热时效对X100直缝埋弧焊管拉伸性能的影响

张伟卫，齐丽华，杨 放，张继明，王海涛，吉玲康

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.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）

热时效对X100直缝埋弧焊管拉伸性能的影响

张伟卫1,2，齐丽华1,2，杨 放1,2，张继明1,2，王海涛1,2，吉玲康1,2

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.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）

为了研究钢管防腐涂覆和现场冷弯过程对X100管线钢管性能的影响，通过模拟涂覆和拉伸试验，分析了热时效对X100管线钢管拉伸性能的影响规律，并利用透射电镜（TEM）观察分析了X100管线钢管的微观组织结构。结果表明，热时效使X100管线钢管的屈服强度和抗拉强度均有不同程度的升高，纵向屈服强度比横向对热时效更敏感，这主要是由于管线钢生产和钢管的制造过程引起了材料纵、横向晶粒尺寸及位错结构发生差异造成的。

直缝埋弧焊管；X100；热时效；拉伸性能；位错

随着石油天然气需求的日益增加，我国油气管道特别是天然气管道建设进入了一个新的高峰期，大直径、厚壁、高钢级管线钢管已成为管道建设的主要选择[1-2]。目前，国内外均已开发出X100管线钢管，国际上有关管线钢管标准也已经把X100甚至X120列入其中，X100管线钢的研究开发已经基本成熟，在加拿大还进行了多次短距离的示范段工程应用[3]。

为了保证管线钢管在服役过程中的耐腐蚀性能，需要在敷设前进行防腐层的热涂敷[4]，传统工艺一般将钢管加热到200℃左右进行涂敷，这样就会使管线钢管由于应变时效作用产生更进一步的硬化，表现为屈服强度和抗拉强度的升高，韧性也会受到一定影响[5-6]。如果时效前由于冷弯等引起的应变量足够高，还会产生不连续屈服的曲线，这样会降低钢管的变形强化能力[7]。

有关X100大直径管线钢管防腐涂覆及现场冷弯过程中应变时效现象的研究，国内尚为空白，国外也罕有报道。因此，为确保X100管线钢管的安全可靠性，有必要对X100大直径管线钢管的应变时效现象进行研究。本研究对X100直缝埋弧焊管进行了热涂覆时效模拟，并开展了试验研究，对钢管的应变时效拉伸性能进行了深入分析，为今后X100直缝埋弧焊管标准制订以及工程应用提供试验数据和参考。

1 试验方案

试验用钢管为X100直缝埋弧焊管，规格为Φ1 016 mm×16 mm。 分别在距焊缝 90°和 180°管体上取纵向矩形拉伸试样和横向圆棒拉伸试样。矩形拉伸试样为标矩内长50 mm，宽38.1 mm的全壁厚试样，圆棒拉伸试样标距长为50 mm，直径12.7 mm。部分试样先在HH-S油浴炉内进行人工时效处理，然后进行拉伸试验。拉伸试验在MTS810和CMT5105材料试验机上进行，试验标准为ASTM A370，时效试验方案见表1。

表1 试样时效试验方案

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

图1给出了钢管纵、横向时效前后的拉伸曲线。由图1可看出，无论纵向或横向拉伸试样，随着预时效时间的延长，应力应变曲线弹性段都有延长的趋势，即屈服强度和抗拉强度升高。时效前后X100管线钢管纵向拉伸曲线均为连续应力应变曲线（round-house型），没有屈服平台；横向拉伸曲线时效前后均出现不同程度的屈服平台，且在弹性变形结束段存在不同程度的尖峰。

图1 试样200℃时效前后的拉伸曲线

表2 时效后X100管线钢管抗拉强度变化对比

表3 时效后X100管线钢管屈服强度变化对比

时效后X100管线钢管纵、横向抗拉强度和屈服强度的变化见表2和表3。图2为时效后X100管线钢管纵、横向屈服强度和抗拉强度变化的对比情况。

由以上对比数据可以看出，X100管线钢管在无预应变时，相同时效时间和时效温度下，纵向抗拉强度比横向抗拉强度升高略慢。5 min时效使纵向和横向抗拉强度分别提高了0.71%和1.60%；1 h时效使纵向和横向抗拉强度分别升高了2.48%和2.63%。热时效对X100管线钢管纵、横向抗拉强度的影响不明显。在相同时效时间和时效温度下，X100管线钢管的纵向屈服强度比横向屈服强度增长速率明显较大。5 min时效使纵向和横向屈服强度分别升高了8.13%和9.14%，1 h时效使纵向和横向屈服强度分别升高了4.80%和4.91%。说明相同时效条件下，X100管线钢管的纵向屈服强度比横向屈服强度对热时效更敏感。

通过上述分析可以看出，热时效使X100管线钢管的屈服强度和抗拉强度均有不同程度的升高。随着时效时间的延长，屈服强度和抗拉强度的增率逐渐升高。时效温度和时间对纵向屈服强度和屈强比影响较为严重，钢管进行防腐涂覆时，应严格控制涂覆时间并降低涂覆温度。

2.2 微观组织

由于X100管线钢在轧制过程中积累了大量的位错，第二相粒子析出较多，制管后钢管纵向保留了大量的变形组织及位错和第二相粒子塞积，而钢管横向受扩径的影响，高密度位错遭遇弥散第二相粒子和高密度晶界的阻碍，被牢牢钉扎，形成位错缠结或胞状组织[8-9]，使钢管横向强度比钢板有较明显的升高，时效后C、N原子偏聚对位错的钉扎作用与第二相粒子和晶界对位错的阻碍相比不太明显[10]。钢管纵向由于不受扩径的影响，未发生塑性变形，位错密度较横向低（见图3），时效后C、N原子偏聚对位错的钉扎作用非常突出，因此造成时效后纵向屈服强度比横向上升更快的情况。此外，从纵向和横向应力应变曲线来看，X100钢管纵向应力应变曲线为round-house型，屈强比较低，塑性变形容量较大；而钢管横向应力应变曲线出现了屈服平台，屈强比较高，屈服强度与抗拉强度相差不大，因而一定程度上限制了时效后横向屈服强度的升高。因此，在相同时效温度和时效时间的条件下，由于钢管纵向屈服强度比横向屈服强度升高速度快，而抗拉强度变化不大，使钢管纵向屈强比较横向屈强比升高快，导致钢管纵向塑性变形容量迅速降低。

图3 钢管纵、横向组织位错照片

3 结 论

（1）时效前后X100管线钢管纵向拉伸曲线均为连续应力应变曲线，没有屈服平台，横向拉伸曲线均出现不同程度的屈服平台，且在弹性变形结束段存在不同程度的尖峰。

（2）时效后X100管线钢管纵向屈服强度比横向屈服强度升高速度快，纵向屈服强度对热时效更敏感。

（3）钢管横向受制管扩径的影响，高密度位错遭遇弥散第二相粒子和高密度晶界的阻碍，被牢牢钉扎，形成位错缠结或胞状组织，且位错密度比纵向高，使得时效后C、N原子偏聚对位错的钉扎作用纵向比横向更加明显，造成时效后纵向屈服强度比横向上升更快。

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Effect of Thermal Aging on Tensile Property of X100 SAWL Pipe

ZHANG Weiwei1,2,QI Lihua1,2,YANG Fang1,2,ZHANG Jiming1,2,WANG Haitao1,2,JI Lingkang1,2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi’an 710065,China）

In order to study the influence of steel pipe anticorrosion coating and onsite cold bending process on X100 line pipe performance,the influence rule of thermal aging on X100 line pipe tensile property was analyzed by simulating coating and tensile test,and the microstructure of X100 line pipe was observed and analyzed by using transmission electron microscope（TEM）.The results showed that the yield strength and tensile strength of X100 line pipe were enhanced in different degrees because of thermal aging;the longitudinal yield strength of X100 line pipe was more sensitive to thermal aging than transverse yield strength.This was mainly due to the differences of grain size and dislocation structure in longitudinal and transverse direction caused by the steel production and steel pipe manufacturing process.

SAWL pipe;X100;thermal aging;tensile property;dislocation

TG142.33

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.002

张伟卫（1981—），男，高级工程师，从事石油天然气输送管道与管线钢材料的应用研究工作。

2016-03-14

李 超