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密闭空间内气体检测的应用指南
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密闭空间内气体检测的应用指南
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毕业论文（设计）-油轮货舱惰化系统分析
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基于应变设计用厚规格X80管线钢组织与性能关系
关键词：铁素体;钢管;图;应变;钢板;屈服;抗大变形;贝氏体;伸长;时效
　　油气管道在经过冻土带、滑坡带、地震带等恶劣环境服役期间不仅要承受石油天然气输送的高内压，还必须承受由于地面塌陷、移动等引起的变形。为确保管道安全运行，基于应变设计的管线设计方法已被逐渐采用。中国西气东输二线管道建设中管道经过强震区和活动断层的地区也采用了基于应变设计的方法。　　抗大变形钢管是专门针对基于应变设计的管线开发的新型管线钢品种，它能够承受由于地震、滑坡、断层等恶劣服役条件产生的塑性变形，同时保持管线的完整性，对管线的安全服役具有非常重要的意义。与普通油气输送钢管相比，抗大变形钢管具有较高的形变硬化指数、较大的均匀塑性变形能力、较低的屈强比等。　　近年来，“铁素体+贝氏体”双相钢因其具有良好的强韧性、焊接性能，以及因具有较高的可动位错密度而表征出的连续屈服、高的加工硬化指数和均匀延伸性能被广泛关注。中国的冶金和制管行业也积极开发“铁素体+贝氏体”双相钢厚板制造技术，以满足基于应变设计管线的要求。但是，目前对厚规格“铁素体+贝氏体”双相钢的组织-性能关系，特别是钢板经制管、扩径和时效后的性能变化规律还不甚清楚，有必要进行深入研究。　　1、试验材料和方法　　选用A、B、C3个钢铁企业试制的26.4mmX80抗大变形钢板，化学成分见表1。在秦皇岛宝世顺石油钢管股份有限公司，采用JCOE成型方法试制Ф1219mm×26.4mmX80抗大变形直缝埋弧焊钢管，对满足西气东输三线建设用抗大变形钢管技术条件（表2）的钢管进行组织-性能关系研究。另外，针对选用B钢厂试制的1000tФ1219mm×26.4mmX80钢管制管前后的力学性能变化，探讨制管变形和应变时效对材料的力学性能变化的影响规律。　　表1：26.4mmX80抗大变形钢板的化学成分（质量分数）%
　　0.05~0.07
　　0.1~0.3
　　1.7~1.85
　　≤0.012
　　≤0.003
　　0.2~0.3
　　0.2~0.3
　　0.1~0.2
　　0.03~0.07
　　0.01~0.02
　　表2：管体力学性能指标
　　Rt0.5/MPa
　　Rm/MPa
　　屈强比Rt0.5/Rm2）
　　UEL1）/%
　　应力比Rt1.5/Rt0.52）
　　应力比Rt2.0/Rt1.02）
　　-10℃，KV/J
　　0℃DWTTSA/%
　　管体横向
　　555~705
　　625~825
　　≤0.93
　　按API Spec 5L
　　平均值≥180
　　平均值≥75
　　管体纵向3）
　　时效前
　　510~610
　　625~770
　　≤0.85
　　按API Spec 5L
　　≥1.100
　　≥1.033
　　时效后
　　530~630
　　625~770
　　≤0.86
　　按API Spec 5L
　　≥1.070
　　≥1.033
　　注：1）试样承受最大载荷时的伸长率为均匀变形伸长率；2）Rt2.0，Rt1.5，Rt1.0，Rt0.5分别对应于拉伸总应变为2.0%，1.5%，1.0%，0.5%时的拉伸应力；3）管体纵向拉伸曲线应为“round house”曲线形状。　　2、试验结果与分析　　2.1、铁素体体积分数的优化确定　　“铁素体+贝氏体”双相组织抗大变形X80管线钢一般采用低温轧制，轧后空冷弛豫，使多边形铁素体析出，然后加速冷却使剩余奥氏体转变为贝氏体的技术措施生产。弛豫过程中铁素体相变动力学与钢的化学成分、轧制工艺、环境温度、开冷温度等参数密切相关，因此，铁素体体积分数精确控制的难度较大。另外，厚规格钢板在弛豫过程中沿板厚截面的冷却速度差异较大，从而导致沿厚度截面的铁素体体积分数变化也较大。图1是B钢厂生产的26.4mmX80钢板沿厚度截面的组织变化，其表面因冷速快，开冷温度低，铁素体数量多；而心部冷速慢，开冷温度高，铁素体数量少。　　&　　(a)表面；(b)1/4；(c)心部。　　图1：B钢厂试制的26.4mmX80钢板沿厚度截面的组织变化　　图2是采用A、B钢厂原料试制的满足技术条件的成品钢管沿壁厚截面的铁素体体积分数变化情况。由图可见，钢板边部铁素体体积分数20%~85%；心部铁素体体积分数8%~55%。铁素体体积分数在如此大的波动范围内均可获得满意的纵向力学性能。新日铁（NSC）同类产品的铁素体体积分数表面为40%，心部为8%，铁素体沿厚度截面的波动范围也较大，但仍具有良好的综合力学性能，说明“铁素体+贝氏体”双相组织厚规格抗大变形管线钢对铁素体体积分数的敏感性较小。　　&　　图2：试制的成品抗大变形X80钢管的铁素体体积分数变化　　2.2、铁素体晶粒尺寸的影响　　铁素体晶粒尺寸是影响铁素体贝氏体双相钢强韧性和变形行为的主要因素之一。在钢板生产中，铁素体在控轧后经空冷弛豫析出，因冷却速度慢，先共析铁素体易于长大。图3是采用A、B钢厂原料生产的合格钢管、新日铁钢管与采用C钢厂原料试制的不合格钢管的铁素体晶粒尺寸比较。C钢管因铁素体数量多（表面80%，心部55%），1/4截面和心部铁素体晶粒粗，因而钢管纵向强度难以达到大于等于530MPa的技术指标，同时，因铁素体晶粒细化不足，DWTT性能也难以满足技术指标要求，因此，对“铁素体+贝氏体”双相组织的抗大变形X80管线钢来说，铁素体晶粒细化控制十分关键。　　&　　图3：不同厂家原料试制的X80抗大变形钢管的铁素体晶粒尺寸　　2.3、铁素体体积分数对均匀变形伸长率的影响　　钢板铁素体数量越多，均匀塑性变形能力越好（图4），这是因为在相同成分条件下，铁素体数量越多，铁素体相变后剩余奥氏体中的碳含量和合金元素含量富集程度越高，快冷后形成的贝氏体板条特征越明显，贝氏体相变产生的体积膨胀使先共析铁素体中的可动位错密度越高。一个有趣的现象是，通过对钢管壁厚分层解剖（使用线切割将26.4mm壁厚分切5层，然后分层进行力学性能测试，图5）发现，虽然外壁铁素体体积分数大，均匀变形伸长率高，但受制管时外壁拉应变的影响，均匀变形伸长率下降显著。壁厚中心因铁素体数量少，且铁素体晶粒略粗，均匀变形伸长率较小，而内壁受压应变影响，均匀变形伸长率也有所降低，但幅度明显小于拉应变的影响。　　&　　图4：铁素体体积分数与UEL的关系　　&　　图5：壁厚不同位置铁素体数量及制管后UEL　　2.4、钢板屈服强度与钢管屈强比和应力比的关系　　对“铁素体+贝氏体”双相组织的抗大变形X80管线钢来说，随铁素体数量减少，钢板的屈服强度提高。制管试验表明，随钢板屈服强度升高，出现钢管屈强比提高（图6(a)），应力比（Rt1.5/Rt0.5，Rt2.0/Rt1.0）下降的趋势（图6(b)、(c)），在钢板铁素体含量高，屈服强度低的情况下，钢管的屈强比和应力比指标优异，但在钢板铁素体体积分数较低（钢板心部12%，钢板表面23%），纵向屈服强度达到530MPa情况下，钢管的屈强比和应力比仍可满足技术条件要求。　　&　　(a)Rt0.5-Rt0.5/Rm；(b)Rt0.5-Rt1.5/Rt0.5；(c)Rt0.5-Rt2.0/Rt1.0。　　图6：钢板屈服强度（Rt0.5）与管体应力比的关　　2.5、铁素体体积分数对夏比冲击韧性的影响　　通过分层解剖（线切割分割5层，加工成10mm×10mm×5mm夏比冲击试样）对比分析了不同铁素体体积分数的2根钢管的夏比冲击韧性变化情况。钢管1、2在1/4处的显微组织见图7。钢管1的铁素体体积分数为从表面70%到心部55%，钢管2的铁素体体积分数为从表面23%到心部10%。2根钢管的横纵向力学性能均满足西气东输三线抗大变形X80钢管技术要求，但钢管2因铁素体体积分数少，韧性明显优于铁素体体积分数高的钢管1（图8）。可见，在保障基于应变设计的纵向拉伸性能的基础上，适量降低铁素体体积分数可提高钢管的韧性。　　&　　(a)钢管1；(b)钢管2。　　图7：成品钢管1、2在壁厚1/4截面处的显微组织　　&　　图8：不同铁素体体积分数钢管的韧性比较　　2.6、制管变形对板/管关系的影响　　图9是通过小批量工业化生产26.4mmX80抗大变形钢管统计分析的钢板纵向屈服强度和钢管纵向屈服强度的关系。由图可见，经制管变形和扩径，钢管的屈服强度明显高于钢板的屈服强度。在钢板铁素体体积分数多，屈服强度低的情况下，因钢板加工硬化能力强，制管后强度增量大，而钢板铁素体数量少，屈服强度高，加工硬化能力略低，制管后强度增量小，这也充分解释了图2所示的X80抗大变形钢管对铁素体体积分数变化不敏感的原因。　　&　　图9：制管前后的纵向屈服强度变化规律　　2.7、制管变形及应变时效对均匀伸长率的影响　　厚壁钢管在制管成形时，钢管外壁受拉应变，内壁受压应变而导致塑性变形，因此，制管后材料的均匀伸长率将下降。从小批量生产的统计结果看，钢板中铁素体体积分数高，屈服强度低，均匀伸长率高。制管后虽均匀伸长率有所降低，但仍表现出铁素体数量多，屈服强度低，均匀伸长率高的特点（图10、11）。但是，经应变时效后，屈服强度低的钢板制造的钢管的均匀伸长率下降十分显著，而屈服强度高的钢板制造的钢管的均匀伸长率下降不明显。这可能是因为屈服强度低的钢板中铁素体数量多，可动位错数量大，而强度高的钢板中铁素体数量少，可动位错数量小，经应变时效后，C、N气团在位错线上聚集，钉扎可动位错，从而使低屈服强度钢板时效后均匀伸长率下降更为明显。这一现象也进一步解释了图2X80抗大变形钢管对铁素体体积分数不敏感的原因。　　&　　图10：钢板屈服强度与制管变形后钢管均匀伸长率的关系　　　　(a)钢板；(b)钢管。　　图11：应变时效对均匀伸长率的影响　　2.8、钢管屈服强度与夏比冲击韧性的关系　　从钢管壁厚不同部位的韧性分层解剖分析可知，铁素体数量多不利于提高钢管的夏比冲击韧性。图12进一步分析了小批量工业生产中原料钢板的纵向屈服强度与钢管的冲击韧性的对应关系。很明显，钢板因铁素体体积分数高而导致钢板的屈服强度低，制管后冲击韧性也低，而钢板铁素体体积分数少，贝氏体数量多，强度高，制管后冲击韧性也高，这也进一步说明，在保证基于应变设计要求的纵向力学性能的基础上，合理控制“铁素体+贝氏体”双相钢中两相的体积分数是十分重要的。　　&　　图12：钢板纵向屈服强度与钢管夏比冲击韧性的关系　　3、结论　　1）采用“铁素体+贝氏体”双相组织生产基于应变设计的抗大变形厚壁X80钢管技术上是科学、合理、可行的。　　2）Ф1219mm×26.4mmX80抗大变形钢管可以在较大的铁素体、贝氏体两相体积分数变化范围内实现技术指标要求，该钢对铁素体体积分数的敏感性不大。　　3）多边形铁素体晶粒细化十分重要，应将铁素体晶粒尺寸控制在7.0μm以下。　　4）适量增加贝氏体体积分数可有效改善钢的韧性，在保证基于应变设计对钢管纵向拉伸性能的基础上，应适量减少铁素体体积分数。　　5）铁素体体积分数高改善钢板的均匀变形伸长率，但经应变时效后均匀变形伸长率下降明显，这进一步要求应合理控制铁素体的含量。基于应变设计用X80大应变UOE钢管的研发
柏明卓1，郑磊1，张备2，王波2，吴扣根3，许海生4
（宝山钢铁股份有限公司1.研究院，2.制造部，3. 厚板部，4.钢管条钢事业部&）
摘要：在地质灾害多发地区，基于应变的管道设计对管线管提出了大应变的性能要求。本文通过实验室研究了不同组织类型对管线钢大应变性能的影响，发现多边形铁素体+贝氏体的组织具有很好的大应变性能和其他性能的匹配。并且，更进一步研究了双相比例、组织形态等对大应变性能的具体影响，以及轧钢工艺参数对双相组织的影响。基于该组织设计及实验室研究，宝钢进行了φmm厚壁X80大应变UOE管线管的试生产。试制钢管性能良好，能够满足西三线X80大应变管线管的技术要求。
关键字：基于应变设计；X80, UOE 管线管；大应变；双相；微观组织
Research and Development of X80 UOE Linepipe with High Deformability for Strain-Based Design
BAI Mingzhuo1, ZHENG Lei1, ZHANG Bei2, WANG Bo2, WU Kougen3, XU Haisheng4
(1. Research Institute, 2. Manufacturing Management Department, 3. Heavy Plate Department, 4. Tube, Pipe & Bar Business Unit, Baoshan Iron & Steel Co.,ltd., )
Abstract: High strength linepipe needs high longitudinal deformability to meet the requirements of strain-based design pipeline employed when passing through geologic hazard-prone regions. In this paper, the microstructures with different phases and the effect of the microstructure on deformability of pipeline steel were studied. It was founded that the steels with a dual phase of ferrite and banite microstructure provided high deformability with good other properties. Moreover, the impacts of percentage of dual phases and morphology of microstructures on linepipe deformability, and the impacts of rolling production processes on dual-phased microstructures were also studied. high deformability was industrially trial-produced. Properties of trial-produced linepipes were good, which meet the requirements of the Third West-to-East Gas Transmission Pipeline.
Keywords: S X80, UOE microstructure
&&&& 管线是最经济、最安全的天然气陆上运输方式。为通过高压输送方式增加运输的经济性，并减少管线的铺设成本，需要高强度级别的管线管来进行天然气的长距离输送。而且天然气资源一般都分布在偏远地区，在向人口聚集居住区域输送途中，往往要穿越复杂地质条件的区域。近年来，当管线穿越地质灾害多发区域，如地震带、滑坡泥石流地区、永久冻土带等，采用应变设计取代传统应力设计，成为保证输送管线安全的重要技术。当管线管处于该类地区时，易受地面运动带来的影响，管线管需要具备应对地面运动造成的大变形的屈曲抗力[1-4]，才能减少管线管的破坏。
&&& 基于应变设计用管线管不仅需要同基于应力设计用管线管一样，横向上高强、高韧及良好的焊接性能，纵向上则更要具有好的应变性能，如表现为以下性能特征：低屈强比（Y/T），高硬化率（n值），高均匀延伸率（u-EL）等[4-10]。另外，管线管在经过制管这样一个冷成型过程后，还要在一定温度下进行防腐涂覆。这期间钢管的时效会对钢管的性能产生很多影响，因此钢管的屈强比、均匀延伸率以及应力应变曲线形状等钢管性能都会发生改变[11-12]。所以，基于应变设计用管线管还需要具有好的抗应变时效性能，以减少时效后钢管抗应变性能的降低。
本文通过实验室研究，讨论了不同类型的双相组织、以及双相比例、组织形态对管线钢变形性能的影响。并根据试验室结果，进行了X80大应变管线管的工业性试制。
1 双相组织类型对管线钢应变性能的影响
&&&& 钢管的抗变形性能可以通过增加应变硬化率（降低屈强比）来提高，应变硬化深受钢的组织的影响，由硬相和软相组成的双相组织对于获得大的应变硬化率并由此得到高的变形性能非常关键。本文的前期工作，曾讨论了管线钢显微组织与拉伸应变性能的关系[13-14]。实验室通过如图1所示的四种工艺路线，得到了四种典型的微观组织：工艺A是轧后空冷，钢的组织转变成先共析铁素体和珠光体（PF+P）；工艺B采用两阶段冷却，轧制后先空冷到先共析铁素体转变区使先共析铁素体形核析出，然后再加速冷却得到先共析铁素体和针状铁素体组织（PF+AF）；工艺C也采用两阶段冷却，第二阶段时冷速要求更快，终冷温度更低，以得到先共析铁素体和贝氏体（PF+B）双相组织；工艺D是轧后直接加速冷却得到针状铁素体和少量MA组织（AF+MA）。
应变曲线如图2所示。A钢具有明显的Luders屈服平台，其抗拉强度也最低。B钢也有出轻微的Luders屈服平台。D钢为连续屈服，强度也较高，但其屈强比高，且均匀延伸率低。PF+B双相的C钢则具有典型的拱顶型连续屈服的应力-应变曲线，抗拉强度高，屈强比低，同时均匀延伸率也较理想。因此，该组织类型最适合应变设计用管线钢。
。终冷温度降低，硬相硬度明显增加。这与终冷温度与抗拉强度的统计结果是一致的。
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