高级别厚规格X80管线钢研制开发_陈勇.pdf

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1、2012 年第 1 期新疆钢铁总 121 期陈勇，张爱梅，邱双全，吾塔（宝钢集团八钢公司制造管理部）CHENYong，ZHANGAi-mei，QIU Shuang-quan，WUTA(Manufacturing Management Department,Bayi Iron&Steel Co.,Baosteel Group)Abstract:Development of hot rolled strip for X80 pipeline conveying oil by using of the low carbon compositions andTMCP technique.The aci

2、cular ferrite and bainite structure obtained by the composition design of low carbon microalloystrengthening,control molten steel cleanliness and segregation of slab,reasonable two-stage controlled rolling and con-trolled cooling technology.Test results showthat strength and lowtemperature toughness

3、 etc.of mechanical properties areexcellet,the test results accord with technical condition of Petro-China“west second line”pipeline project hot rolledstrip.everytest is well after makingpipe.Key words:X80 pipeline steel；acicular ferrite；lowcarbon microalloystrengthening；high strength高级别厚规格 X80 管线钢研制

4、开发摘要:介绍了采用低碳成分设计和 TMCP 工艺开发 X80 钢级石油输送管用热轧卷板的关键控制技术和工艺路线。通过低碳多合金强化等微合金化的成分设计、控制钢水的纯净度和板坯的偏析，采用合理的两阶段控制轧制及控制冷却工艺，可以得到针状铁素体+贝氏体组织。检测指标表明：强度指标和低温韧性等各项力学性能良好，满足中石油“西二线”管道工程用热轧卷板技术条件，制管后管体取样各项指标良好。关键词:X80 管线钢；针状铁素体；低碳微合金强化；高强度中图分类号：TG376.1文献标识码：A文章编号：16724224（2012）01000605Development of High Grade and He

5、avy Gauge X80 Pipeline Steel联系人：陈勇，男，43 岁，本科，轧钢高级工程师，乌鲁木齐（830022）宝钢集团八钢公司制造管理部E-mail：近年来随着国家经济的发展，能源利用和开发日显重要。石油工业是国家的支柱产业，随着“西二线”的竣工，大大缓解了长三角等经济发达地区的能源短缺，为经济发展增添了活力。为了满足不断增长的油气需求，能源的开发向偏远地区延伸，油气管线运输距离加大，面临的地质和气候条件更加复杂，地震和永久冻土层区的管线要经受大塑性变形，需要加工性和抗酸腐蚀性更强的高强度管线钢。管线压缩变形过程中，临界失效表现为压曲，因此管线足够的抗压曲能力，钢管直径与壁

6、厚比为D/t，随着 D/t 的增大会降低压曲应变，为提高抗压曲能力，势必提高钢管的壁厚，随着长距离的输送管道建设相应的输送压力从 20 世纪 60 年代的4.5MPa 提高到目前的 15MPa，钢级从 X42 提升到X70、X80 或更高，长距离输送管线向着高钢级厚壁发展。随着“西一线”的投入使用，标志我国在石油管道建设领域跨入世界先进行业，并极大刺激了钢铁企业研发进度。上世纪末国内几大钢铁企业已经拥有成熟的 X70 钢级的生产技术，随着“西二线”的工程建设，国内几大钢铁企业对 X80 钢级或更高钢级的研究和生产控制技术的掌握逐步成熟，X80 钢级国产化率逐步提高。近期中国与俄罗斯及中亚等国就

7、油气引进达成多项战略合作协议，“西三线”设计已经完成，“西四线”的前期工作已经展开，较“西二线”三线的运输更远，气源来自中亚五国，压力设计更大，运输距离和地质条件更加苛刻，管体材料以 X80 钢级为主。八钢在掌握 X70 生产技术并成熟批量供货的背景下着手研究 X80 钢级石油钢管用热轧卷板，满足西北地区的需求日显重要。62012 年第 1 期新疆钢铁总 121 期文章主要介绍了 X80 钢级管线的实验研究和试制过程，并对材料组织与性能的关系进行讨论。1高强度高韧性 X80 卷板及技术要求八钢高钢级管线的工艺流程：高炉铁水铁水预处理氧气底吹转炉LF 精炼RH 精炼板 坯 连 铸坯 料 精 整

8、加 热 除鳞轧制层流冷却卷取主要生产设备：公称容量 120t 底吹转炉；120tLF 钢包精炼炉；双工位 RH 真空处理；单流板坯连铸机；1750mm热连轧；密集层流冷却装置。主要检测设备：电子万能试验机 5589 型（600kN）；ZBC-500 型夏比冲击试验机；ZCJ2404 落锤试验机。X80 钢级热轧卷板的试制采用中石油“西二线”管道工程用的热轧卷板技术条 件（Q/SY GJX0101-2010），对原料的强度和韧性提出了较为苛刻的要求。强度指标高，而且对材料的韧性，屈强比、硬度、DWTT指标等都有严格的规定。为达到其要求，从炼钢、连铸、控制轧制及冷却等方面要采取一系列措施。业内为了

9、提高钢板的韧性和 DWTT指标不断地探索降低碳含量，造成的强度损失通过采用多种微合金的添加和进行弥补细化晶粒、改善碳氮化合物的沉淀效果等技术来实现。强化控制相变功能，同时提高板坯的内质质量，通过 RH 和 LF 炉精炼降低夹杂物的含量和变性处理，对连铸的浇注温度、拉速及采用轻压下技术控制板坯的偏析程度等。X80 钢产品成分见表 1，力学性能需求见表 2。表 1X80 钢级卷板产品成分质量分数（t，%，不大于）2化学成分设计传统的控轧铁素体珠光体型管线钢，又称少珠光体型钢，是 20 世纪 70 年代初发展完善的第一代管线钢，由于该钢在保证高韧性和良好的焊接性能条件下，强度极限水平为 500550

10、MPa，因此主要用于 X70 以下级别的钢。针状铁素体型管线钢则是 20 世纪 80 年代后期发展完善的第二代，是 X80钢的典型组织。这种钢具有比铁素体一珠光体型钢更好的焊接性能(Pcm0.20%)，抗 HIC 性能和相当高的冲击韧性，制管成型时由于迅速加工硬化抵消了包辛格效应，屈服强度下降幅度小或不发生下降。同时它具有相当优越的焊接性能，非常有利于焊管和现场铺设管线工程。管线钢的发展是不断降低碳含量的过程，碳含量的降低一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。合金成分设计围绕着性能指标和组织结构的要求进行。针状铁素体具有不规则的铁素体晶粒，基体中分布着高密度的位错，通过在多边形

11、铁素体和贝氏体转变温度之间的温度区间奥氏体分解形成。从钢铁的化学成分看，Mn 是一种最廉价的抑制多边形铁素体形成元素，Mo 是进一步支持此种效应的元素。为了获得高的韧性，可通过添加 Nb 使奥氏体晶粒尽量细化，C 的质量分数应该保持在 0.06或更低一些，因此，针状铁素体型 X80 级管线钢宜采用低碳 Mn-Mo-Nb 微合金化系设计，具体成分见表 3。注：（1）碳含量比规定最大碳含量每降低 0.01，锰含量则允许比规定最大锰含量提高 0.05，但最高含量不允许超过 1.95；（2）NbV+Ti0.15。表 2X80 钢级卷板力学性能要求72012 年第 1 期新疆钢铁总 121 期表 3试制

12、钢卷的化学成分质量分数t，%3钢质纯净度的控制试制钢卷成品磷质量分数控制在 0.015%以下，以减少磷偏析的影响，原料磷要求在一定的含量以下。冶炼过程采用转炉脱磷工艺，严格控制终渣碱度，为减少回磷，出钢过程中采用挡渣操作，严格控制下渣量，硫控制在 0.004%以下，减少硫化物的含量，以控制硫化物造成的板坯偏析。钢种硫含量控制主要是控制铁水硫含量，并通过铁水脱硫预处理、控制转炉回硫、LF 炉精炼深脱硫来实现，需控制转炉硫的含量，否则会加大 LF 炉的负荷，造成时间过长钢水增氮。连铸环节重点控制液面波动，液面波动过大会造成非金属夹杂物的卷入，保持恒拉速和浇注温度的控制是减少板坯偏析的有效手段，轻压

13、下的有效投入对保证板坯偏析有利。4TMCP 工艺试制采用 220mm 的板坯，轧制成 15.3mm 的钢卷，首先选择合理的加热制度，考虑微合金的固溶。固溶在奥氏体中的 Nb 与奥氏体中的缺陷交互作用，阻止晶界迁移，推迟了再结晶，使未再结晶区扩大；未再结晶区应变诱导 Nb(CN)充分析出，抑制奥氏体再结晶使钢中形成大量饼状晶粒，可在冷却后转变为细小的铁素体。同时钒在铁素体相变期间和相变后析出，起到强化铁素体基体的作用，因而尽可能在加热过程中使这些合金元素更多地溶解在奥氏体中，以保证得到预定组织。制定加热制度时考虑不同微合金元素的溶解温度是关键。控制未再结晶区的总压缩比和开轧温度是得到弥散细小铁素

14、体晶粒的必要条件，对于 X80 管线钢一般在 950进入精轧，可增加奥氏体晶粒中的滑移带和位错密度，增大晶界有效面积，为铁素体相变形核创造条件，精轧区域的总压缩比根据设备装机能力和精轧区域的温降能力进行考虑，因为终轧温度是非常关键的参数，它不仅直接影响到轧后钢的组织状态，一般稍高于 Ar3 温度。轧后层流冷却采用前段强制冷却方式，抑制奥氏体晶粒的轧后长大，抑制或减轻二次带状的生成，在 Ar3 以上温度加速冷却可以提高针状铁素体相比例增大，珠光体消失或减少，得到一定比例的贝氏体进行强化。5试制 X80 管线钢热轧板卷的组织和性能5.1组织对 X80 管线钢板卷按 ASTM E45A 方法检测钢中

15、 A,B,C,D 类非金属夹杂物级别检验，各类夹杂物均小于 2 级，钢质纯净。满足技术条件的要求。X80 管线钢显微组织有针状铁素体+少量不规则等轴铁素体+少量 MA组元构成，且无珠光体带状组织，呈典型的针状铁素体管线钢特征。图 1、2 为 X80管线钢板卷的光学显微金相组织和带状组织。图 1金相组织图 2带状组织5.2力学性能5.2.1拉伸性能为检测钢卷不同方向的拉伸性能，在钢卷尾部进行同一钢板上采用与轧制方向成 30方向和90方向的对比试验，具体检测指标见表 4，屈服强度的取值均为Rt0.5，标距 50.8mm,取样位置为板卷宽度 1/4。指标显示：强度在 90方向显示较强的明显趋势，各批

16、次均显示其较 30方向屈服和抗拉均高 3040 MPa。82012 年第 1 期新疆钢铁总 121 期表 4钢卷不同方向的性能5.2.2冲击性能检测不同批次的钢卷冲击指标显示，在协议要求的方向和温度下，指标约在 300J，有较大的富裕量，说明其韧性良好。为进一步验证材料在不同方向和不同的低温条件下其韧性表现，对其中一个钢卷进行尾部宽度的 1/4 处按 30和 90两个方向分别按-10、-20、-30、-40采用 V 型缺口做冲击试验，试样尺寸均为 101055（mm），结果见表 5，显示 V 型冲击在 40的试验条件下在两个方向均表现优异的指标，说明材料的低温韧性优异，完全可满足“西二线”工程

17、管体原料的技术要求。表 5不同方向不同冷却条件的冲击指标5.3落锤试验结果表 6不同温度下的落锤结果经在钢卷尾部按 90和 30两个方向取样，在-15的条件下，指标均在 90%以上，部分试样出现分离断口，说明在该温度下材料未表现明显方向性。为进一步验证材料的 DWTT 指标的抗低温能力，增加了对-25的温度组距的验证对比，显示 30角取样方向在25条件下部分批次的 DWTT 指标有下降趋势，但下降趋势不明显，仍可以满足工艺技术要求。6用户使用效果中石油某制管企业使用八钢生产 X80，规格为15.31550（mm），管厂检测表面及规格质量良好，制管规格为 101615.3mm，钢管取样方向为管体

18、（螺旋角为 30），夏比冲击试样为标准试样，钢卷及钢管取样检测各项指标见表 7，数据显示满足中石油管道建设项目部天然气输送管道用钢管通用技术条件 Q/SY GJX0101-2010 的相关规定制管后的技术要求。92012 年第 1 期新疆钢铁总 121 期参考文献1X80 管线钢组织与性能研究.东北大学学报，2008（2）.2不同微观组织高强度管线钢冲击韧性的研究.宝钢技术，2003（6）.3天然气输送管线管道螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板通用技术条件.Q/SY.GJX107-2009.表 7制管后管体取样主要指标的检测结果7探讨与体会7.1带状组织对 DWTT 和冲击影响高钢级管线钢对低温韧性要求

19、较高，即使低温冲击指标检测合格，在对落锤试验(DWTT)检测时仍存在不合格的可能，低温韧性指标钢质的控制是关键，钢质的好坏以夹杂物的总量和偏析程度进行衡量，夹杂物与基体的界面是材料结合中最弱的地方，从而加重了带状组织的危害，影响了钢的止裂韧性，加速裂纹的扩展造成韧性指标下降，偏析是在形成铁素体的过程中，碳在剩余的奥氏体内逐渐富集，大部分将转变为岛状 M-A组元。当钢中的成分偏析达到一定程度时，这些岛状 M-A组元就会分布成条带状，形成带状组织，碳偏析越明显，带状组织就越严重。带状组织容易使材料变形时产生各向异性，而且在高级别管线钢中构成带状组织的多数是 M-A组元，M-A 组元中由于碳和合金元

20、素含量高，其强度、硬度一般往往也高于基体，当材料发生变形时带状组织和基体由于变形的不同步它的界面易产生裂纹，对 DWTT性能和冲击非常不利。控制带状组织首先从成分设计上限定 C 的上限，降低偏析的潜在动力，同时连铸精确控制浇注温度、拉速并合理使用轻压下是减少铸坯一次带状的程度，板坯加热环节保证一定的保温时间和轧后快冷是控制二次带状级别的有效手段。7.2组织类型对 DWTT 的影响在针状铁素体组织中，由于组织单元呈不规则、大小不等的非等轴状，晶粒与晶粒之间的位向关系不定，呈混乱分布状态，具有更小的有效晶粒尺寸，裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、相互交错分布的针片状条束的阻碍，裂纹沿晶、晶内都不易

21、扩展，最终表现为好的落锤性能，因而这种组织对韧性更为有益。另外，该组织中由于具有高位错密度的位错亚结构，因此，对脆性断裂的“抗力”要比铁素体/珠光体型组织高得多。高性能管线钢多以低碳针状铁素体组织为特征，使之具有高强度、高韧性、高的韧性止裂性能，同时得到一定比例的该组织，在制管过程中可使材料的加工硬化速率加快，弥补包晶格造成的屈服强度的大幅降低。为获得高比例的针状铁素体的比例，低碳成分设计和控制是前提，保证一定的奥氏体未再结晶区的轧制总压缩比、终轧温度的控制以及轧后快速冷却是得到较高比例针状铁素体的关键。8结论（1）八钢开发研制的规格为 15.31550（mm）的X80 管线钢热轧板卷的成分、工艺设计合理。研制的管线钢具有低含碳量、高锰量、Nb-V-Ti 微合金化处理和 Mo的低合金化控制组织的成分特点。采用了夹杂物控制技术和控轧控冷技术。显微组织为针状铁素体为主，组织均匀细小，具有典型的针状铁素体管线钢的组织特征,因此 X80 钢具有良好的综合力学性能。（2）低碳多种微合金成分设计，控制夹杂物的含量和板坯偏析是保证得到良好低温韧性的前提。（3）研制开发的 X80 管线钢热轧板卷制造的1016mm口径的螺旋焊管满足 API 5L规范要求。10