石油管道用钢组织优化及强韧化机理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 魏伟 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-24 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 杨柯 |
| 关键词 | 超高强度管线钢 ERW石油套管用带钢 组织优化 强韧化 抗粘扣性能 |
| 其他题名 | Study of Microstructure Optimization and Strengthening & Toughening Mechanism in Oil and Gas Pipeline Steels |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 由于国民经济的持续高速发展，对油气资源的需求大幅增长，这给油气管道工业的发展带来巨大动力。我国的油气资源多储存在西部边远地区，距离消费市场遥远且开采条件恶劣。为了节省管线工程的建设投资，降低长距离的输运费用，采用超高强度管线钢更加经济、高效；同时由于开采条件恶劣，对采油用石油套管用钢提出了更高的要求。但是，目前我国对超高强度管线钢和高级石油套管用带钢的研究还不能满足需求。如超高强度管线钢的研究还不够深入，落后于欧美等发达国家，特别是在基础理论及强韧化机理研究方面几乎空白。在高级别石油套管用带钢方面，一直被粘扣问题所困惑。目前国内还只能生产强度较低的JK55级直缝高频电阻焊（ERW）石油套管用带钢，更高级别如N80级带钢的生产技术还不过关。 材料的宏观力学性能是微观组织结构状态的外部表现，而微观组织结构是宏观力学性能主要的内部根据。钢铁材料的性能优化归根结底来自于组织结构的优化，其中化学成分和热机械加工工艺（TMCP）是获得目标组织结构的先决条件。根据钢的微观结构的强韧化机制，通过合理的化学成分以及工艺设计改善钢中的强韧化因素是获得具有良好综合强韧性能钢铁材料的必要手段。因此，对石油管道用钢进行组织优化及其强韧化机理研究，不仅可以有效提高石油管道用钢的综合强韧性能，带来巨大的经济社会效益；而且其经验可以为发展新一代微合金钢提供借鉴，具有重要的理论价值。 本论文结合辽宁省重点攻关项目“石油天然气能源工业用超高强度管线钢研究（2005110022）”以及与相关企业的合作项目，对超高强度管线钢和抗粘扣用石油套管用带钢进行了研究。论文首先对实验钢进行了化学成分优化设计，而后进行了TMCP工艺研究，在此基础上获得了优化的目标组织。论文探讨了油气管道用钢的成分设计和显微组织优化原则，重点研究了微合金钢显微组织的强韧化机理。具体开展了以下研究工作。 研究了不同Mo/B比的超高强度管线钢的组织相变特性和显微硬度的变化。结果表明，Mo-B共同作用有利于提高钢的淬透性，增加组织中的下贝氏体含量，提高钢的显微硬度。其共同作用的效果优于两者单独作用之和。Mo-B共同作用时的Mo/B比有一最佳值，可使管线钢得到最佳的组织和最高的显微硬度，并对有关的作用机理进行了讨论。 论文研究了超高强度管线钢和石油套管用带钢连续冷却相变规律，并根据相变规律，制定了TMCP工艺，获得了目标组织。研究结果表明，超高强度管线钢在奥氏体未再结晶区终轧时，有一个很宽的控冷工艺窗口（冷速：30℃/s～淬火；终冷温度460℃～150℃）获得目标组织。对抗粘扣用ERW石油套管用带钢来说，采用两阶段控制冷却可以获得针状铁素体+马氏体（AF+M）双相组织。 本文的研究结果表明，所设计的具有下贝氏体（LB）组织的超高强度管线钢在获得高强度的同时，其韧性与高强度针状铁素体（AF）组织管线钢相当。具有（AF+M）双相组织的N80级ERW石油套管用带钢在保持AF组织较高韧性的前提下，可以显著提高强度、硬度及加工硬化指数；并且随着双相组织中M含量的增加，实验钢的强度、硬度以及加工硬化指数增加。 本文研究了超高强度管线钢和ERW抗粘扣用石油套管用带钢的组织优化及强韧化机理，得出如下规律： I. 在超高强度管线钢组织中，当定义与相邻晶区取向差大于10°的微晶区为晶畴时，晶畴尺寸与组织的有效晶粒尺寸有较好的对应关系。低碳LB组织由于转变温度低，其晶畴尺寸远远小于AF组织。因此，在超高强度管线钢的组织优化设计中，采用低温转变组织LB取代AF组织，在显著提高实验钢强度的前提下，可保持良好的韧性。 II. 裂纹前端塑性区尺寸与材料的屈服强度有关。当屈服强度提高时往往降低塑性区尺寸，降低材料的韧性。然而当减小材料的有效晶粒尺寸时，其对韧性的贡献可以弥补屈服强度提高对材料韧性的损失，可以使材料在保持较高强度的同时不损失韧性。 III. 新型（AF+M）双相组织与单一的AF组织相比，可以在保持韧性的前提下具有高硬度、高强度以及高的加工硬化能力。这主要由于M组织对AF组织变形的约束提高了加工硬化能力；M组织作为硬相加入到双相组织中提高了钢的强度和硬度；AF组织在转变时分割原奥氏体晶粒，细化了随后转变而成的M组织的板条尺寸。由于AF组织本身具有良好的韧性性能；（AF+M）组织中M组织含碳量低，有利于协调变形。因此，新型（AF+M）双相组织与传统的（F+M）组织相比，具有更优的韧性。 IV. 复相组织中各相的分布状态对材料的韧性有很大的影响。当硬相呈岛状分布在软相组织基体中时，对材料的韧性没有影响；当硬相呈连续状包围较软相时，会降低材料的韧性。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 106 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17155]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 魏伟. 石油管道用钢组织优化及强韧化机理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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