22mm超大壁厚X80熱軋板卷頭、尾性能分析

陳 楠 ，高俊星 ，張 楠 ，郭曉東 ，王海生 ，陳 曦

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備第一機(jī)械廠，河北 青縣 062658）

對于天然氣輸送管道的設(shè)計和建設(shè)，在不影響其運(yùn)行安全可靠性的前提下，如何最大限度地降低工程投資成本、提高管線運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，一直是管道業(yè)界長期關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，國際上主要采用大幅提高單管輸量的方法來降低管道建設(shè)成本，而提升管輸效率最有效的辦法則是增加鋼管直徑和壁厚[1]。近年來，隨著西氣東輸三線、中俄東線等國內(nèi)外重大管道工程陸續(xù)開工建設(shè)，我國X80 螺旋埋弧焊管產(chǎn)品的最大壁厚已達(dá)22 mm[2]。管材壁厚增加導(dǎo)致厚度方向組織不均勻度增大，同時，由于熱軋板卷在軋制過程中受壓下量、終軋溫度、冷卻速度、卷取溫度等因素影響，造成板卷頭、尾性能不穩(wěn)定區(qū)域出現(xiàn)。為檢測不同鋼廠生產(chǎn)的22 mm X80 板卷頭、尾性能，對 X80 鋼級 Φ1 219 mm×22 mm 螺旋埋弧焊管對應(yīng)的熱軋板卷頭、尾部拉伸性能、沖擊韌性、DWTT 性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案

采用國內(nèi) 2 家鋼廠（A 鋼廠、B 鋼廠）生產(chǎn)的 X80 鋼級 1 550 mm×22 mm 熱軋板卷，分別生產(chǎn)Φ1 219 mm×22 mm 螺旋埋弧焊管。分別抽取兩家鋼廠各6 卷板卷（均不同爐）進(jìn)行制管后，對板卷頭部（外圈）1～3 m 處和尾部（內(nèi)圈）1.5～5.5 m 處相應(yīng)管段的性能進(jìn)行檢測[3]。在檢測區(qū)域內(nèi)，按對應(yīng)板卷長度方向每間隔1 m進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，鋼管取樣對應(yīng)位置及編號規(guī)則見表1。試驗(yàn)項(xiàng)目包括管體橫向的拉伸（2 組）、沖擊和DWTT 試驗(yàn)。

表1 Φ1219mm×22mm螺旋埋弧焊管取樣位置

1.2 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)采用標(biāo)距內(nèi)直徑為12.7 mm 的圓棒試樣，對應(yīng)管體橫向試驗(yàn)，按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn) 《鋼制品機(jī)械試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，在室溫下采用CMT5305 微機(jī)控制電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測。

夏比沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)V 形夏比沖擊缺口試樣，對應(yīng)管體橫向試驗(yàn)，按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)，在-10℃下采用ZBC2752N-3 微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測。DWTT 試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn) V 形DWTT 缺口試樣，對應(yīng)管體橫向，按照 SY/T6476 標(biāo)準(zhǔn)，在 0℃下采用 JL-50000 落錘撕裂試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測。

2 試驗(yàn)材料

兩家鋼廠熱軋板卷化學(xué)成分見表2。由表2可以看出，成分設(shè)計上，兩家鋼廠均采用了低C、高 Mn 和 Mo-Cr-Ni 合金設(shè)計體系，同時通過添加一定量的Nb、V、Ti 等微合金元素實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶粒細(xì)化等作用，控制CEPcm≤0.20%。

具體來看，C 含量、碳當(dāng)量分別控制在較低的水平，為材料獲得良好的可焊性奠定了基礎(chǔ)；采用高的Mn 含量能一定程度上彌補(bǔ)了低C 的固溶強(qiáng)化損失，并且 Mn 還降低了 γ-α 相變的溫度，促使奧氏體向針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變，提高了X80 鋼的韌性[4]；高Nb 設(shè)計主要是擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，大量彌散細(xì)小析出的Nb（C，N）為相變提供了形核位置，從而可以顯著細(xì)化晶粒，進(jìn)而使X80 鋼的低溫韌性增加[5]；添加適當(dāng)?shù)腗o 可實(shí)現(xiàn)在較寬的冷速區(qū)間內(nèi)均形成針狀鐵素體組織，改善厚壁板材表面及芯部的冷卻均勻性，細(xì)化心部組織[6]；鑒于對鋼材性能的高標(biāo)準(zhǔn)的要求，Ni、Cr、Cu 元素的適量添加，進(jìn)一步增強(qiáng)了 X80 鋼的強(qiáng)韌性；同時，嚴(yán)格控制S、P含量，不僅減少鋼的成分偏析和帶狀組織，而且提高了 X80 鋼的抗 HIC 和抗 SSCC 能力。提供原料的兩家鋼廠在V 的使用上有所差異，A 鋼廠產(chǎn)品成分中含有0.026%的V，而B 鋼廠幾乎沒有添加V。

表2 國內(nèi)兩家鋼廠熱軋板卷化學(xué)成分 %

3 試驗(yàn)結(jié)果

兩家鋼廠板卷頭、尾部對應(yīng)管體橫向拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度點(diǎn)狀分布如圖1～圖2所示。夏比沖擊功點(diǎn)狀分布如圖3所示，兩家鋼廠板卷頭、尾部對應(yīng)管體橫向-10℃夏比沖擊韌性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。0℃管體橫向DWTT 剪切面積均為100%。

表3 兩家鋼廠板卷頭、尾對應(yīng)管體橫向拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 管體橫向屈服強(qiáng)度

圖2 管體橫向抗拉強(qiáng)度

圖3 管體橫向-10℃夏比沖擊功

表4 板卷頭、尾對應(yīng)管體橫向-10℃夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 分析與討論

（1）從表3、表4 可以看出，A 鋼廠板卷制管后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度平均值分別比B 鋼廠高 33 MPa 和 28 MPa，而 B 鋼廠-10℃夏比沖擊功平均值比 A 鋼廠高32 J。從表2化學(xué)成分上分析，造成兩家鋼廠產(chǎn)品強(qiáng)韌性匹配差異的原因可能與是否添加微合金元素V 有關(guān)。V 具有顯著的沉淀強(qiáng)化作用，在大量生產(chǎn)統(tǒng)計基礎(chǔ)上，添加0.025%的V 可以使鋼的強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)[7]，但V 又是強(qiáng)烈的碳氮化物形成元素，V 的析出不利于管線鋼的低溫韌性，兩家鋼廠在V 的使用上應(yīng)該是鋼強(qiáng)韌性匹配綜合考慮的結(jié)果。

（2）以上力學(xué)性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，A、B 兩家鋼廠板卷制管后對應(yīng)板卷頭、尾部的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)條件的規(guī)定，板卷在制管后整體性能優(yōu)良。從圖1～圖3點(diǎn)狀分布來看，板卷頭、尾部個別區(qū)域的強(qiáng)度、韌性存在一定的離散度，但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，距標(biāo)準(zhǔn)要求均具有較大的安全裕度，這種離散度是可以接受的。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在板卷強(qiáng)度、韌性離散處與性能穩(wěn)定處取樣進(jìn)行金相檢測分析，具體取樣位置為距板頭（外圈）1.0 m，距板尾（內(nèi)圈）1.5 m，距板尾（內(nèi)圈）2.5 m，距板尾（內(nèi)圈）3.5 m，顯微組織形態(tài)如圖4所示。通過顯微組織評級，板頭主要以GB+QF+M/A 為主，晶粒度 12.0級；板尾 1.5 m 處主要以 QF+PF+P 為主，晶粒度 10級；板尾 2.5 m 處主要以 GB +QF+M/A 為主，晶粒度 11.5級；板尾3.5 m 處組織主要以GB+QF+M/A 為主，晶粒度為 12.0級[8-10]。

圖4 板卷不同位置處顯微組織

從各位置組織分析可知，距板尾1.5 m 處的組織形態(tài)為QF+PF+P 與其他區(qū)域以GB 為主的組織形態(tài)有明顯差異。這是由于軋后控冷階段采用高效冷卻噴水裝置，對卷板上、下表面進(jìn)行精準(zhǔn)強(qiáng)制冷卻，以達(dá)到合適的冷卻速度。但在板卷尾部（內(nèi)圈）為了便于卷取，采用不噴水以降低冷卻速度的方式，造成了板卷尾部（內(nèi)圈）存在一定長度的 “干頭”，使該區(qū)域組織中多邊形鐵素體含量偏高，并出現(xiàn)退化珠光體，晶粒粗化，板卷表面與芯部組織均勻度下降，并且由于相變溫度較高，殘余奧氏體大部分分解為塊狀的退化珠光體[8-10]，降低了材料強(qiáng)度和韌性水平。因此，體現(xiàn)在力學(xué)性能上，靠近板卷尾部（內(nèi)圈）處性能略有偏低，并出現(xiàn)了一定的數(shù)值離散。

5 結(jié) 論

兩家鋼廠生產(chǎn)的X80 鋼級1 550 mm×22 mm超大壁厚熱軋板卷在制成Φ1 219 mm×22 mm螺旋埋弧焊管后，板卷頭部（外圈）1～3 m 及尾部（內(nèi)圈）1.5～5.5 m 范圍對應(yīng)的鋼管管體強(qiáng)度、夏比沖擊韌性及DWTT 性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。批量化生產(chǎn)過程中，建議鋼廠應(yīng)持續(xù)優(yōu)化軋制工藝，完善板卷強(qiáng)韌匹配，減小性能離散度。尤其嚴(yán)格控制板卷尾部（內(nèi)圈）“干頭” 長度，保證性能均勻性，防止屈服強(qiáng)度離散度過大造成鋼管形變、管徑超差等缺陷。