管線鋼X65的研究與應(yīng)用

武 振

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京 210035）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和我國能源安全的優(yōu)化調(diào)整，對(duì)石油天然氣等工業(yè)能源的需求，管線鋼的發(fā)展越來越快，需求也越來越大。管線鋼主要用于運(yùn)輸石油、天然氣、液化石油氣、化工原料等能源，與傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式（如汽車運(yùn)輸、火車運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸?shù)龋┫啾?，管道運(yùn)輸具有運(yùn)量大、成本低、效率高、方便安全等優(yōu)點(diǎn)，是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式[1]。管道運(yùn)輸也是歐美發(fā)達(dá)國家和中東產(chǎn)油區(qū)國家首選的運(yùn)輸方式。管道運(yùn)輸會(huì)經(jīng)過長(zhǎng)距離的輸送，環(huán)境惡劣，溫差較大。為了提高輸送效率，管道工程發(fā)展趨勢(shì)是大管徑、高壓輸送。石油開采已經(jīng)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前的油氣田大多在偏遠(yuǎn)、高寒、腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中，管道工程經(jīng)過惡劣的環(huán)境地區(qū)，人跡罕至，地形地質(zhì)復(fù)雜，在輸送過程中可能要穿過沙漠，湖泊、地震帶，晝夜溫差很大。所以管線鋼不僅具有較高的強(qiáng)度，而且還具有良好的韌性、疲勞性能、抗斷裂和耐腐蝕性能。圖1為石油管道運(yùn)輸。

圖1 石油管道運(yùn)輸圖

1 國內(nèi)外低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，第一條鉛制管道在1806年由英國倫敦安裝，1843年開始采用鑄鐵管，1925年美國建成第一條天然氣焊接鋼管，1985年德國成功研制X80級(jí)鋼管，并于1994年在天然氣管道上使用[2]。高等級(jí)管線鋼X60的開發(fā)和使用要追溯到上世紀(jì)60年代，高強(qiáng)度管道鋼管的里程碑事件是在1968年環(huán)阿拉斯加管線工程的建設(shè)，由日本三大鋼鐵公司提供了直徑為φ1219mm的50×104t的X65級(jí)管線鋼。上世紀(jì)80年代，工程建設(shè)領(lǐng)域開始使用X70管線鋼，90年代部分管道開始試運(yùn)行X90。新日鐵創(chuàng)新工藝，生產(chǎn)出X100管線鋼，歐洲幾個(gè)國家也可以生產(chǎn)。2001年～2004年Exxon Mobil公司聯(lián)合新日鐵和住友金屬，開發(fā)出X120管線鋼并試驗(yàn)鋪設(shè)。

國內(nèi)管線鋼發(fā)展較晚，但速度較快。目前國內(nèi)生產(chǎn)管線鋼的廠家主要有寶鋼、鞍鋼、沙鋼，首鋼等。國內(nèi)主要采用合理的成分設(shè)計(jì)，Nb、V、Ti等合金元素的綜合作用，降低S含量，并控制加熱，控軋控冷工藝，能夠滿足國內(nèi)的基本需要，有的出口到印度，沙特等國。

2 技術(shù)要求與成分設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 9711-2017的標(biāo)準(zhǔn)，X65的力學(xué)性能要求如表1。

表1 X65的力學(xué)性能要求

碳元素是重要的、經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素之一。業(yè)界管線鋼含碳量普遍控制在0.03%～0.12%之間。碳含量的越高，鋼的強(qiáng)度越高，但沖擊韌性則會(huì)降低。碳對(duì)焊接性能的影響也非常大。通過降低碳含量和添加合金元素，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高、沖擊韌性好、焊接性好的管線鋼的生產(chǎn)。錳的主要作用是固溶強(qiáng)化，為了彌補(bǔ)降低碳含量造成的強(qiáng)度損失，管線鋼可以采用增加錳含量的辦法。但是錳含量過高，會(huì)增加鋼板帶狀組織，降低韌性合各向異性等問題，所以錳含量的目標(biāo)為1.35%。Nb、V、Ti是管線鋼中的重要合金元素，他們可以通過細(xì)化晶粒和沉淀硬化來提高管線鋼的強(qiáng)度和性能。Nb的主要作用是提高管線鋼的低溫韌性，Nb能抑制奧氏體再結(jié)晶，有晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化的作用，是管線鋼中非常重要的合金元素。Ti的沉淀強(qiáng)化作用強(qiáng)于Nb，晶粒細(xì)化作用較Nb弱。在冶煉過程中，微量Ti可以形成TiN，具有沉淀強(qiáng)化的作用。V可以促進(jìn)管線鋼鐵素體中C、N化合物的析出，也具有沉淀強(qiáng)化的作用。S、P、O、H都屬于有害元素，要嚴(yán)格控制，盡量消除。S能嚴(yán)重降低韌性。P容易促進(jìn)偏析，降低焊接性能和沖擊韌性，易冷脆。H易發(fā)生H脆，裂紋。O越高，容易形成氧化物，嚴(yán)重影響性能。表2給出了X65的化學(xué)成分目標(biāo)。

表2 X65化學(xué)成分目標(biāo)（Wt/%）

3 生產(chǎn)工藝

鋼的純凈度是影響性能的重要指標(biāo)，在冶煉過程中應(yīng)采用低硫化鐵水，通過真空脫氣和電爐精煉夾雜物，并采用鈣處理使其變性和變形。當(dāng)加熱溫度過高時(shí)，原奧氏體晶粒變粗。轉(zhuǎn)變后的鐵素體晶粒變粗。鋼的韌性降低了。適當(dāng)?shù)募訜釡囟瓤梢栽黾訆W氏體中微合金元素的固溶量，有利于晶粒細(xì)化、鋼的強(qiáng)度和奧氏體再結(jié)晶終止溫度。但加熱溫度不能過低，否則會(huì)使微合金化的碳氮化物不溶于奧氏體中，從而降低鋼的性能。所以我們將目標(biāo)溫度設(shè)定在1150℃。

軋制可得到細(xì)小的奧氏體晶粒，軋制組織可分為再結(jié)晶區(qū)、部分再結(jié)晶區(qū)和非再結(jié)晶區(qū)。因此，軋制可分為再結(jié)晶區(qū)、非再結(jié)晶區(qū)和雙相區(qū)三種軋制方式。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)，粗化可以得到高溫下多次大變形的晶粒，每一步的變形都大于再結(jié)晶的臨界變形尺寸，可以得到較細(xì)的鐵素體組織。在奧氏體區(qū)精整軋制過程中，通過在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)積累大量變形，可以得到高密度的變形孿晶和變形帶。同時(shí)，應(yīng)變誘導(dǎo)的碳氮化物析出可以為鐵素體相變提供更多的成核位點(diǎn)[3]。

影響精軋溫度的主要因素是精軋道次數(shù)、起始溫度和中間坯厚度。奧氏體晶粒的再結(jié)晶發(fā)生在終軋后和相變前?；謴?fù)軟化降低位錯(cuò)密度，不利于變形能的積累，降低鐵形核的驅(qū)動(dòng)力，阻礙晶粒細(xì)化。為了有效地細(xì)化顆粒，減少最終軋制溫度的方法可以在Ar3采用快速冷卻溫度，加快相變過程相變溫度區(qū)，這不僅能提高材料的強(qiáng)度，但也適當(dāng)?shù)靥岣咚苄圆牧稀ＴO(shè)定目標(biāo)溫度為 830℃[4]。

控制冷卻過程中，鋼板的冷卻速率越快，過冷度就越大，相變區(qū)，相變溫度越低，——的增加，鐵成核速率的增加，晶粒生長(zhǎng)速率明顯降低，溫度和降水的減少復(fù)合形成的合金化元素和碳和氮。晶粒較細(xì)的化合物均勻地分布在基體上，有效地提高了軋鋼的強(qiáng)度。冷卻速率設(shè)定為15℃/s～20℃/s。返流目標(biāo)溫度為600℃。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 生產(chǎn)線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)生產(chǎn)檢測(cè)，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度460MPa～490MPa，圖4為屈服強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度565MPa～625MPa，圖5為抗拉強(qiáng)度；延伸率18%～28%，圖6為延伸性能。

圖4 20mm屈服強(qiáng)度分布

圖5 20mm抗拉強(qiáng)度分布

圖6 20mm試樣延伸率分布

5 結(jié)論

通過低C，適量Mn，加Nb的設(shè)計(jì)，再添加V、Ti等合金元素，采用控制軋制控制冷卻的工藝路徑，生產(chǎn)的X65各項(xiàng)性能良好[5]，達(dá)到GB/T 9711-2017的要求，已經(jīng)批量供貨，得到了廣大客戶的認(rèn)可。