鞍鋼厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板的研制

黃國(guó)建 ，黃明浩 ，王楊 ，董洋

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山 114021）

現(xiàn)代管線鋼已成為低合金高強(qiáng)度鋼和微合金鋼領(lǐng)域內(nèi)最富有活力、最具研究成果的一個(gè)重要分支，具有高技術(shù)含量和高附加值。近年來，為降低天然氣管道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，提高輸送效率，采用高鋼級(jí)、厚規(guī)格、大口徑高壓輸送已成為長(zhǎng)距離油氣管道建設(shè)的主流趨勢(shì)［1-5］。目前L555M（X80）鋼級(jí)管道工程的管徑擴(kuò)大至1 422 mm，工作壓力提高至18 MPa，是全球應(yīng)用里程最長(zhǎng)的高鋼級(jí)材料，而中國(guó)L555M（X80）鋼級(jí)管道的總里程居世界首位［5-7］。

中俄東線輸氣管道工程是國(guó)家重要的能源戰(zhàn)略工程之一，北起黑龍江省黑河市，途經(jīng)吉林長(zhǎng)嶺、河北永清，南至上海，管道全長(zhǎng)約3 400 km，是我國(guó)目前口徑最大（1 422 mm）、壓力最高（12 MPa）、單管輸氣量（3.8×1010m3）國(guó)際最大的長(zhǎng)輸管道工程。干線采用API L555M（X80M）鋼級(jí)，螺旋鋼管的最厚規(guī)格21.4 mm，化學(xué)成分要求嚴(yán)格，強(qiáng)度韌性匹配要求高，-20℃落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）的剪切面積均值85%以上，且具有較嚴(yán)格的環(huán)焊要求，技術(shù)難度極大。2018-2019年，鞍鋼采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚L555M管線鋼熱軋卷板，制成最大管徑1 422 mm規(guī)格螺旋埋弧焊鋼管，應(yīng)用于中國(guó)中俄東線輸氣管道工程。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 工程技術(shù)條件

本產(chǎn)品工程技術(shù)條件涉及Q/SYGD 0503.1-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第1部分：X80級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》，Q/SYGD 0503.2-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第2部分：X80級(jí)螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》，01-GI001#EPL-DS-0103 《黑河-長(zhǎng)嶺段干線線路鋼管數(shù)據(jù)單》。本工程21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板的化學(xué)成分要求見表1。

表1 L555M管線鋼熱軋卷板化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Hot Rolled Coils for L555M Pipelines（Mass Fraction） %

與美國(guó)石油協(xié)會(huì)API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)相比，Mn元素上限要求有所下降，Cr、Mo、Ni和Cu等合金元素上限要求明顯降低，且Cr、Mo、Ni同時(shí)提出下限要求。

L555M管線鋼熱軋卷板的力學(xué)性能要求如表2所示。試樣取樣的方向要求與軋制方向成30°，根據(jù)相關(guān)研究［8］，30°方向?yàn)椴牧蠌?qiáng)度最薄弱的方向，還需要同時(shí)滿足-20℃低溫韌性要求，特別是厚規(guī)格材料的DWTT性能保證難度極高。

表2 L555M管線鋼熱軋卷板的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical Properties of Hot Rolled Coils for L555M Pipelines

1.2 合金設(shè)計(jì)

L555M管線鋼采用低碳高鈮的C-Mn-Mo-Cr-Nb合金體系設(shè)計(jì)，適當(dāng)添加Ni、Cu，低冷裂紋敏感系數(shù)Pcm，綜合利用合金元素固溶、細(xì)晶、位錯(cuò)、析出和相變等強(qiáng)化機(jī)制，組織形態(tài)為針狀鐵素體混合組織（AF+少量MA）。L555M管線鋼的主要化學(xué)成分目標(biāo)值見表3。

表3 L555M管線鋼的主要化學(xué)成分目標(biāo)值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Target Values of Main Chemical Compositions in L555M Pipelines（Mass Fraction） %

C為碳化物形成元素，對(duì)提高強(qiáng)度效果明顯，但為了保證低溫韌性，采用低碳低冷裂紋敏感系數(shù)Pcm，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.06%，Pcm不大于0.21%；Mn通過固溶強(qiáng)化方式提高強(qiáng)度，且有助于細(xì)化相變組織，但含量過高容易產(chǎn)生連鑄坯的中心偏析；Nb主要析出強(qiáng)化降低相變溫度，Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，高鈮可延遲奧氏體再結(jié)晶，降低相變溫度，促進(jìn)針狀鐵素體組織和M-A島的形成［9-11］；Mo、Cr、Ni等元素均在γ－α相變過程中對(duì)獲得針狀鐵素體組織起重要作用，并可改善低溫韌性。

1.3 工藝設(shè)計(jì)

L555M管線鋼熱軋卷板生產(chǎn)一般采用常規(guī)熱軋生產(chǎn)線，連鑄板坯厚度為230 mm或260 mm。而鞍鋼采用獨(dú)特的ASP生產(chǎn)工藝，連鑄坯厚度僅為170 mm。

L555M管線鋼生產(chǎn)工藝上采用純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)、TMCP軋制技術(shù)和超快冷技術(shù)，其主要工藝流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（RH＋LF+鈣處理）→連鑄→加熱→軋制→超快冷+層流冷卻→卷取。

冶煉連鑄：采用純凈鋼冶煉工藝，經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉和爐外精煉，使S、P、O、H、N等雜質(zhì)元素達(dá)到較低水平，夾雜物球化并做到細(xì)小彌散，連鑄過程投入動(dòng)態(tài)輕壓下，控制中心偏析，鑄坯厚度為170 mm。

軋制冷卻：在2150ASP機(jī)組，采用TMCP技術(shù)和超快冷+層流技術(shù)結(jié)合。由于連鑄坯厚度僅為170 mm，總壓縮比在8以下，必須實(shí)現(xiàn)全流程控制才能最終保證高強(qiáng)度和良好低溫韌性。粗軋保證單道次變形量大于20%，精軋保證大的累積變形量，軋后采用超快冷+層流方式，獲得細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織。

2 組織和性能

2.1 卷板的微觀組織

在萊卡DMI5000M型光學(xué)金相顯微鏡下觀察21.4 mm厚L555M管線鋼，典型金相組織見圖1。其微觀組織為針狀鐵素體為主的混合組織，含有少量MA島，微觀組織均勻細(xì)小，晶粒度評(píng)級(jí)達(dá)12級(jí)，帶狀組織輕微，夾雜物完全球化，可保證L555M管線鋼同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好的低溫?cái)嗔秧g性。

圖1 L555M典型金相組織Fig.1 Typical Metallographic Structures of L555M

在Tecnai G220型分析型透射電鏡下，采用復(fù)型法觀察L555M熱軋卷板碳氮化物第二相粒子，第二相粒子析出相和EDS分析見圖2。觀察表明，試樣中普遍分布有（Nb，Ti）（C，N）的第二相粒子，大部分尺寸在40～100 nm，彌散分布于基體中。這些微小的析出相具有阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大和抑制奧氏體再結(jié)晶的作用，可有效細(xì)化晶粒，對(duì)提高管線鋼強(qiáng)度和韌性具有明顯作用。

圖2 第二相粒子析出相和EDS分析Fig.2 Precipitated Phase by Second Phase Particles and Analysis Results by EDS

在Tecnai G220型透射電鏡下，采用薄膜法對(duì)L555M熱軋卷板的微觀組織進(jìn)行觀察，L555M管線鋼的TEM組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過觀察可以看出，L555M管線鋼組織類型為針狀鐵素體，具有明顯M/A組織，且基體組織上位錯(cuò)密度較高。

圖3 L555M管線鋼的TEM組織結(jié)構(gòu)Fig.3 TEM Microstructures of L555M Pipeline Steel

2.2 卷板的力學(xué)性能

在2150ASP生產(chǎn)線批量生產(chǎn)中俄東線工程用21.4 mm×1 550 mm×Cmm規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板，其主要力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)見表4。統(tǒng)計(jì)表明，L555M卷板拉伸性能和硬度適中，低溫?cái)嗔秧g性良好，指標(biāo)穩(wěn)定，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 L555M管線鋼卷板的主要力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics on Main Mechanical Properties of Steel Coils for L555M Pipelines

2.3 卷板系列溫度斷裂韌性

對(duì)21.4 mm厚L555M卷板進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

圖4 系列溫度夏比沖擊結(jié)果Fig.4 Results of Charpy Impact Tests at Different Temperatures

由圖4可知，卷板-60～0℃范圍內(nèi)的沖擊功波動(dòng)較小，且卷板-60℃沖擊功在330 J以上，低溫沖擊性能良好。對(duì)卷板進(jìn)行系列溫度DWTT試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，卷板-25～0℃范圍內(nèi)，DWTT的剪切面積值都在90%以上，-20℃開始有所降低，卷板整體低溫韌性良好。

圖5 系列溫度DWTT結(jié)果Fig.5 Results of DWTT Tests at Different Temperatures

2.4 鋼管環(huán)焊工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2018年，中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院對(duì)鞍鋼股份/遼陽鋼管單爐試制和千噸試制的D1 422 mm×21.4 mm L555M螺旋縫鋼管進(jìn)行鋼管環(huán)焊工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

（1）手工焊結(jié)論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品焊條電弧焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）半自動(dòng)焊結(jié)論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品藥芯焊絲氣體保護(hù)焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）全自動(dòng)焊結(jié)論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品實(shí)心焊絲自動(dòng)焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 應(yīng)用情況

2018年，鞍鋼采用獨(dú)特的ASP生產(chǎn)工藝，采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板。2019年，采用低碳高鈮C-Mn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設(shè)計(jì)、純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)和TMCP技術(shù)，在鞍鋼2150ASP生產(chǎn)線批量生產(chǎn)出21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板，在鋼管廠制成1 422 mm管徑螺旋埋弧焊鋼管，卷板和鋼管通過第三方評(píng)價(jià)，產(chǎn)品完全滿足工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于中俄東線管道工程。

4 結(jié)語

鞍鋼2150ASP生產(chǎn)大管徑厚規(guī)格L555M管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用取得突破性進(jìn)展，制成螺旋埋弧焊管應(yīng)用于國(guó)家重大管道工程，最大管徑為1 422 mm、最厚規(guī)格為21.4 mm，標(biāo)志著中國(guó)高鋼級(jí)螺旋焊管用管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用跨入國(guó)際領(lǐng)先水平。

鞍鋼厚規(guī)格L555M管線鋼采用低碳高鈮CMn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設(shè)計(jì)，低冷裂紋敏感系數(shù)，適當(dāng)添加Ni、Cu等元素。鞍鋼ASP生產(chǎn)工藝獨(dú)特，采用純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)、TMCP技術(shù)，綜合利用固溶、細(xì)晶、位錯(cuò)、析出和相變等強(qiáng)化機(jī)制，成功開發(fā)出厚規(guī)格、大口徑、高輸送壓力用21.4 mm厚X80M熱軋卷板，產(chǎn)品最終組織為細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織，具有高強(qiáng)度、良好的低溫韌性和焊接性能，-60℃的沖擊功值大于330 J，-20℃的DWTT的剪切面積大于90%，產(chǎn)品應(yīng)用于中俄東線管道工程。