26.4 mm厚規(guī)格X80HD2管線鋼的開發(fā)

劉志剛（山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南250101）

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26.4 mm厚規(guī)格X80HD2管線鋼的開發(fā)

劉志剛
（山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南250101）

摘要：以低C高M(jìn)n為基礎(chǔ)，添加Nb、Cr、Ni、Ti、Cu等合金進(jìn)行合金體系設(shè)計，采用潔凈鋼冶金技術(shù)，通過強(qiáng)化并結(jié)合兩階段軋制和ACC多路徑層流冷卻工藝來保證鋼板的強(qiáng)度和高韌性，開發(fā)了大應(yīng)變X80HD2管線鋼。鋼板具有鐵素體+貝氏體雙相組織，橫向屈服強(qiáng)度470～568 MP，抗拉強(qiáng)度660～760 MPa，屈強(qiáng)比0.65～0.79；縱向屈服強(qiáng)度455～540 MPa，抗拉強(qiáng)度660～727 MPa，屈強(qiáng)比0.64～0.77；Rt1.5/Rt0.5均＞1.13，Rt2.0/Rt1.0均＞1.06。各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)呈正態(tài)分布。結(jié)合新開發(fā)的制管工藝，使批量生產(chǎn)的X80HD2抗大變形焊管具有良好的強(qiáng)度、大的均勻伸長率和應(yīng)力比等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：管線鋼；X80HD2；厚規(guī)格；大應(yīng)變；雙相組織；韌性

1　前　言

為了保證油氣管道設(shè)計施工的順利進(jìn)行和應(yīng)用管道的安全性、完整性，需要基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用管線鋼板。該類鋼管不但環(huán)向需要正常承壓，軸向還要承受因地面變形等引起的拉伸、壓縮、彎曲和變形的應(yīng)力，需要保證在一定的軸向變形下管道的完整性。因此，所用的鋼板除擁有一般管線鋼的力學(xué)性能外，還要具備縱向拉伸的低屈強(qiáng)比、高均勻伸長率及高應(yīng)力比，以實(shí)現(xiàn)較高的變形容量抵抗縱向屈曲，保證鋼管不被破壞?；趹?yīng)變設(shè)計地區(qū)用管線鋼板不僅能有效地解決新建管道通過地面變形地段的建設(shè)難題，而且能為已建管道的完整性提供保障。

重大偏遠(yuǎn)地帶工程對基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用管線鋼具有大量的需求，濟(jì)鋼以此為契機(jī)，開展基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80HD2管線鋼的開發(fā)，生產(chǎn)的大應(yīng)變X80HD2管線鋼板化學(xué)成分、機(jī)械性能穩(wěn)定，屈強(qiáng)比低，均勻伸長率和應(yīng)力比高，具有良好的成型性能、焊接性能、低溫韌性和抗大變形能力，安全性能和現(xiàn)場適用性高，完全滿足相關(guān)技術(shù)條件要求。

2　管線鋼板的研制及生產(chǎn)

2.1生產(chǎn)工藝路線

根據(jù)鋼板的技術(shù)要求，結(jié)合鋼廠的裝備條件，對鋼板的生產(chǎn)工藝路線進(jìn)行了設(shè)計。X80HD2管線鋼生產(chǎn)工藝路線為：高爐鐵水→KR鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐外精煉→RH脫氣→連鑄→鑄坯緩冷→檢查精整→板坯加熱爐外精煉→除鱗→粗軋→冷卻待溫→精軋→弛豫→預(yù)矯直→冷卻矯直→緩冷。

為保證鋼板低溫韌性，軋制工藝設(shè)計粗軋階段的開軋溫度＜1 050℃，采用較厚的中間坯；精軋溫度＜900℃，終軋溫度確保在Ar3相變溫度以上，并兼顧軋制過程中的板形的控制。開冷溫度滿足鐵素體+貝氏體雙相設(shè)計要求，開冷溫度控制在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)域。

2.2成分設(shè)計

基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80HD2管線鋼管要求強(qiáng)度高、低溫韌性好，還要具有低的屈強(qiáng)比、高的均勻伸長率，同時還要滿足現(xiàn)場的焊接要求。因此，以低C高錳為基礎(chǔ)，添加Nb、Cr、Ni、Ti、Cu等合金進(jìn)行合金體系設(shè)計，通過析出強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化并結(jié)合兩階段軋制和ACC多路徑層流冷卻工藝來保證鋼板的強(qiáng)度和高韌性，借助鋼板的超細(xì)化組織和相比例控制及軟硬相間的協(xié)同作用保證鋼板的抗變形性能。采用潔凈鋼冶金技術(shù)、優(yōu)化的軋制工藝控制材料的組織，以達(dá)到X80HD2寬厚鋼板高強(qiáng)度和良好韌性的合理匹配。試制鋼板的化學(xué)成分見表1（爐號4801860）。

表1　試制X80HD2管線鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

鋼板在低C高M(jìn)n加Nb、Cr、Mo、Ni等復(fù)合微合金的低成本成分設(shè)計基礎(chǔ)上，采用相對低廉的Cr替代昂貴金屬M(fèi)o以節(jié)約成本，具有較低的碳當(dāng)量（Ceq=0.42%）和冷裂紋敏感指數(shù)（Pcm=0.18%），并結(jié)合超細(xì)晶?？刂乒に嚰夹g(shù)、多相組織控制技術(shù)，配合多冷卻路徑的TMCP生產(chǎn)工藝，解決了高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度、韌性、塑性、焊接性能的兼容性難題。

3　鋼板質(zhì)量分析

3.1低倍檢驗(yàn)

連鑄過程控制穩(wěn)定，鑄坯內(nèi)在質(zhì)量良好，中心偏析控制在C類1.5以內(nèi)，中心疏松控制在0.5級以內(nèi)，無中心裂紋。良好的鑄坯質(zhì)量為后期鋼板的優(yōu)異性能奠定了基礎(chǔ)，連鑄坯（爐號4801860）橫切面低倍硫印組織如圖1所示。

3.2金相組織

X80HD2管線鋼典型的金相組織如圖2所示，鋼板組織為明顯的鐵素體加貝氏體雙相組織；鐵素體含量約40%～55%，貝氏體組織含量45%～60%。晶粒尺寸細(xì)小，多數(shù)晶粒尺寸＜3 μm（見圖3），晶界多為大角度晶界（見圖4）。

圖1　X80HD2連鑄坯橫切面低倍酸洗組織

圖2　X80HD2鋼板典型金相組織（爐號14S8-01861，批號14T-036669）

圖3　X80HD2鋼板晶粒尺寸統(tǒng)計

圖4　X80HD2鋼板晶界分布統(tǒng)計

3.3力學(xué)性能

圖5為X80HD2鋼板性能直方圖，可以看出，鋼板性能整體控制良好，橫向屈服強(qiáng)度470～568 MPa，平均508 MPa，抗拉強(qiáng)度660～760 MPa，平均700 MPa，屈強(qiáng)比0.65～0.79，平均0.73；縱向屈服強(qiáng)度455～540 MPa，平均495 MPa，抗拉強(qiáng)度660～727 MPa，平均691 MPa，屈強(qiáng)比0.64～0.77，平均值0.71；應(yīng)力比指標(biāo)Rt1.5/Rt0.5均＞1.13，Rt2.0/Rt1.0均＞1.06。各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)呈正態(tài)分布，鋼板各性能指標(biāo)控制比較穩(wěn)定。

3.4鋼板韌性

圖6是X80HD2管線鋼在-20℃夏比沖擊性能，圖7是-15℃DWTT性能指標(biāo)，可以看出，鋼板夏比沖擊功最大452 J，最小210 J，平均320 J，沖擊試樣沖擊剪切面積最大值、最小值和平均值均為100%；落錘剪切面積最小值85%，最大值95%，平均值90%。X80HD2管線鋼鋼板各項(xiàng)韌性性能穩(wěn)定，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

隨著溫度的降低，鋼板的縱橫向沖擊韌性均下降，但即使降到-100℃，平均沖擊功仍然保持了較高水平；鋼板橫縱向纖維斷面率在-60℃仍然保持在95%以上（見圖8）。X80HD2鋼板試樣沖擊斷口形貌見圖9，落錘斷口形貌見圖10。

由圖10可以看出，隨溫度降低，落錘性能降低，但在-20℃時落錘剪切面積仍然在85%以上，該斷裂主要以韌性斷裂為主，直到-40℃時落錘剪切面積才開始明顯惡化，說明材料有很好的低溫韌性。

4　X8OHD2管線鋼管的性能分析

4.1時效前鋼管性能

4.1.1橫向拉伸性能

對其中30支鋼管取橫向圓棒試樣進(jìn)行了抽檢，鋼管橫向屈服強(qiáng)度557～638 MPa，平均591 MPa；橫向抗拉強(qiáng)度672～747 MPa，平均706 MPa，伸長率24%～31%，平均28%，屈強(qiáng)比0.80～0.91，平均0.84，橫向拉伸性能統(tǒng)計見圖11。

4.1.2縱向拉伸性能

管體縱向拉伸試樣取自管體與焊縫成90°方向，試樣寬度為38.1 mm，標(biāo)距為50 mm，試驗(yàn)按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。鋼管均勻伸長率（UEL）為7.3%～10.7%，平均9.1%；Rt1.5/Rt0.5為1.101～1.214，平均1.143；屈服強(qiáng)度為510～587 MPa，平均546 MPa。性能統(tǒng)計見圖12。

圖5　X80HD2鋼板性能直方圖

圖6　X80HD2鋼板-20℃沖擊功分布

圖7　X80HD2鋼板-15℃落錘性能分布

圖8　鋼板沖擊功和剪切面積隨溫度的變化

圖9　X80HD2鋼板試樣沖擊剪切面積形貌

圖10　X80HD2鋼板試樣DWTT系列溫度斷口形貌

圖11　X80HD2鋼管時效前橫向拉伸性能

4.2時效后鋼管性能

4.2.1縱向拉伸性能

母材在（200±5）℃下時效后取樣進(jìn)行板狀縱向拉伸試驗(yàn)。均勻伸長率（UEL）為6.5%～9.2%，平均7.8%；屈服強(qiáng)度533～625 MPa，平均574 MPa；Rt1.5/Rt0.5為1.070～1.167，平均為1.100；Rt2.0/Rt1.0為1.044～1.086，平均為1.057。各項(xiàng)指標(biāo)富余量合理，鋼管時效后的縱向拉伸性能統(tǒng)計情況見圖13。

圖12　X80HD2鋼管時效前縱向拉伸性能分布

圖13　X80HD2鋼管時效后縱向拉伸性能分布

4.2.2鋼管韌性

鋼管試樣分別在20℃、0℃、-5、-10、-20、-40℃系列溫度下進(jìn)行DWTT試驗(yàn)，-40℃落錘撕裂面積：縱向可達(dá)到90%～95%，橫向可達(dá)到65%～80%。鋼管母材具有優(yōu)良的低溫韌性。系列溫度下的落錘撕裂面積數(shù)據(jù)及曲線如圖14所示。

圖14　X80HD2鋼管系列溫度落錘試驗(yàn)

5　與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較

濟(jì)鋼生產(chǎn)的X80HD2鋼和日本JFE公司生產(chǎn)的板管主要性能對比見表2［1］?？煽闯?，濟(jì)鋼X80HD2管線鋼橫向拉伸性能強(qiáng)度稍低，屈服強(qiáng)度比JFE產(chǎn)品低35 MPa左右，屈強(qiáng)比相近；時效前鋼管縱向屈服強(qiáng)度低40 MPa左右，屈強(qiáng)比、應(yīng)力比、均勻伸長率（UEL）優(yōu)于JFE，時效后，屈服強(qiáng)度低40 MPa左右，屈強(qiáng)比、應(yīng)力比優(yōu)于JFE產(chǎn)品，UEL相近；母材夏比沖擊韌性制管后JFE產(chǎn)品平均245 J，濟(jì)鋼平均282 J，濟(jì)鋼產(chǎn)品高約40 J。與采用JFE鋼板所制鋼管對比，濟(jì)鋼X80HD2管線鋼管橫向及縱向強(qiáng)度略低，屈強(qiáng)比、應(yīng)力比、均勻伸長率、沖擊韌性等均優(yōu)于或接近JFE鋼板。

表2　濟(jì)鋼生產(chǎn)的X80HD2和JFE生產(chǎn)板管主要性能對比

6　結(jié)　論

6.1濟(jì)鋼研發(fā)的X80HD2鋼管線鋼板化學(xué)成分、機(jī)械性能穩(wěn)定，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比低、均勻伸長率和應(yīng)力比高，具有良好的成型性能、焊接性能和抗大變形能力。

6.2濟(jì)鋼批量生產(chǎn)的大應(yīng)變X80HD2管線鋼板經(jīng)制管，符合中亞D線天然氣管道工程基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80級管線鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合西氣東輸三線天然氣管道工程基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用X80級管線鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6.3濟(jì)鋼已完全掌握了大應(yīng)變X80HD2管線鋼板的生產(chǎn)工藝技術(shù)，具備批量生產(chǎn)供貨26.4 mm厚及以下規(guī)格基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)天然氣管道工程用大應(yīng)變X80HD2管線鋼板的能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳妍，毛艷麗.日本高強(qiáng)度管線鋼的生產(chǎn)概述［J］.焊管，2009，32（3）：12-13.

Development of 26.4 mm Thick Specification X80HD2 Pipeline Steel

LIU Zhigang
（The Technology Center of Jinan Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstrraacctt:: Based on low C and high manganese content, Nb, Cr, Cu, Ni, Ti and other Alloying elements were added for design the alloy system. Using clean steel metallurgy technology alloy system, strengthening and combining with the two stage rolling and ACC multi path laminar cooling process to ensure the strength and toughness, the X80HD2 steel plate with the large strain was developed. The transverse yield strength of the steel plate with ferrite + bainite dual phase structure is 470-568 MPa, the transverse tensile strength is 660-760 MPa and the Rt0.5/Rmis 0.65-0.79. The longitudinal yield strength of the plate is 455-540 MPa, the longitudinal tensile strength is 660-727 MPa and the Rt0.5/Rmis 0.64-0.77, the Rt1.5/Rt0.5is more than 1.13 and the Rt2.0/Rt1.0is more than 1.06. All the intensity indexes meet the requirements of the Standard and the performance indexes show a normal distribution. Combing with the newly developed pipe manufacture process, the X80HD2 welding pipe with anti deformation property put into mass production have good strength and large uniform elongation and stress ratio.

Key worrddss:: pipeline steel; X80HD2; thick specification; large strain; double phase structure; toughness

作者簡介：劉志剛，男，1981年生，2005年畢業(yè)于東北大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司技術(shù)中心管線鋼推進(jìn)部部長，從事管線鋼研究及開發(fā)工作。

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號：TG142.41；TF762

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0009-05