抗壓曲性良好的管線鋼管實用化

　　1前言

　　在地震帶、凍土帶的地基發生變動時，在該地帶鋪設的管線有可能發生壓曲和斷裂。因此，提高管線鋼管的抗壓曲性對於(yu) 保證管線安全非常重要。傳(chuan) 統的管線設計采用增加鋼管壁厚的方法防止鋼管壓曲。這種方法不能達到采用高強鋼管使鋼管薄壁化，降低管線成本的目的。JFE鋼鐵公司利用最新的厚板形變熱處理技術，對鋼進行多相組織控製，開發出抗壓曲性優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統鋼管的新產(chan) 品，並已經作為(wei) 地震帶、凍土帶管線鋼管實現實用化。

　　2開發思路

　　鋼管是一個(ge) 結構體(ti) ，鋼管的壓曲現象由鋼管的力學性能，特別是應力-應變關(guan) 係決(jue) 定。鋼管的力學性能由鋼管微觀組織決(jue) 定。通過優(you) 化鋼管的化學成分、軋製和熱處理條件可以對鋼管的組織進行控製。為(wei) 進行鋼管新產(chan) 品的開發，查明以下的各種關(guan) 係十分重要：1)鋼管抗壓曲性與(yu) 鋼管抗拉強度的關(guan) 係、2)鋼管抗拉強度與(yu) 鋼管微觀組織的關(guan) 係、3)鋼管微觀組織與(yu) 鋼管製造條件的關(guan) 係。其中，根據微觀組織對力學性能的研究，過去主要是進行實驗研究。本研究開發出利用TEM解析對鋼管組織結構和變形行為(wei) 進行預測的技術，使鋼管組織達到最佳化。

　　3開發內(nei) 容

　　3.1查明鋼管抗壓曲性與(yu) 鋼管抗拉強度的關(guan) 係

　　首先用應力-應變曲線和管徑壁厚比(D/t)不同的鋼管，進行軸向壓縮壓曲試驗。圖1是極限壓曲應變與(yu) n值的關(guan) 係以及應力-應變曲線模式圖。一般來說，管徑(D)小、壁厚(t)大的鋼管不易發生壓曲，即D/t小的鋼管極限壓曲應變高，D/t相同時，n值越大，極限壓曲應變越高。此外，具有屈服平台型應力-應變曲線鋼管的極限壓曲應變低。因此，為(wei) 防止壓曲，應使管線鋼具有連續型應力-應變曲線並具有高n值。

　　3.2多相組織鋼的拉伸特性控製

　　本文對鋼的微觀組織與(yu) 鋼的拉伸特性的關(guan) 係進行了研究。該研究以控製軋製加速冷卻工藝製造的具有高n值的鐵素體(ti) -貝氏體(ti) 兩(liang) 相組織鋼為(wei) 對象，將鋼的組織進行模型化，對其變形行為(wei) 進行解析。根據結構的連續性和對稱性，將軟質相中彌散分布有硬質相的三維結構模型化計算單元，進行二維軸對稱解析。根據該模型對不同組織體(ti) 積分數的鐵素體(ti) -貝氏體(ti) 鋼的應力-應變曲線和加工硬化特性進行FEM解析的結果如圖2。FEM解析結果與(yu) 試驗測定結果非常一致。因此，可以認為(wei) ，用本解析模型可以對多相鋼的加工硬化特性進行預測。此外，從(cong) 圖2可知，單相鐵素體(ti) 、單相貝氏體(ti) 的n值都較低，當鋼中的貝氏體(ti) 體(ti) 積分數為(wei) 40%時，獲得最大n值。

　　調整鋼材製造工藝，還可以獲得貝氏體(ti) 之外的其他各種硬質第二相。因此，對珠光體(ti) 、馬氏體(ti) 等硬質第二相的情況也進行了FEM解析。結果表明，各種硬質相的分數增加都使n值增大。並且軟質相和硬質相的強度差越大，對n值的影響越大。因此，將馬氏體(ti) 作為(wei) 硬質第二相，即使馬氏體(ti) 體(ti) 積分數較少，也可獲得高的n值。

　　3.3創新型在線熱處理多相組織控製技術

　　創新型厚鋼板在線熱處理多相組織控製技術的主要特點是，控製軋製後，在Ar 3溫度以下進行加速冷卻(ACC)可製造出鐵素體(ti) -貝氏體(ti) 組織鋼。鐵素體(ti) -貝氏體(ti) 型高變形鋼管在日本國內(nei) 有許多作為(wei) 煤氣管線的使用實績。但在海外，為(wei) 了防腐蝕要對鋼管外部在200-250℃下進行防蝕塗裝。因此存在著應變時效導致變形性能下降的問題。為(wei) 解決(jue) 這個(ge) 問題，利用加速冷卻後在線熱處理裝置(HOP?)，使鋼的組織多相化，降低應變時效。

　　圖3是利用加速冷卻和HOP?進行組織控製的模式圖。控製軋製後進行加速冷卻時，在貝氏體(ti) 轉變途中停止加速冷卻，直接進行在線熱處理。這時，C向未轉變奧氏體(ti) 濃聚，在在線熱處理加熱後的空冷過程中生成島狀馬氏體(ti) (MA)。因此獲得了MA彌散分布在貝氏體(ti) 中的多相組織。此外，在在線熱處理加熱過程中發生Nb、Mo等碳化物的析出，使固溶C量顯著下降，抑製了時效的發生。這種軟質貝氏體(ti) 相中彌散分布MA的多相組織是過去生產(chan) 工藝不能獲得的組織。

　　3.4貝氏體(ti) -MA組織鋼的力學性能和鋼管的實用化

　　貝氏體(ti) -MA組織鋼塗層加熱引起屈服強度有很小的升高，應力-應變曲線形狀也沒有大變化，塗層加熱後仍具有高n值。鐵素體(ti) -貝氏體(ti) 組織鋼塗層加熱引起屈服強度大幅度升高、n值下降。過去已知，MA是焊接熱影響區等部位的脆性斷裂起點，使鋼的韌性惡化。但在線熱處理得到的MA是微細的粒狀物，沒有對母材韌性產(chan) 生不良影響。此外，由於(yu) MA被許多取向不同的貝氏體(ti) 晶粒包圍，所以貝氏體(ti) /MA界麵的裂紋傳(chuan) 播受到抑製。

　　對貝氏體(ti) -MA組織鋼的鋼管進行壓屈試驗，證明其具有優(you) 良的抗壓曲性。API X80級貝氏體(ti) -MA組織鋼管已經用於(yu) 中國和加拿大的地震凍土帶天然氣輸送管線。