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抗压曲性良好的管线钢管实用化

来源:未知 佚名 2018-11-27 浏览
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  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。

  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。

  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。

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