大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管的在線熱處理工藝研究

黃電源，張業(yè)圣

（衡陽華菱鋼管有限公司技術中心，湖南 衡陽 421001）

隨著世界能源格局的變化，以及我國對石油、天然氣開采與應用力度的加大，高鋼級管線鋼得以快速發(fā)展。雖然國內X70鋼級鋼板及焊接管線鋼的生產已趨于成熟，但對于服役環(huán)境惡劣的地區(qū)，焊接鋼管并不能滿足實際需要；因此，高鋼級管線用無縫鋼管應運而生。目前，大直徑厚壁高鋼級管線用無縫鋼管在國內一直是研發(fā)生產難點。

針對客戶的技術要求，衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）在生產X65鋼級及小直徑X70鋼級管線用無縫鋼管的基礎上，利用Φ720 mm周期軋管機組及在線熱處理設備，進行了Φ406.4 mm×23.8 mm規(guī)格X70QS鋼級管線用無縫鋼管的研制，成功開發(fā)了具有高強度、高韌性以及良好耐蝕性的大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管。

1 化學成分

X70QS鋼級管線鋼屬于高鋼級抗酸性管線鋼，不僅具有較高的強度、良好的低溫韌性，而且具有良好的耐腐蝕性。因此，綜合考慮X70QS鋼級管線鋼的技術要求，并結合華菱衡鋼的生產實際，采取以低碳-錳-鈮系為基礎，再適量添加釩、鈦等微合金化元素的設計思路，同時嚴格控制鋼中磷、硫、氮、氫、氧等雜質元素含量。

低碳（≤0.1%）有助于改善鋼的沖擊韌性、塑性等。較低的碳含量可減輕鋼在凝固時的偏析程度，對改善組織均勻性、提高抗氫致開裂（HIC）能力具有積極作用［1］。

錳不僅具有固溶強化作用，還可以推遲鐵素體-珠光體轉變，有利于形成細晶粒組織。

鈮通過其溶質拖曳作用和形成碳化物、氮化物，顯著延遲奧氏體再結晶，提高奧氏體再結晶溫度。

釩、鈦在熱加工過程中能影響奧氏體晶粒，實現(xiàn)晶粒細化。同時，在軋制過程中，釩、鈦會在鐵素體基體上析出彌散分布的不可變形的碳氮化物質點而使強度增加［2］。

鉬可擴大γ相區(qū)，抑制多邊形鐵素體形成，促進針狀鐵素體轉變，提高鋼的強度和沖擊韌性。

Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS鋼級管線用無縫鋼管的化學成分（質量分數(shù)）見表1。從表1可看出：X70QS鋼級管線用無縫鋼管的碳含量（ ∧0.10%）低，適量的錳和鉬，鈮、鈦復合微合金化，雜質元素硫、磷含量都比較低，純凈度較高，完全滿足API Spec 5L—2013《管線鋼管》標準對X70QS鋼級的技術條件要求［3］。

表1 Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS鋼級管線用無縫鋼管的化學成分（質量分數(shù)） %

2 熱處理工藝

X70QS鋼級無縫鋼管屬于高鋼級抗腐蝕產品，在生產中應采用淬火+回火的調質熱處理工藝，使產品性能達到API Spec 5L—2013標準與客戶要求。依據(jù)X70QS鋼級管線用無縫鋼管的化學成分及熱處理工藝理論公式（Ac3=854-180C-14Mn+44Si-17.8Ni-1.7Cr）［4］，確定 X70QS 鋼級管線用無縫鋼管的Ac3溫度為835℃，從而設計出X70QS鋼級管線用無縫鋼管在線水淬熱處理工藝方案。通過利用定徑變形后的余熱以及控制水淬過程的冷卻［5-6］，對鋼管進行在線淬火，從而直接獲得理想、均勻的微觀組織。

在線淬火的具體實施工藝方案為：鋼管在Φ720 mm周期軋管機組熱軋生產后在冷床緩慢冷卻到520℃，隨后再進入加熱爐進行奧氏體化。如果加熱溫度過低，則材料內還存在未溶解的碳化物，奧氏體組織不均勻，奧氏體中固溶的碳和合金元素含量偏低，淬火后的強度會偏低；如果加熱溫度過高，則奧氏體晶粒粗大［4］。因此，根據(jù)Ac3溫度以及試驗鋼管出爐后的溫降情況，選擇其加熱溫度為920℃，保溫60 min。鋼管沿運輸輥道出步進爐后，用手提式測溫儀跟蹤測試鋼管溫度。在定徑變形時，鋼管的溫度為860℃，變形量為10%。定徑變形完成之后快速水淬，從而確保鋼管入水溫度不低于Ac3，冷卻速度大于40℃/s。其中，水淬方式采用內噴外淋，內噴水量為3 200 m3/h，外淋水量1 600 m3/h。X70QS鋼級管線用無縫鋼管的在線熱處理工藝流程如圖1所示。

圖1 X70QS鋼級管線用無縫鋼管的在線熱處理工藝流程

為了進一步分析在線淬火對X70QS鋼級管線用無縫鋼管的影響，試驗同時也進行了離線淬火熱處理工藝，鋼管從室溫加熱到920℃、保溫60 min，之后鋼管沿運輸輥道出步進爐到淬火槽，采用手提式測溫儀測定鋼管入水淬火溫度為860℃，水淬方式為內噴外淋。X70QS鋼級管線用無縫鋼管的離線熱處理工藝流程如圖2所示。

隨后，對兩種淬火工藝生產的X70QS鋼級管線用無縫鋼管在560℃進行回火處理，在爐保溫90 min。按API Spec 5L—2013標準進行拉伸試驗、沖擊試驗和硬度試驗，并切取金相試樣，經研磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學顯微鏡下觀察不同熱處理工藝對應的微觀組織。

圖2 X70QS鋼級管線用無縫鋼管的離線熱處理工藝流程

3 組織與性能

3.1 微觀組織

圖3所示為X70QS鋼級管線用無縫鋼管在線淬火后的微觀組織，表層和心部的淬火組織均為典型的針狀鐵素體組織，晶粒度為10級。X70QS鋼級管線用無縫鋼管離線淬火后的微觀組織如圖4所示，表層組織為針狀鐵素體，但心部為珠光體和多邊形鐵素體組織。

圖3 X70QS鋼級管線用無縫鋼管在線淬火后的微觀組織

圖4 X70QS鋼級管線用無縫鋼管離線淬火后的微觀組織

在線淬火和離線淬火的表層冷卻速度完全大于臨界冷卻速度［7］；因此，X70QS鋼級管線用無縫鋼管經淬火后的表面均能形成針狀鐵素體組織。但對比圖3（a）和圖4（a），在線淬火方式產生的針狀鐵素體數(shù)量更多，并且尺寸更細小。其主要原因是：在線淬火過程中，奧氏體晶粒經過定徑變形后，單位體積內的有效晶界面積增加，貝氏體形核位置增多，從而提高針狀鐵素體形核的有效晶界面積［8］，提高針狀鐵素體的形核率，最終細化針狀鐵素體晶粒。

對于大直徑厚壁管線用無縫鋼管的熱處理，由于熱傳導的阻礙，鋼管從表層到心部的實際冷卻速率不相同，表層的冷卻速率快，心部的冷卻速率較慢。當無應變（定徑變形）時，冷卻速率是影響碳原子擴散的主要因素［9］；因此，當鋼管心部的冷卻速率低于臨界冷卻速率時，心部只能得到多邊形鐵素體+珠光體組織，如圖4（b）所示。

文獻［10］指出：在相同冷卻速率下，存在變形時的Bs比無應變時高30～80℃；因此變形對貝氏體轉變起到了明顯的促進作用，而針狀鐵素體從本質上是屬于低碳鋼的一種貝氏體組織。同時，在線熱處理過程中的定徑變形所引起的形變能促進奧氏體晶粒變形和晶粒轉動，使晶界處的原子混亂度增大，從而增大晶界能，促進貝氏體的轉變［11］。因此，相比離線淬火，經在線淬火后的X70QS鋼級管線用無縫鋼管，其心部更容易形成針狀鐵素體，如圖 3（b）所示。

3.2 力學性能

對于大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管，離線熱處理所得到的表層和心部組織相差較大，其內、中、外硬度值差異較大，導致鋼管性能不均，從而影響鋼管的力學性能。而X70QS鋼級管線用無縫鋼管在線熱處理得到的屈服強度、硬度和低溫（-20℃）沖擊值明顯提高，并且均勻性較好，管體橫向沖擊試樣斷口剪切面積為100%，X70QS鋼級管線用無縫鋼管的力學性能如圖5所示，其硬度見表2。其主要原因是：在線熱處理后，X70QS鋼級管線用無縫鋼管的表層和心部均是針狀鐵素體組織，以及位于晶界的細小彌散貝氏體粒。針狀鐵素體組織相當于短纖維增強和顆粒增強的復合材料。短纖維具有使裂紋偏轉反射的作用，而位于晶界的貝氏體?？梢允棺冃沃械奈诲e釘扎，從而使材料強度進一步提高［12］。同時，針狀鐵素體具有較高的韌性，裂紋在擴展過程中不斷受到彼此咬合、互相交錯分布的針狀鐵素體的阻礙，呈波浪起伏狀擴展，所以裂紋擴展速度降低。

圖5 X70QS鋼級管線用無縫鋼管的力學性能（試驗溫度-20℃，取橫向10 mm×10 mm試樣）

表2 X70QS鋼級管線用無縫鋼管的硬度HV10

因此，利用在線熱處理生產工藝能極大地提高大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管的強度和韌性，使產品獲得良好的綜合性能。

3.3 耐腐蝕評價試驗

將在線熱處理工藝生產的大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管試樣送中國石油集團石油管工程技術研究院進行抗硫化物應力腐蝕開裂（SSC）以及 HIC 試驗［13］。

3.3.1 SSC試驗

SSC試驗采用 NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕》標準A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH溶液，試驗前pH值為2.6~2.8。將試樣置于密閉容器中，保持常溫（25±3）℃、常壓。試驗期間，試驗容器內連續(xù)通入H2S氣體，出氣口維持較低的通氣速率（每分鐘幾個氣泡），從而保持H2S的濃度及容器內微小的正壓，阻止空氣通過小的縫隙泄漏進入試驗容器。經過720 h試驗后，再以100 mL/min的速率通氮氣排除H2S氣體，取出試驗試樣。

圖6所示為X70QS鋼級管線用無縫鋼管的SSC四點彎曲試樣形貌。試樣在10倍放大鏡下觀察均未產生裂紋。

圖6 X70QS鋼級管線用無縫鋼管的SSC四點彎曲試樣形貌

X70QS鋼級在線熱處理得到的針狀體素體組織更為細小均勻，得到更多能承受氫壓的晶粒，使得X70QS鋼級管線鋼的臨界應力顯著提高，從而大幅度提高其抗SSC性能。因此，通過在線熱處理技術，大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管能獲得優(yōu)良的抗SSC性能。

3.3.2 HIC試驗

按NACE TM 0284—2003《管道、壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價的試驗方法》標準進行HIC試驗。96 h試驗后，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡等缺陷；在放大100倍的情況下觀察試樣剖面形貌，無HIC裂紋產生，裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）均為0。

HIC試驗說明采用在線熱處理生產的X70QS鋼級管線用無縫鋼管具有良好的抗HIC能力。

4 結 論

（1）采用新型的在線熱處理生產工藝，成功研制和批量生產出適用于酸性環(huán)境下長距離油氣輸送的大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管。利用軋制后的再加熱+定徑工藝的在線淬火熱處理方式，鋼管的表層和心部均能獲得針狀鐵素體組織，極大地改善了大直徑厚壁X70QS鋼級管線用無縫鋼管的內部組織結構，從而獲得優(yōu)良、均勻的綜合性能。

（2）與傳統(tǒng)的離線熱處理相比，在線熱處理工藝省去了再加熱奧氏體化過程，簡化了生產工藝，降低了能耗，提升了產品的市場競爭力。

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