,分離面上并未見到磷、銻、錫等回火脆性元素的偏聚,因此,回火脆性并不是造成國產(chǎn)X70管線鋼斷口分離的主要原因。5管線鋼拉伸性能一般認為斷口分離不影響裂紋的擴展與止裂行為,對管線鋼的拉伸性能影響不大,對輸送管的使用也無有害影響。但斷口分離對管線鋼的沖擊韌度、耐腐蝕性等有一定影響,且對此有不同的看法。5.1sa減少了沖擊功,降低了延性斷裂功在轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺區(qū),分離的出現(xiàn)可使沖擊功增大。這是因為分離主要出現(xiàn)在斷口的纖維區(qū)內(nèi),所以分離長度主要受纖維區(qū)面積(SA)的控制,纖維區(qū)面積增大時,分離裂紋長度增加,反之亦然。而SA增大,Akv亦會相應(yīng)增大,故在轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺區(qū),分離長度增加,沖擊功增大。而在上平臺區(qū),由于分離的出現(xiàn)減少了管材的有效壁厚,因此降低了延性斷裂功。其次,由于引起分離的帶狀組織屬于硬組織帶,韌性較基體差,加上其內(nèi)夾雜物的有害影響,因此分離的出現(xiàn)會使X70管線鋼的上平臺能較無斷口分離的管線鋼低。文獻的研究表明,沖擊試樣的分離層數(shù)越多,沖擊曲線的上階能越低;同時,在低溫下,分離層數(shù)越多,測試的吸收能越高。5.2分離裂紋的形成機制從以上的試驗分析可知,在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺區(qū),分離絕大多數(shù)出現(xiàn)在塑性區(qū)內(nèi),且分離裂紋長度與纖維區(qū)面積成正比,故從某種程度上說分離的出現(xiàn)及分離裂紋長度的增加,會使韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50下降。另一方面,從受力狀態(tài)來看,分離裂紋形成于主斷口之前,分離裂紋形成后會使試樣受載時的內(nèi)部應(yīng)力重新分布,當(dāng)裂紋擴展成一系列小的薄片時,斷口分離有益于使沿軸向傳播的裂紋尖端顯露出來。而且分離裂紋的形成能減小管子的有效壁厚,因而可以降低管材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,即使FATT50下降,從而使得管材整體上更能適用于低溫使用。對一種含鈮控軋鋼的試驗結(jié)果亦表明了FATT50隨分離傾向的增加而降低的趨勢。綜合斷口分離對沖擊韌度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,可以得出,斷口分離可降低試樣的上階能,而且可使試樣的沖擊韌度隨溫度的下降速度減慢,加寬了過渡區(qū),并導(dǎo)致下平臺向低溫側(cè)移動,使韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低。5.3抗氫致開裂性能X70管線鋼的斷口分離現(xiàn)象主要是由帶狀偏析組織和夾雜物引起的,因此,從本質(zhì)上說,分離對管線鋼的耐腐蝕性能的影響,就是帶狀組織及夾雜物對其耐腐蝕性能的影響。試驗結(jié)果表明,X70管線鋼組織中如果存在帶狀組織,則氫致裂紋大都沿偏析帶分布,見圖11。這是因為帶狀組織的硬度較基體高,有關(guān)研究表明,在低、中強度鋼中,材料強度越高,硬度越大,HIC敏感性就越大。因此,X70管線鋼中的帶狀組織為氫致裂紋的成核及擴展提供了便利的場所。另外,MnS夾雜物是HIC最易成核的位置,而硫含量顯著影響著MnS夾雜物的數(shù)量,因此硫含量強烈影響著管線鋼的抗HIC性能(圖12)。為防止氫致開裂的發(fā)生,要求輸油、氣管線的硫含量小于0.005%,對于嚴重酸性環(huán)境下服役的管線鋼管,要求硫含量小于0.002%。夾雜物的形態(tài)亦影響管線鋼的耐腐蝕性能,使MnS等夾雜物的形態(tài)趨于球形,可大大改善管線鋼的抗氫致開裂性能。鈣處理可改變MnS的形態(tài),使之成為分散的球狀體,從而提高管線鋼的抗HIC能力,使裂紋敏感性明顯降低。X70管線鋼的磷、硫等雜質(zhì)元素的含量較低,夾雜物以MnS為主,且呈質(zhì)點狀,夾雜物主要分布在帶狀組織中,這加重了HIC傾向。6材料的沖擊韌度(1)脆性帶狀組織及夾雜物是造成X70管線鋼斷口分離現(xiàn)象的主要原因。(2)脆性帶狀組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較鐵素體基體高,當(dāng)試驗溫度