X65MOS 海底低溫抗酸鋼板性能對(duì)比分析

王林林，陳小偉，范 潔，李志華，孫永琪，董 超，張思思

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)天然氣消費(fèi)量逐年增加，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例將由2015 年的5.9%提高到2030 年的15%，消費(fèi)端市場(chǎng)需求旺盛［1-2］。隨著陸地油氣資源開發(fā)越來(lái)越受到環(huán)境等因素的制約，海洋資源將逐漸成為又一個(gè)戰(zhàn)略重地，我國(guó)海洋資源豐富，石油資源量為240 億t，天然氣資源量為14萬(wàn)億m3，海洋開發(fā)具有重要意義，預(yù)計(jì)到2022 年，全球海底管道敷設(shè)將超過(guò)15.6 萬(wàn)km［3］。海底管線有其自身的特點(diǎn)，對(duì)鋼管強(qiáng)度、硬度、伸長(zhǎng)率等有明確的要求，且隨著敷設(shè)深度的增加，管徑要求會(huì)逐漸減?。?］，同時(shí)在高緯度的深海，極低的溫度也是海底管線開發(fā)中的難題［5-9］，海底管道受到海流、流沙、低溫和腐蝕介質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境因素的影響，對(duì)管道的低溫韌性、裂紋敏感性、抗腐蝕性也可能有較高的要求，這就要求以后的海底管線用鋼板要在充分考慮低溫性能的同時(shí)，還應(yīng)兼具抗酸的特性，技術(shù)難度大［10-15］。

巨龍鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱巨龍鋼管）跟蹤的國(guó)外某海底管線項(xiàng)目，鋼級(jí)為X65MOS（M 代表熱機(jī)械軋態(tài)交貨，O 代表海洋用管，S 代表抗酸），規(guī)格為Φ762 mm×22.2 mm，設(shè)計(jì)溫度-29 ℃，對(duì)材料的低溫韌性、抗氫致開裂性能、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能提出了極高的要求。為開發(fā)項(xiàng)目所需的鋼管產(chǎn)品，巨龍鋼管聯(lián)合國(guó)內(nèi)外不同鋼廠進(jìn)行X65MOS海底低溫抗酸鋼板的開發(fā)。這里通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外4 家鋼廠開發(fā)的X65MOS 鋼板的理化性能，研究海底低溫抗酸鋼板的理化性能特點(diǎn)及實(shí)物質(zhì)量，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 鋼板性能

對(duì)比分析所用的材料為國(guó)內(nèi)A、B、C 鋼廠及國(guó)外D 鋼廠提供的共計(jì)4 種X65MOS 鋼板，鋼板壁厚為22.2 mm。

1.1 化學(xué)成分對(duì)比分析

按照ASTM A 751—2014a《鋼鐵產(chǎn)品化學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、做法和術(shù)語(yǔ)》對(duì)4 家鋼廠（國(guó)內(nèi)A、B、C 鋼廠及國(guó)外D 鋼廠）提供的鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備為ARL 4460 直讀光譜儀。4 種X65MOS 鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。

表1 4 種X65MOS 鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

從表1 可以看出，各廠家對(duì)于低溫抗酸鋼板的整體合金設(shè)計(jì)思路是一致的，即均采用超低C、低Mn、超低S 的合金思路，C 含量控制在0.04%以內(nèi)，Mn 含量控制在1.3%以內(nèi)，S 含量控制在0.002 5%以內(nèi)，大幅低于API Spec 5L—2018 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。各廠家在其他合金元素含量方面稍有不同，如A、B 兩種鋼板不添加Mo 元素，但添加了0.03%~0.05%的V 元素；C、D 兩種鋼板均添加了不到0.1%的Mo 元素，但不添加V 元素。從整體看，Ni、Cr、Cu 是低溫抗酸鋼板中的主要合金元素，用以實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)化和韌化。4 鐘鋼板均添加了Ni、Cr 元素，但在元素含量方面稍有差異，A、B、C 鋼板Ni、Cr 元素含量差異較小，D 鋼板添加了較多的Ni、Cr 元素。Cu 元素含量方面，D 鋼板未添加Cu 元素，A、B、C 鋼板均添加了0.15%~0.30%的Cu 元素。4 種鋼板的冷裂紋敏感指數(shù)Pcm均控制在0.14%左右的較低指數(shù)。

1.2 拉伸性能對(duì)比分析

在鋼板寬度1/2 處取橫向拉伸試樣，拉伸試樣為矩形試樣，在WESW-2000E 拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋼板橫向拉伸試驗(yàn)，鋼板拉伸性能對(duì)比見表2。

對(duì)比結(jié)果表明，4 種鋼板拉伸性能存在較大的差異。C 鋼板屈服強(qiáng)度偏低，低于鋼管屈服強(qiáng)度下限要求，其余3 種鋼板屈服強(qiáng)度均達(dá)到了鋼管屈服強(qiáng)度要求。由于直縫埋弧焊管制造過(guò)程中，機(jī)械擴(kuò)徑會(huì)引起材料的加工硬化，造成實(shí)際屈服強(qiáng)度升高。因此，關(guān)于C 鋼板制管后的屈服強(qiáng)度是否能達(dá)到鋼管要求，還需通過(guò)制管驗(yàn)證。鋼板的抗拉強(qiáng)度整體不高，A 鋼板抗拉強(qiáng)度低于鋼管抗拉強(qiáng)度的下限，由于抗拉強(qiáng)度在制管過(guò)程中變化較小，鋼板抗拉強(qiáng)度偏低會(huì)使鋼管存在較大的不合格風(fēng)險(xiǎn)。鋼板屈強(qiáng)比在0.75～0.90，如果考慮C 鋼板屈服強(qiáng)度偏低、A 鋼板抗拉強(qiáng)度偏低，合格的B、D 鋼板屈強(qiáng)比分別為0.90、0.86，均滿足鋼管屈服強(qiáng)度要求，但要比普通的X65 鋼板的屈強(qiáng)比高一些。鋼板斷后伸長(zhǎng)率A 均在50%以上，遠(yuǎn)高于鋼管標(biāo)準(zhǔn)要求的24%的水平。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于X65MOS 鋼板，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的控制是重點(diǎn)。

表2 4 種X65MOS 鋼板拉伸性能對(duì)比

1.3 夏比沖擊功對(duì)比分析

在鋼板寬度方向1/4 位置取橫向夏比沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm、刻2 mm深V 型缺口，在NI750C 沖擊試驗(yàn)機(jī)上按照ASTM A 370—2019《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》對(duì)該鋼板進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 4 種X65MOS 鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)的鋼板夏比沖擊性能都很優(yōu)良，在-60°時(shí)鋼板的夏比沖擊功仍高于400 J，遠(yuǎn)高于設(shè)定的此溫度情況下的150 J 目標(biāo)值。

1.4 落錘性能對(duì)比分析

在鋼板寬度方向1/4 位置取樣，加工成長(zhǎng)305 mm、寬76.2 mm 的落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）試樣，刻深度為5 mm 的V 型缺口，在-10 ℃、-20 ℃、-30℃與-45 ℃進(jìn)行低溫落錘撕裂試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為JL-50000 落錘試驗(yàn)機(jī)。4 種X65MOS 鋼板落錘撕裂性能如圖2 所示。

圖2 4 種X65MOS 鋼板的落錘撕裂性能

結(jié)果表明，4 種鋼板都具有較優(yōu)良的落錘撕裂性能，但其落錘撕裂性能方面存在一定的差異。-30℃時(shí)，C 鋼板落錘撕裂剪切面積百分比略低于要求的85%，A、B、D 鋼板均滿足要求；-45 ℃時(shí)，A、D 鋼板落錘撕裂性能仍能滿足85%的要求，而B、C 鋼板則低于此要求。整體看，A 鋼板落錘撕裂性能最好，其次是D 鋼板，C 鋼板落錘撕裂性能整體偏低。當(dāng)溫度低于-40 ℃，B 鋼板落錘撕裂性能惡化最明顯。

1.5 硬度對(duì)比分析

出于鋼管抗酸性能的需要，對(duì)鋼板的硬度值也給出嚴(yán)格的要求，鋼板硬度越高，氫元素的透過(guò)速度越快，傳播速度也越快，氫致開裂（HIC）裂紋敏感性就越大，此次試驗(yàn)給出的目標(biāo)值為≤200 HV10，鋼板硬度打點(diǎn)位置如圖3 所示，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 鋼板硬度打點(diǎn)位置

圖4 4 種X65MOS 鋼板的硬度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4 家鋼廠的鋼板在硬度方面都能滿足要求，其中A、B、D 3 家鋼板在厚度方向上的硬度比較均勻，C 鋼板在厚度方向上的硬度不均勻，離散型較大，最高值與最低值之間相差50 HV10，數(shù)值低的點(diǎn)主要集中于中部，說(shuō)明鋼板的性能均勻性較差。

1.6 金相組織

4 種鋼板表層、中心顯微組織如圖5 所示。

如圖5 所示，A 鋼板顯微組織以塊狀鐵素體為主，塊狀鐵素體之間為少量粒狀貝氏體、珠光體等組織，表層鐵素體尺寸較細(xì)小，中心鐵素體尺寸有所增加。B 鋼板顯微組織主要為粒狀貝氏體，并含有一定量的多邊形及準(zhǔn)多邊形鐵素體；表層組織比較細(xì)小，中心鐵素體基體尺寸有所增加。C 鋼板顯微組織是鐵素體+貝氏體為主的雙相組織，其中鐵素體含量較貝氏體明顯多；與表層組織相比，中心鐵素體含量進(jìn)一步增加，鐵素體尺寸也有所增加。D 鋼板顯微組織以粒狀貝氏體為主，并含有一定量的準(zhǔn)多邊形鐵素體。可見，4 種鋼板中，B 鋼板和D 鋼板顯微組織比較接近，均為以粒狀貝氏體為主的組織；但D 鋼板中塊狀鐵素體含量以及馬奧組元含量要稍多于B 鋼板。

圖5 4 種鋼板表層、中心的顯微組織

1.7 抗HIC、SSC 性能

對(duì)本次提供的鋼板進(jìn)行抗酸性能試驗(yàn)，其中抗氫致開裂試驗(yàn)方法選用NACE TM 0284—2016《管道和壓力容器用鋼抗氫致開裂性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》，溶液為A 溶液，試驗(yàn)溫度為（25±3）℃，試驗(yàn)時(shí)間96 h，4 家鋼廠鋼板均滿足裂紋敏感率≤2%，裂紋長(zhǎng)度率≤15%，裂紋厚度率≤5%；抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)方法選用NACE TM 0177—2016《金屬在H2S 環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，按照ASTM G 39—2016《彎曲梁應(yīng)力腐蝕試樣制備與使用規(guī)程》采用四點(diǎn)彎曲試件，加載應(yīng)力為實(shí)際屈服強(qiáng)度的80%，溶液為A 溶液，試驗(yàn)溫度為（24±3）℃，試驗(yàn)時(shí)間要求為720 h，4 家鋼廠鋼板均無(wú)開裂或表面破壞裂紋，抗氫致開裂、抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4 種低溫抗酸鋼板合金設(shè)計(jì)規(guī)律為超低碳、低錳、低硫，適當(dāng)添加Ni、Cr、Cu 等合金元素，以及Nb、V、Ti 等微合金元素。低C、Mn 元素成分設(shè)計(jì)對(duì)鑄坯中心偏析控制更有利，可減少帶狀組織，是獲得更好抗氫致裂紋性能的關(guān)鍵，適合開發(fā)高鋼級(jí)抗酸管線鋼管。文獻(xiàn)［8-9］指出，從合金元素角度分析，碳元素是鋼鐵中的最基本元素，隨著碳元素含量的增加，可以拉升屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但是塑性和沖擊性能會(huì)降低，抗酸板采用低碳設(shè)計(jì)既可以保證抗酸性能，也可以保證后續(xù)的焊接性能；錳元素作為比較經(jīng)濟(jì)的固溶強(qiáng)化合金元素，可以補(bǔ)償碳元素含量降低所引起的強(qiáng)度損失，提高鋼板的強(qiáng)度，在一定程度上細(xì)化晶粒，改善鋼的沖擊韌性，提高淬性，但錳與硫易生成夾雜物，此夾雜物是抗硫化物應(yīng)力腐蝕與氫致開裂最易形核的位置，會(huì)加劇硫化腐蝕，所以需嚴(yán)格控制錳的含量；鉻元素可顯著地提高鋼板強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性；銅元素可提高鋼板的強(qiáng)度以及耐蝕性，但隨著銅元素含量的增高，鋼板在軋制及焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的傾向性明顯變強(qiáng)，所以在有意提高銅元素含量的同時(shí)，還應(yīng)加入鎳元素；鎳元素既能提高鋼的強(qiáng)度，又能保持良好的塑形和韌性，并且可在高銅環(huán)境下減少產(chǎn)生裂紋的可能；鉬元素能細(xì)化鋼板晶粒尺寸，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力，但Mo 元素也是增加組織中馬奧組元的元素，而馬奧組元對(duì)抗酸性能不利，因此需要控制添加；鈦元素是鋼中的強(qiáng)脫氧劑，它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒，降低時(shí)效敏感性和冷脆性，還能夠改善焊接性能；釩元素也是優(yōu)良的脫氧劑，可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性，釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力，但鋼中的碳氮化釩作為硬相會(huì)影響材料的抗酸性能；銅元素可在鋼的表面形成一層保護(hù)膜，減少氫的侵入，在提高鋼板的強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，能大幅度提高鋼板的抗氫腐蝕能力；同時(shí)還需嚴(yán)格控制磷、硫、氮、氧等有害元素含量，減少由此引起的中心偏析、熱脆、冷脆、時(shí)效和鋼板各向異性的可能性，改善低溫韌性?；谏鲜鲈?，形成了4 種鋼板的合金設(shè)計(jì)思路，這種合金設(shè)計(jì)為材料的強(qiáng)韌性以及抗酸性能奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)果表明，4 種鋼板顯微組織存在明顯的差異，這與各廠家制造工藝的差異以及合金元素的差異有關(guān)。A 鋼板是以塊狀鐵素體為主的組織，由于塊狀鐵素體具有較高的塑形和韌性，而強(qiáng)度較低，因此A 鋼板表現(xiàn)出了較低的抗拉強(qiáng)度以及良好的夏比沖擊、落錘撕裂性能，其低溫落錘撕裂性能是幾種鋼中最好的。B 鋼板和D 鋼板顯微組織類似，均是以粒狀貝氏體為主的組織，其中D 鋼板中塊狀鐵素體含量稍多。因此B 鋼板和D 鋼板表現(xiàn)出了相近的拉伸性能，優(yōu)良的夏比沖擊韌性以及較好的落錘撕裂性能。C 鋼板為典型的鐵素體+貝氏體組織，這種組織中鐵素體屬于軟相，決定了材料的屈服強(qiáng)度；而貝氏體屬于硬相，主要影響材料的抗拉強(qiáng)度，鐵素體貝氏體雙相鋼具有較低的屈服強(qiáng)度和較高的抗拉強(qiáng)度，這與C 鋼板的拉伸性能特點(diǎn)相吻合。然而，由于鐵素體、貝氏體雙相鋼的組織均勻性較差，尤其是冷卻過(guò)程中，表層冷卻速度快，貝氏體含量較多，而中心冷卻慢，鐵素體含量多，因此厚度方向性能的均勻性較差。硬度試驗(yàn)結(jié)果也表明了C 鋼板在厚度方向上的性能均勻性最差；另一方面，硬相貝氏體含量的增加也使材料的低溫落錘撕裂性能惡化，因此C 鋼板表現(xiàn)出了相對(duì)較差的低溫落錘撕裂性能。

3 結(jié) 論

（1） 盡管在具體合金含量方面存在差異，4 種X65MOS 低溫抗酸鋼板均采用了超低碳、低錳、低硫，適當(dāng)添加Ni、Cr、Cu 合金元素以及Nb、V、Ti 等微合金元素的合金設(shè)計(jì)，冷裂紋敏感指數(shù)均保持在0.14%左右，為材料獲得良好的低溫韌性及抗酸性能奠定了基礎(chǔ)。

（2） 4 種X65MOS 低溫抗酸鋼板的拉伸性能存在一定的差異，均具有優(yōu)良的低溫韌性水平，-45℃夏比沖擊功達(dá)到了390 J 以上，-30 ℃落錘撕裂試驗(yàn)也都滿足單值≥70%、均值≥85%的要求；4種鋼板的抗氫致開裂、抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3） 4 種X65MOS 低溫抗酸鋼板顯微組織存在一定差異，主要包括塊狀鐵素體組織、粒狀貝氏體組織以及鐵素體+貝氏體雙相組織，顯微組織差異是造成材料力學(xué)性能差異的主要原因。

（4） 國(guó)內(nèi)廠家X65MOS 鋼板性能水平與國(guó)外廠家同類產(chǎn)品基本處于同一水平。