西氣東輸三線用X80管線鋼板的研制

張國棟，李 群，王志勇，宋 欣，裴桂珍，白學軍

（1.秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島 066326；2.中油寶世順（秦皇島）有限公司，河北 秦皇島066206）

0 前 言

西氣東輸三線天然氣管道工程（西三線）是繼西氣東輸一線、二線工程后又一條具有戰(zhàn)略意義的天然氣長距離輸送管道工程。其主干線全部采用大壁厚X80級鋼管，管徑1 219 mm，設計最高壓力12 MPa。為保證管道使用安全性，項目對X80鋼板的技術要求比較嚴格，特別對鋼板韌性要求較為苛刻。首秦公司自2007年開始西氣東輸二線用X80管線鋼板的試制，在借鑒國內外先進的生產工藝及試驗結果的基礎上，自主開發(fā)新的TMCP+OCP生產工藝，完成了5.2萬t西氣東輸三線項目 X80管線鋼板的生產，并且實現(xiàn)了良好的成本控制。

微觀組織是決定材料性能的關鍵因素，因此微觀組織的設計應保證在工業(yè)生產時實現(xiàn)組織的穩(wěn)定和良好的控制[1]?，F(xiàn)代管線鋼所具有的多樣、復雜的微觀組織及排布是由其化學成分及生產工藝（如TMCP+ACC）決定的，對于高鋼級管線鋼來說，嚴謹?shù)幕瘜W成分設計和過程設計、控制奧氏體加工及相變（如下貝氏體）是保證其優(yōu)良性能的基礎[2]。

長輸管線為了降低建造成本，其設計趨向于更高強度、更大壁厚和更大管徑[3-5]。傳統(tǒng)的TMCP+ACC工藝已經不能滿足微觀組織精準控制以及大冷速和低終冷條件下良好板形的要求。這也是首秦公司開發(fā)TMCP+OCP工藝的驅動力。通過采用這一工藝，首秦公司生產的西三線X80管線鋼具有良好的力學性能及鋼板表面質量。

在管線鋼采用JCOE工藝等制成直縫鋼管的過程中，鋼管成型過程中的冷變形會使力學性能發(fā)生顯著變化[6-8]，因此，如何將良好的鋼板性能轉化為最終鋼管的性能至關重要。

1 TMCP+OCP工藝

首秦公司中厚板生產線的年設計生產能力為180萬t。生產流程采用的是高爐—轉爐—連鑄的長流程鋼鐵生產方式。其中煉鋼—板坯連鑄生產線采用了鐵水噴粉脫硫、頂?shù)讖痛缔D爐、雙工位LF爐、RH真空脫氣和3條板坯連鑄機，其中400 mm連鑄機采用液面自動控制、自動澆鋼和全程動態(tài)軟壓下等核心技術，中心偏析控制良好，鑄坯質量優(yōu)異，為生產厚規(guī)格管線鋼創(chuàng)造了條件。寬厚板生產線配備有德國西馬克和西門子公司聯(lián)合技術總承包的4 300 mm雙機架軋機和先進的UFC超快冷及ACC層流冷卻設備，具有很強的鋼板軋后冷卻能力。因此，該生產線在TMCP鋼板，尤其是管線鋼寬厚板的生產上具有很強的能力。

TMCP工藝軋制的鋼板可以實現(xiàn)準確的組織控制，進而得到較高的應變強化能力及延展性[9]。在鋼板軋制完成后，一種不同于傳統(tǒng)加速冷卻工藝ACC的冷卻工藝應用于鋼板冷卻，這種冷卻工藝成為優(yōu)化的冷卻工藝OCP，能夠滿足最終鋼板組織控制的更高要求，同時兼顧鋼板的強度、韌性以及平整度。

結合軋制鋼板的厚度及寬度要求，選擇高質量（300~400）mm×2 400 mm規(guī)格的連鑄坯進行軋制。這一方面能夠降低軋制展寬比，另一方面能夠優(yōu)化總的軋制壓下率[10]。圖1是首秦公司規(guī)格為400 mm×2 400 mm的X80管線鋼鑄坯的低倍照片。鑄坯中心偏析檢驗結果為C類0.5級。除此之外還進行了針對厚規(guī)格鑄坯的鋼坯加熱規(guī)程的優(yōu)化以及粗軋階段單道次軋制壓下的優(yōu)化[5]。通過最大限度的發(fā)掘生產線設備能力，使生產的高強度厚壁鋼板得到了理想的細小貝氏體組織。

圖1 首秦X80管線鋼鑄坯的低倍照片

1.1 合金成分及組織設計

西三線X80管線鋼需要有較好的焊接性能和形變能力，強度和韌性要求比較高，其技術要求上的難點是：要有較高的低溫韌性（心部沖擊功要求較高），壁厚較厚，對成分設計、強度和韌性及焊接性能要求比較嚴格。為滿足大直徑、厚壁焊管高壓輸送的安全性要求，高性能管線鋼多以低碳或超低碳貝氏體為主的組織為特征，使之在具有高強度、高韌性、低的包辛格效應和良好焊接性能的同時具有高的韌性止裂性能。管線鋼的焊接性能是通過控制碳當量（Ceq）和冷裂指數(shù)（Pcm）來實現(xiàn)的，但是提高強度和韌性的機制往往與提高焊接性能相悖。由于對X80管線鋼沒有抗HIC性能和極高韌性的要求，應以低碳微合金化為起點，設計合理的成分設計，配合最佳的控軋控冷工藝，獲得含有針狀鐵素體的微觀組織，以保證管線鋼具有高的沖擊韌性及良好焊接性能[11]。

為滿足西三線X80熱軋鋼板強度、低溫韌性、可焊性等綜合性能的要求，合金成分設計時采用了相對較低的C含量，w（C）=0.055%～0.07%是目前X80管線鋼主流控制范圍；鋼中添加了較高的Mn以降低鋼的γ→α轉變溫度，有助于獲得細小的相變產物，提高鋼的韌性；將對韌性有害的S，P和游離N控制在較低的水平；隨著管線鋼強度級別的提高，需要添加Mo，Mn和Ni等合金元素以滿足需求。添加的合金元素主要通過晶粒細化、固溶強化和析出沉淀強化等機制強化微觀組織。其中固溶強化和合金添加量密切相關，而析出沉淀強化和晶粒細化則需要通過成分和工藝的交互作用得以實現(xiàn)。合金元素的添加也會對相變溫度產生影響（比如降低奧氏體開始相變溫度 Ar3）。

結合TMCP+OCP生產工藝，最終采用的合金成分設計方案見表1。方案中合金元素Mo的含量較常規(guī)X80成分有明顯降低，20 mm以下厚度規(guī)格實現(xiàn)無Mo元素添加，22 mm規(guī)格實現(xiàn)少量Mo元素添加。生產過程中通過工藝實現(xiàn)組織調配，得到X80鋼級管線鋼需要的貝氏體組織。

表1 西三線X80管線鋼的化學成分 %

西三線X80管線鋼微觀組織是以細小貝氏體組織為主的復合M/A組織。這種組織設計能夠提供大量厚度小于8 μm的小單元以及高的位錯密度，保證鋼板具有高強度和韌性性能[2，12]。

1.2 熱機械控制軋制TMCP

鋼板軋制通過合理的加熱制度、強化的控軋工藝使原始奧氏體晶粒充分細化和均勻化。軋制前的鋼坯加熱綜合考慮第二相的溶解和奧氏體晶粒度控制兩方面因素[5，13－14]， 鋼坯加熱溫度控制在1 150~1 190℃。在首秦公司4 300 mm雙機加可逆粗、精軋機能力條件下，通過優(yōu)化鑄坯尺寸，實現(xiàn)奧氏體再結晶區(qū)單道次變形率在15%以上，保證了鋼坯心部和表層奧氏體晶粒的充分再結晶。粗軋前幾道次變形主要是集中在鋼板的表層，厚度心部組織沒有得到很好的變形，因此粗軋的末幾道次壓下率必須逐漸增大，以使心部得到較好的變形，實現(xiàn)再結晶組織細化。當初軋階段的總壓下率≥55%時，鋼板的心部可以得到較好的變形，使得原奧氏體充分再結晶，從而得到一個較為均勻的組織。粗軋階段再結晶軋制工藝對于改善鋼板低溫韌性至關重要，因為晶粒細化是最為有效的物理冶金機制，能夠同時提高高強度管線鋼的強度和韌性。

精軋階段的軋制需要在非再結晶溫度Tnr以下開始。已充分再結晶的原奧氏體晶粒在精軋階段通過累計70%以上的變形被充分壓扁，圖2為壓扁晶粒的微觀組織。在非結晶溫度以下發(fā)生的變形對鋼板強度和韌性也非常重要[15]。鋼板的終軋溫度一般在相變開始溫度Ar3以上50~70℃。

圖2 壓扁晶粒的微觀組織

1.3 優(yōu)化的冷卻工藝OCP

鋼板軋后冷卻通過控制鋼板合適的始冷溫度、終冷溫度及冷卻速度，以獲得目標微觀組織及良好的鋼板板形。然而對于高強度管線鋼需要的高冷速和低終冷需求來說，終冷溫度的精確控制及鋼板良好的平整度是很難實現(xiàn)的。首秦公司原有的冷卻系統(tǒng)是西馬克建造的超快冷層流冷卻。這套冷卻系統(tǒng)在常規(guī)及高等級鋼板的生產中發(fā)揮著重要的作用。但是常規(guī)的加速冷卻ACC也存在問題，如冷卻能力不足、鋼板終冷溫度均勻性差及鋼板冷卻后板形不良等。為了彌補加速冷卻ACC的不足，首秦公司在2011年投建了更強力的冷卻設備超快冷UFC。圖3是兩套冷卻設備，新增加的超快冷設備UFC位于加速冷卻設備ACC之前。

圖3 超快冷UFC及ACC冷卻設備圖

軋后微觀組織的精細控制是獲得良好強韌性匹配的關鍵，因此首秦公司在良好的控軋工藝之后充分發(fā)揮UFC超快冷及ACC層流冷卻設備的特長，開發(fā)了優(yōu)化水冷工藝OCP，既實現(xiàn)了組織的精細控制，也保證了鋼板在強冷之后良好的板形。

優(yōu)化冷卻工藝OCP實際是兩個階段水冷工藝。當軋制完成的鋼板進入水冷設備后，首先在超快冷UFC中以30~35℃/s的冷速（取決于實際鋼板厚度）迅速冷卻至中溫相變溫度區(qū)間。隨后鋼板由加速冷卻ACC以20℃/s的較低冷速將鋼板冷卻至目標溫度。

圖4是優(yōu)化的冷卻工藝OCP和加速冷卻ACC工藝示意圖。對比ACC工藝，OCP工藝冷卻的鋼板能在更短的時間內被冷卻至貝氏體相變溫度。因此OCP工藝增強了鋼板軋制后的晶粒細化，冷卻的鋼板微觀組織中晶粒尺寸更為細小。另外，由于OCP工藝在第一階段冷卻中冷速更高，抑制了冷卻過程中鐵素體或珠光體組織的產生。但是，當采用ACC工藝冷卻鋼板時，在貝氏體相變開始前組織中就有可能出現(xiàn)鐵素體或珠光體，這是由于在低冷速下，相變會進入鐵素體或者珠光體相變區(qū)。如果在鋼中添加適量的Mo元素，低冷速下鐵素體或珠光體的出現(xiàn)將被抑制，但是從生產成本控制的角度來看這是不可取的。

圖4 優(yōu)化的OCP和ACC冷卻工藝示意圖

圖5是鋼板采用不同冷卻工藝下的微觀組織。ACC冷卻后得到的組織主要是貝氏體及部分多邊形鐵素體。采用OCP工藝得到的金相組織則是細化的下貝氏體及M/A組元復合的組織。ACC工藝下平均晶粒尺寸要比OCP工藝下的晶粒尺寸略大。另外OCP工藝冷卻的鋼板，其厚度截面從表面到厚度1/4，再到厚度心部的金相組織要比ACC工藝冷卻的微觀組織更為均勻、細小。

圖5 不同冷卻工藝下鋼板金相組織

OCP冷卻工藝在改善鋼板微觀組織之外還能夠保證強冷卻下鋼板的平整度，如圖6所示。采用OCP冷卻工藝后，在冷卻設備出口，鋼板的平整度要明顯好于采用ACC工藝冷卻的鋼板，鋼板板面也沒有采用ACC工藝冷卻后出現(xiàn)大量的殘存冷卻水。OCP冷卻工藝保證了鋼板整板冷卻的均勻，同時也進一步保證了鋼板整板性能的均勻。

圖6 不同冷卻工藝下鋼板出冷卻設備后的板形

2 微觀組織及板管性能

通過采用以上工藝技術，首秦公司生產了52 000 t規(guī)格為φ1 219 mm×22 mm的X80寬厚板。該鋼板具有細小粒狀貝氏體復合M/A組元微觀組織，表現(xiàn)出優(yōu)良的韌性。同時還具有較高的強度水平、低屈強比及良好的低溫止裂性能。

2.1 微觀組織分析

X80管線鋼顯微組織由細小的粒狀貝氏體+少量分散分布的M/A組元構成，且無珠光體帶狀組織，呈典型的針狀鐵素體管線鋼特征。圖7為X80管線鋼的光學顯微組織。晶粒度為12.5~13.5級，帶狀組織1~2級，夾雜物小于2級。通常在連續(xù)冷卻條件下，熱軋后空冷得到的組織主要為針狀鐵素體以及M/A組元混合組織。M/A組元的有效直徑小于1 μm時，對低溫沖擊韌性的影響不大，但當M/A組元的有效直徑超過1 μm時，低溫沖擊韌性顯著下降[16]。

圖7 X80熱軋鋼板金相組織

2.2 批量生產鋼板及鋼管的性能

管線鋼拉伸性能統(tǒng)計結果如圖8所示。

圖8 西三線X80管線鋼性能統(tǒng)計結果

根據(jù)西氣東輸二線X80熱軋鋼板技術條件，進行了20℃，0℃，-10℃，-20℃，-40℃和-60℃的系列溫度夏比沖擊試驗和落錘試驗。從試驗結果可以看出，-20℃的夏比沖擊性能和-15℃的落錘性能全部滿足西氣東輸二線X80技術條件，而且韌脆轉變溫度均低于-20℃，系列溫度試驗曲線如圖9和圖10所示。

圖9 系列溫度夏比沖擊曲線

圖10 系列溫度落錘性能試驗曲線

2.3 鋼管檢驗結果

軋制鋼板在中油寶世順JCOE生產線經過成形、焊接及擴徑等工序進行鋼管試制。從鋼管上取樣后檢驗母材橫向性能、焊縫及熱影響區(qū)韌性。

鋼管橫向拉伸性能見表2，拉伸試樣為圓棒樣。鋼管屈服強度相對于鋼板平均上升15 MPa，抗拉強度平均上升20 MPa。制管后強度的變化符合貝氏體組織包辛格效應特點。圖11是鋼管-10℃夏比沖擊檢驗結果，可見制管后鋼管沖擊功略有降低，但仍遠高于標準要求。圖12是鋼管-5℃全厚度落錘撕裂試驗結果，落錘剪切面積滿足標準要求，與鋼板-15℃檢驗結果基本相當，制管后落錘性能略有下降的趨勢。鋼管力學性能試驗結果表明，鋼管完全滿足鋼管技術標準要求。焊縫-10℃夏比沖擊功為122~175 J，熱影響區(qū)-10℃夏比沖擊功為120~230 J，均能滿足鋼管標準要求。

表2 鋼管拉伸性能（橫向，圓棒樣）

圖11 鋼管母材沖擊性能（平均值）

圖12 鋼管母材落錘性能（平均值）

3 結 論

首秦公司4 300 mm寬厚板軋機成功開發(fā)出了新的鋼板軋后冷卻工藝。通過對西氣東輸三線22 mm X80寬厚板的開發(fā)及批量生產實踐可以得出以下結論：

（1）開發(fā)出一種新的鋼板冷卻工藝并應用于厚規(guī)格X80管線鋼生產。新工藝生產的所有鋼板滿足西氣東輸三線鋼板采購技術規(guī)范要求。鋼板具有良好的強度、韌性以及抗層狀撕裂能力并具有較大的性能裕量。

（2）通過采用嚴格的TMCP以及OCP工藝，鋼板目標微觀組織實現(xiàn)了穩(wěn)定控制，也進一步保證了鋼板力學性能的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

（3）通過OCP工藝中強水冷冷卻策略的采用，節(jié)省了X80鋼級成分設計中貴重合金元素Mo的添加，降低了鋼板制造成本。

（4）通過OCP冷卻工藝的使用，鋼板冷卻均勻性得以改善，軋制的寬厚板具有良好的平直度。

（5）所有鋼板性能均良好地轉化為最終鋼管的性能。生產的φ1 219 mm×22 mm X80鋼管滿足西氣東輸三線鋼管采購技術規(guī)范要求，并成功應用于工程建設。

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