PSL2 X65Q 管线用无缝钢管力学性能分析

周晓锋，刘江成，张传友，周家祥，张国柱

（ 天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津   300301 

山东普华永道金属材料有限公司，山东    532667）

摘   要：对 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管产品的拉伸性能、冲击性能、硬度及相关性能试验数据进行了统计 和分析。分析认为：PSL2 X65Q 管线用无缝钢管具有屈服强度波动范围小（臆100 MPa）、屈强比低（臆0.89）、塑 性高、韧性好、硬度低、抗腐蚀性能好等特点，在满足海洋管线苛刻要求的同时，可适用于抗大变形管线和卷管 施工方式管线的生产。

关键词：X65Q；管线用无缝钢管；拉伸性能；冲击性能；硬度

中图分类号：TG11 5.5 文献标志码：B 文章编号：1001-2311（2 014）04-00 57-05

Analysis  of Mechanical  Properties  of PSL2 X65Q Seamless  Steel  Linepipe

ZHOU Xiaofeng，LIU  Jiangcheng，ZHANG  Chuanyou，ZHOU  Jiaxiang，ZHANG Guozhu

（ Research and Development Department，Tianjin  Pipe  Group Corporation，Tianjin    300301 ）

Abstract： Conducted  are  statistics   and  analysis   of  experi mental  research  data  of  PSL2  X65Q   seamless   steel linepipes  as  collected  over  the  recent  years， involving   tensile  property， impact  property  and  hardness， etc.  The result  shows that the PSL2 X65Q  seamless  steel linepipe  features small  yield  strength fluctuation range（臆100  MPa）， low yield  ratio （臆0.89），high  plasticity， fine  toughness，low hardness  and satisfactory  corrosion resistance， etc.， being  in   compliance   with   the  stringent  requirements  for  marine  pipeline， and  being  suitable   for  the  anti-large deformation pipeline，and  pipe-laying operation with coiling method.

Key  words：X65Q；seamless  steel linepipe；tensile  property；impact property；hardness

近年来，能源结构的变化以及对能源需求的增

长，极大地促进了长距离输送管线的发展。管道输 送是长距离、大规模输送石油和天然气最经济、最 安全的运输方式。为了增大输送压力，提高输送效 率，长距离石油天然气输送管线用管 不断向高钢 级、大壁厚发展。高强度管线钢的应用可以降低管 线工程的投资和运营费用，但同时也对管线用管的 可靠性提出更高要求，特别是海洋管线，由于管道 的铺设方式复杂，作业环境苛刻，因此对其机械性

能有着更高的要求。

本文将对天津钢管集团股份有限公司（简称天

津钢管）近 6 年 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管产品的

周晓锋（1979-），男，硕士，高级工程师，从事轧管 工艺研究和新产品开发等工作。

拉伸性能、冲击性能、硬度及相关性能试验数据，

进行统计和分析，并归纳其特点。

1   力学性能的要求

API  Spec 5L—2012 标准咱1暂对 PSL2 X65Q 管线

用无缝钢管的力学性能要求见表 1。

2   PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的拉伸性能

2.1   屈服强度和抗拉强度

根据 API  Spec 5L—2012 标准的要求，需要测

定管线用无缝钢管 0.5%规定总延伸强度 R t0.5。在拉

伸试验中，将试样拉断前承受的最大标称拉应力称

为抗拉强度咱2暂。PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的屈服 强度和抗拉强度统计如图 1 所示。

图 1（a）统计数据为 3 432 个，平均值为 504.5

表 1     API Spec 5L—2012  标准对 PSL2 X65Q

管线用无缝钢管力学性能的要求

屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈强比

450~600

535~760臆0.93

伸长率/%0 益横向冲击功/J硬度（HV10）

逸API 公式计算值

单个值逸20，平均值逸27臆270

渊a冤  纵向板条渊b冤  纵向圆棒

图 2     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的

纵向拉伸断后伸长率统计

渊a冤  屈服强度渊b冤  抗拉强度

标准断后伸长率逸25%的要求；图 2（b）统 计数 据

为 213 个，平均值为 29.5%，标准差为2.05%，平

均 值 的标准 误 差 为 0.147% ， 圆 棒 拉 伸 断 后伸 长

率逸23%，满足 API  Spec 5L—2012 标准规定的选

图 1     PSL2 X65Q

管线用无缝钢管的

用截面积 130 mm2 计算得到的断后伸长率逸18%的

屈服强度和抗拉强度统计

MPa，标准差为 29.55 MPa，平均值的标准误差为

0.50 MPa，PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的屈服强度

多 集 中 在 480 ~530  MPa， 可 满足 OED -TP -104—

2009 A dde ndum to A PI   5L  For  Proc ure me nt of C- Mn Se amle s s  Pip e  For  R e e l  L ay  Ins tallation 标准 屈 服强度波动范围臆100 MPa 的要求；图 1（b）统计 数据为 3 432 个，平均值为 603.5 MPa，标准差为

26.94 MPa，平均值的标准误差为 0.46 MPa，抗拉 强度 多 集中 在 580 ~630  MPa， 很 好 地 满足 了 API Spec 5L—2012 标准要求。

2.2   断后伸长率

API  Spec 5L—2012 标准中规定测量 50 mm 定

标距的断后伸长率。根据该标准规定，对于壁厚逸

19 mm 的管线用管，纵向拉伸试验可取直径为 12.7 mm 的圆棒试样；其他壁厚依据外径不同截取不同 宽度的全壁厚板条拉伸试样。PSL2 X65Q 管线用 无缝钢管的纵向拉伸断后伸长率统计如图 2 所示。

图 2（a）统计数据为 3 219 个，平均值为 38.6%， 标准 差 为 4.65% ， 平 均 值 的 标准 误 差 为 0.098% ， 板条拉伸断后伸长率逸25%，满足 API  Spec 5L—

2012 标准规定的选 用最大截面积 485  mm2，使用 

公式 A        A XC0.2     A  为规定的最小断后伸长率，   ；

U0.9

C 为常数；A XC  为适用拉伸试样横截面积，mm2；U 为规定的最小抗拉强度，MPa）计算得到的断后伸 长率逸23%的要求，也能满足 OED-TP-104—2009

要求，说明该钢级管线用无缝钢管有优良的塑性。

同时需要指出：淤相同规格、钢级管线用无缝

钢管采用板条拉伸和圆棒拉伸得到的屈服强度和抗

拉强度差别不大，只是板条拉伸断后伸长率远远大 于圆棒拉伸，这是因为板条拉伸试样的横截面积远

远大于圆棒试样；于相同规格、钢级管线用无缝钢

管采 用 API  Spec 5L—2012 标准的 50 mm 定标 距

与采用 5.65 姨S0 （S0  为适 用 拉 伸 试样 横截面 积 ， mm2）比 例 标 距计算得到的断后伸长率也存在巨大 差别，这是因为拉伸变形的伸长主要发生在颈缩部

分，比例标距规定的长度远远大于 50 mm，在伸长

量差别不大的情况下，标距越大，断后伸长率越小。

2.3   屈强比 通常认为，金属材料的屈强比越大，材料屈服

后的塑性范围越小，这对于工程输气管道、尤其是 支线接管连接处应力与应变集中区域等，意味着塑 性可变形量和安全裕度的减小咱3暂。PSL2  X65Q 管线 用无缝钢管的屈强比统计如图 3 所示。

图 3     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的屈强比统计

准差为 0.024，平均值的标准误差为 0.000 46。从

图 3 可以看 出： PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的屈

强 比 最 大 值 为 0.92， 多数在 0.82 ~0.88， 可 满足 

OED-TP-104—2009 标准屈强比臆0.89 的要求，也

较好地做到了强塑性匹配。

2.4   横向拉伸

当管线用无缝钢管外径逸219.1 mm 时，也有

某些客户要求做横向拉伸试验，根据不同外径和壁

厚横向拉伸试验可采用横向展平全壁厚板条拉伸试 样和小直径圆棒试样。在总结 PSL2 X65Q 管线用 无缝钢管大量纵横向（展平）拉伸试验的基础上，可

得到比较典型的纵横向拉伸曲线，试验所用 PSL2

X65Q  管线 用 无缝 钢 管规 格 为 椎355.6  mm 伊15.9

mm，横向拉伸为展平试样。PSL2  X65Q 管线用无

缝钢管的纵横向拉伸曲线如图 4 所示。

图 4     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的纵横向拉伸曲线比较

从 图 4 可 以 看 出 ：与 纵 向拉 伸 曲 线 相 比， X65Q 管线用无缝钢管的横向展平拉伸曲线平滑， 无屈服平台，得到的屈服强度略低于纵向，抗拉强 度高于纵向。这是因为横向试样在展平过程中发生 了变形，钢管外径越小，变形越大，相当于钢管内 壁产生了拉应变，外壁产生压应变，而应变产生大 量位错，使得强度升高。

2.5   模拟应变时效

进行了小样模拟从 2.5%到 7.5%拉应变和 250

1 — 7.5%应变+250 益时效   2 — 5.0%应变+250 益时效

3 — 2.5%应变+250 益时效   4 — 未应变时效

图 5     不同应变下 PSL2 X65Q 管线用 无缝钢管的拉伸曲线

均 匀 伸 长 率8% ， 满足 GS  EP PLR 201—2012

Fab ric ation   of   Se amle s s   Pip e s   for   Pip e line s（Swe et 

Se rv ic e）标准未应变时效均匀伸长率逸8%、应变时

效后均匀伸长率逸6%的要求。

3   PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的冲击性能

3.1   冲击功

统计 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管 4 种尺寸横向

V 型2 mm 缺口冲击试样在 0 益的冲击功，如图 6

所示。

渊a冤  10 mm伊10  mm 尺寸渊b冤  10 mm伊7.5  mm 尺寸

益保温 1 h 的时效试验，再加工成 椎12.7  mm 的圆

棒试样进行拉伸试验。不同应变下 X65Q 管线用无

渊c冤  10 mm伊6.7  mm 尺寸

渊d冤  10 mm伊5  mm 尺寸

缝钢管的拉伸曲线如图 5

所示。

图 6     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管

在 0 益的横向冲击功统计

从图 5  可以看出：原试样的均匀 伸长 率大于 

10%，说明加工硬化指数 n0.1，满足抗大变形管

线的两个重要特点咱4暂；并且 2.5% 拉应 变后试样的

图 6（a）统计数据为 550 个，平均值为 276.6 J， 标准差为 28.19 J，平均值的标准误差为 1.21 J，全

尺 寸（10  mm伊10  mm 伊55  mm）试样 冲 击 功 最 小 为

160 J，大 部 分在 240 ~320  J， 远远 大于 API  Spec

5L—2012  标准 冲 击 功 逸27  J  和 OED -TP -104—

2009 标准冲击功逸100 J 的要求；图 6（b）统计数据

为 105 个，平均值为 226.1 J，标准差为 26.27 J，平

均值的标准误差为 2.56 J，3/4 尺寸（10 mm伊7.5  mm

伊55  mm）试样冲击功最小为 140 J，大部分在 180~

260 J；图 6（c）统计数据为 103 个，平均值为 168.4

J，标准差为 16.19 J，平均值的标准误差为 1.59 J，

2/3 尺寸（10 mm伊6.7  mm伊55  mm）试样冲击功最小

为 110 J，大部分在 140~180 J；图 6（d）统计数据

为 78 个，平均值为 118.4 J，标准差为 11.53 J，平

均值的标准误差为 1.32 J，1/2 尺寸（10 mm伊5  mm伊

55  mm）试样 冲 击 功最 小 为 90  J，大 部 分在 105~ 

135 J。因此，PSL2  X65Q 管线用无缝钢管具有优

异的冲击韧性。

3.2   韧脆转变曲线

韧脆转变温度（FA TT）决定了管线钢的低温性

能，是衡量管线钢脆性转变的重要指标，其大小直

接影响了管线钢的使用范围。材料的韧脆转变温度 一般使用标准 V 型缺口在不同温度进行夏比冲击 试验来测定。典型的 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管 的韧脆转变（FA TT50）曲线如图 7 所示，试验用无缝 钢 管规 格 为 椎323.9  mm 伊16  mm， 屈 服强度 510

MPa，抗拉强度 600 MPa。

图 7     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的韧脆转变曲线

由图 7 可看出：椎323.9  mm伊16  mm 规格 PSL2

X65Q 管线用无缝钢管的韧脆转变温度（FA TT50）低

于-80  益，从生产数据来看 PSL2 X65Q 管线用 无

缝钢管的韧脆转变温度可以保证在-60  益以下。

3.3   应变时效

应变时效敏感性系数越大，管材对应变时效越

敏感，应变时效后的管材韧性越差，钢变脆咱5暂。根

据 GB/T  4160 — 2004《钢的应变时效敏感性试验方

法（夏比 冲击 法）》标准咱6 暂 要 求， 进行 了从 2.5% 到

7.5% 应 变 和 250  益 保 温 1 h 的 时 效 ， 加 工成 10

mm伊10  mm伊55  mm 的横向 V 型 2 mm 缺口冲击试

样，进行-30  益冲击韧性试验，应变时效敏感性系

数与应变的关系如图 8 所示。

图 8     应变时效敏感性系数与应变的关系

从图 8 可以看出：应 变臆5.0% 并时 效后 的冲 击功 降低 较为 缓慢， 冲击 功降 低值    10% ，对于 抗大变形管线和卷管海上施工管线塑性应变大都臆

5.0%，应变时效后管材仍具有很好的韧性；应变

5.0%后冲击功降低较迅速。因为随着施加拉应变的

增加，钢管加工硬化现象越发明显，强度升高，韧

性降低。

4   PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的硬度性能 用 98 N 的载荷，将顶角为 136毅的金刚石四方 角锥体压头压入 PSL X65Q 管线用无缝钢管的横截 面，以其压痕面积除载荷所得之商，即为其维氏硬 度值。PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的平均硬度统计

如图 9 所示。

图 9     PSL2 X65Q 管线用无缝钢管的平均硬度统计

HV10，标准差为 12.38 HV10，平均值的标准误差为

0.24 HV10。从图 9 可以看出：PSL2  X65Q 管线用

无缝钢管的最大硬度小于 260 HV10，大多集中在

180 ~220  HV10， 满足 API  Spec 5L—2012 标准 硬

度臆270 HV10 要求的同时，还可以满足 OED-TP-

104—2009 标准硬度臆230 HV10 的要求 ，甚至对

于酸性服役环境 PSL2 X65QS 管线用无缝钢管可满

足硬度臆220 HV10 的要求。

5   PSL2  X65Q 管线用无缝钢管的性能控制

5.1   钢种设计

天津钢管 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管，其钢

种采取以低碳含 Mn 钢为基础辅以微合金元素强化

的钢种设计，根据不同外径和壁厚添加少量的 Cr、

Mo 元素来提高钢的淬透性咱7-8暂；添加 Nb、V 微合金

强化元素细化晶粒，以提高钢的强韧性指标；添加

适量的 Cu、Ni 元素提高钢的低温韧性；采用纯净 钢质冶炼技术，减少了钢中夹杂物含量，严格控制 S 和 P 含量；在炼钢生产时设定各个元素波动范围 和目标值咱9暂，确保最终钢的碳当量或者冷裂纹系数 变化很小，为减小力学性能波动提供了保证。

5.2   调质热处理

天津钢管对所冶炼的管线钢都绘制了连续冷却

转变曲线（CCT 曲线），这是进行热处理的基础，加 之通过多年生产经验摸索出的管线钢碳当量或者冷 裂纹系数与性能的关系，都为制订合理的热处理工

艺打下了基础。同时，配有的“旋转内喷+外淋”和 “旋转浸入式+内喷”淬火设备，可根据钢管的不同 外径和壁厚选择合适的淬火工艺，确保整管的淬透 性和均匀性；然后进行高温回火，最终得到的组织 均匀细小，晶粒度可达到 8 级及以上水平，确保调 质后的管线用无缝钢管成品具有优良的力学性能。

通过对天津钢管 PSL2 X65Q 管线用无缝钢管

力学性能的统计及试验研究，证实 PSL2 X65Q 管

线用无缝钢管具有屈服强度波动范围小、屈强 比

低、塑性高、低温韧性优良、硬度低、抗腐蚀性能 好等特点。这些特点不仅可以满足海洋管线用管的 苛刻要求，并可适用于抗大变形管线和卷管施工方 式管线的生产，为深海管线的国产化奠定基础。

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（收稿日期：2013-09-03；修定日期：2014-07-03）

荫专利信息

一种热轧无缝钢管定径机