厚規(guī)格高級別管線鋼X80的研究與開發(fā)

供稿|徐勇，文小明 / XU Yong, WEN Xiao-ming

厚規(guī)格高級別管線鋼X80的研究與開發(fā)

Research and Development of Thickness High Grade Pipeline Steel X80

供稿|徐勇，文小明 / XU Yong, WEN Xiao-ming

作者單位：本鋼集團(tuán)公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了本鋼2300熱連軋生產(chǎn)線上生產(chǎn)的供中石油天然氣管道用鋼X80的生產(chǎn)工藝、金相組織以及產(chǎn)品性能。研究了軋制工藝對產(chǎn)品性能和金相組織的影響。厚度為21.4 mm的X80管線鋼經(jīng)制管后具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如較高的強(qiáng)度，較高的伸長率與較低的屈強(qiáng)比，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度波動范圍小等優(yōu)點，滿足中石油建設(shè)安全與高效天然氣管道項目的嚴(yán)格要求。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速增長，對煤炭、石油和天然氣等能源的需求將會持續(xù)增長，為解決中國出現(xiàn)的環(huán)境污染問題，大力發(fā)展石油和天然氣是我國能源發(fā)展的必然趨勢。目前，中國政府正努力從中亞和俄羅斯通過管道來進(jìn)口大量天然氣。采用高壓力和大管徑管道來輸送石油和天然氣是最經(jīng)濟(jì)與最安全的運(yùn)輸方式，因此需要建設(shè)更高強(qiáng)度和更大管徑的管道項目[1]。在厚度18.4 mm，φ1219 mm的X80管線鋼成功應(yīng)用在西二線和西三線的基礎(chǔ)上，本鋼開始對厚度21.4 mm管線鋼X80的進(jìn)行研究與開發(fā)，其熱軋卷板規(guī)格為21.4 mm×1600 mm，所制鋼管為螺旋埋弧焊管φ1422 mm將應(yīng)用在中俄天然氣管道東段800 km左右的試驗段。隨著鋼板厚度的增加，鋼板厚度方向邊部和心部組織的不均勻性也增加，在保證鋼板具有較高的韌性的同時還要使其具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，為此，必須保證未再結(jié)晶區(qū)的累積變形量與低溫軋制，熱連軋機(jī)組的特點在以上方面將很難達(dá)到，因此，進(jìn)行厚規(guī)格高級別管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)研究具有重大意義。本鋼采用2300熱連軋，通過設(shè)計合理的化學(xué)成分與軋制工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足中石油“天然氣輸送管道(φ1422 mm×21.4 mm)管材技術(shù)規(guī)范第1部分：X80級螺旋縫埋弧焊管用熱軋卷板技術(shù)條件”標(biāo)準(zhǔn)。

化學(xué)成分及軋制工藝

眾所周知，在高級別管線中，隨著鋼級的升高，韌性降低而屈強(qiáng)比明顯的升高，因為顯微組織從針狀鐵素體變?yōu)榘鍡l狀貝氏體/馬氏體組織。為避免形成珠光體和馬氏體相，最大碳含量不得超過0.06%，同時，無論是從經(jīng)濟(jì)因素還是從最優(yōu)的力學(xué)性能來考慮，碳含量不宜小于0.03%。錳含量最高添加到1.85%，這有利于抵消由于較低的碳含量造成的強(qiáng)度損失。此外，錳元素對于穩(wěn)定奧氏體是非常有效的，考慮到降低冷卻速率，添加一定量的Mo來限制在層冷過程中和卷取后多邊形鐵素體的形成。另外，添加一些Nb元素來確保獲得強(qiáng)度和韌性的良好匹配。作為微合金化元素Nb，它的突出作用是顯著的推遲再結(jié)晶溫度，還可以起到細(xì)化晶的作用，尤其在鋼板厚度方向心部位置。除了以上合金元素外，考慮到成本的因素，可以適當(dāng)?shù)奶砑覥r元素來提高強(qiáng)度(表1)。

在本鋼2300 mm熱連軋機(jī)組上采用TMCP工藝生產(chǎn)的厚度21.4 mm X80鋼，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對拉伸性能、夏比沖擊功與硬度進(jìn)行了分別測試。

試驗結(jié)果與討論

顯微組織

圖1為卷取溫度為400 ℃的金相顯微組織，針狀鐵素體中彌散分布M-A島，并且存在細(xì)小的準(zhǔn)多邊形鐵素體以及GB，M-A組元細(xì)小，分布均勻，數(shù)量適中，鋼板厚度方向組織均勻，無明顯差異，DWTT測試合格(圖2)。

表1　21.4mm X80鋼化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

圖1　21.4 mmX80鋼卷取溫度400℃厚度方向顯微組織形貌. (a) 心部組織；(b) 邊部組織

因為冷卻速度較高，針狀鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度較低，相變驅(qū)動力越大，碳原子的擴(kuò)散不充分，鐵素體/奧氏體相界面碳富集不充分，低溫時不能轉(zhuǎn)變?yōu)镸-A，導(dǎo)致針狀鐵素體內(nèi)的M-A島變得細(xì)小，分布也更彌散。因此適當(dāng)?shù)目炖淇梢詼p少島狀物的百分含量，并使其細(xì)而彌散的分布于基體中，隨著冷速減緩，M-A百分含量增加，其尺寸增大。圖3是卷取溫度為480℃的金相組織，試樣組織中除AF外還出現(xiàn)較大的PF，而且晶粒較粗大，最終導(dǎo)致DWTT不合(圖4)，由于卷取溫度較高，針狀鐵素體轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行完全，在冷卻過程中形成多邊形鐵素體，或塊狀轉(zhuǎn)變，然后在冷卻過程中逐漸形成不同類型的混合組織，組織較粗大。

力學(xué)性能

21.4 mm X80管線鋼鋼板力學(xué)性能見表2，從表2可以看出屈服強(qiáng)度為555~635 MPa，抗拉強(qiáng)度為708~746 MPa，此外，屈強(qiáng)比低于0.88并且韌性優(yōu)良。圖5是X80鋼板系列溫度下的沖擊功試驗，試樣方向為與板卷軋制方向30°，V型缺口，測定不同溫度對應(yīng)的沖擊功值，并根據(jù)試驗結(jié)果做出沖擊韌性與溫度關(guān)系曲線，低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度為-20℃以下。圖6為DWTT隨溫度變化關(guān)系，在-20℃以下，DWTT惡化。

圖2　DWTT合格試樣的斷口SEM形貌. (a) 斷口試樣未腐蝕的組織形貌；(b) 斷口試樣腐蝕后的組織形貌

圖3　21.4 mmX80鋼卷取溫度480℃厚度方向顯微組織形貌. (a) 厚度方向心部組織；(b) 斷口附近微裂紋分布

圖4　DWTT不合試樣的斷口SEM形貌. (a) 斷口試樣未腐蝕的組織形貌；(b) 斷口試樣腐蝕后的組織形貌

表2　21.4 mm X80管線鋼鋼板力學(xué)性能

用厚度21.4 mmX80鋼板制成φ1422mm螺旋埋弧焊鋼管，制管后的力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表3，表明X80鋼管的屈服強(qiáng)度約為630~670 MPa，抗拉強(qiáng)度為745~775 MPa，平均屈強(qiáng)比為0.85，最大伸長率達(dá)到了23%，在-20℃最大沖擊功為300 J，并且在-15℃下DWTT最小值為87%，性能波動較小。穩(wěn)定的力學(xué)性能表明厚度21.4mm X80管線鋼取得了工業(yè)化生產(chǎn)的能力。

圖5　21.4mm X80鋼板夏比沖擊功隨著溫度變化關(guān)系

圖6　21.4mm X80鋼板DWTT隨著溫度變化關(guān)系

表3　21.4mm X80管線鋼螺旋埋弧焊管力學(xué)性能

討論

DWTT試樣斷裂后的顯微裂紋見圖3和圖4，斷裂部位附近存在大量M-A組元，分析認(rèn)為由于鋼板較厚，兩側(cè)冷卻速率存在一定差異，冷卻后，由于心部與邊部存在溫度梯度，卷取后返熱嚴(yán)重，在卷取機(jī)內(nèi)因定型水持續(xù)噴射在外圈引起最外圈鋼板兩側(cè)冷卻速率不同，最終導(dǎo)致組織差異。此外定型水也引起局部冷卻速率過大，引起M-A組元增加。

結(jié)論

(1) 本鋼2300熱連軋機(jī)組生產(chǎn)的厚度21.4 mm X80管線鋼，屈服強(qiáng)度為555~635 MPa，抗拉強(qiáng)度為708~746 MPa，性能波動小，并且低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度為-20 ℃以下，屈強(qiáng)比低于0.88，制管后在-20 ℃DWTT值達(dá)到了93%，韌性優(yōu)良。

(2) 生產(chǎn)厚度21.4 mm X80過程中，當(dāng)卷取溫度過高時，導(dǎo)致組織出現(xiàn)較大的準(zhǔn)多邊形鐵素體，不僅大幅度降低板材的強(qiáng)度值，同時對沖擊功、DWTT等韌性指標(biāo)也急劇惡化，組織細(xì)化不足。當(dāng)卷取溫度偏低時，M-A組元體積百分?jǐn)?shù)增加，容易在厚度方向心部出現(xiàn)M-A的偏析帶，惡化板材的惡化板材的DWTT值，同時也可降低板材的沖擊功值。

(3) 在生產(chǎn)厚規(guī)格X80時，卷取機(jī)定型水長時間對鋼卷外圈冷卻，易造成外圈組織出現(xiàn)大量M-A組元，導(dǎo)致DWTT不合。

作者簡介：徐勇(1979.9—)，男，碩士，工程師。

DOI：10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.07