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于保證管線安全非常重要。傳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制，開發出抗壓曲性優于傳統鋼管的新產品，并已經作為地震帶、凍土帶管線鋼管實現實用化。

　　2開發思路

　　鋼管是一個結構體，鋼管的壓曲現象由鋼管的力學性能，特別是應力-應變關系決定。鋼管的力學性能由鋼管微觀組織決定。通過優化鋼管的化學成分、軋制和熱處理條件可以對鋼管的組織進行控制。為進行鋼管新產品的開發，查明以下的各種關系十分重要：1)鋼管抗壓曲性與鋼管抗拉強度的關系、2)鋼管抗拉強度與鋼管微觀組織的關系、3)鋼管微觀組織與鋼管制造條件的關系。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進行預測的技術，使鋼管組織達到最佳化。

　　3開發內容

　　3.1查明鋼管抗壓曲性與鋼管抗拉強度的關系

　　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n值的關系以及應力-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，具有屈服平臺型應力-應變曲線鋼管的極限壓曲應變低。因此，為防止壓曲，應使管線鋼具有連續型應力-應變曲線并具有高n值。

　　3.2多相組織鋼的拉伸特性控制

　　本文對鋼的微觀組織與鋼的拉伸特性的關系進行了研究。該研究以控制軋制加速冷卻工藝制造的具有高n值的鐵素體-貝氏體兩相組織鋼為對象，將鋼的組織進行模型化，對其變形行為進行解析。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積分數的鐵素體-貝氏體鋼的應力-應變曲線和加工硬化特性進行FEM解析的結果如圖2。FEM解析結果與試驗測定結果非常一致。因此，可以認為，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，從圖2可知，單相鐵素體、單相貝氏體的n值都較低，當鋼中的貝氏體體積分數為40%時，獲得最大n值。

　　調整鋼材制造工藝，還可以獲得貝氏體之外的其他各種硬質第二相。因此，對珠光體、馬氏體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。并且軟質相和硬質相的強度差越大，對n值的影響越大。因此，將馬氏體作為硬質第二相，即使馬氏體體積分數較少，也可獲得高的n值。

　　3.3創新型在線熱處理多相組織控制技術

　　創新型厚鋼板在線熱處理多相組織控制技術的主要特點是，控制軋制后，在Ar 3溫度以下進行加速冷卻(ACC)可制造出鐵素體-貝氏體組織鋼。鐵素體-貝氏體型高變形鋼管在日本國內有許多作為煤氣管線的使用實績。但在海外，為了防腐蝕要對鋼管外部在200-250℃下進行防蝕涂裝。因此存在著應變時效導致變形性能下降的問題。為解決這個問題，利用加速冷卻后在線熱處理裝置(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?進行組織控制的模式圖。控制軋制后進行加速冷卻時，在貝氏體轉變途中停止加速冷卻，直接進行在線熱處理。這時，C向未轉變奧氏體濃聚，在在線熱處理加熱后的空冷過程中生成島狀馬氏體(MA)。因此獲得了MA彌散分布在貝氏體中的多相組織。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，抑制了時效的發生。這種軟質貝氏體相中彌散分布MA的多相組織是過去生產工藝不能獲得的組織。

　　3.4貝氏體-MA組織鋼的力學性能和鋼管的實用化

　　貝氏體-MA組織鋼涂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，涂層加熱后仍具有高n值。鐵素體-貝氏體組織鋼涂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，沒有對母材韌性產生不良影響。此外，由于MA被許多取向不同的貝氏體晶粒包圍，所以貝氏體/MA界面的裂紋傳播受到抑制。

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