諶鐵強(qiáng)，宋 欣，張國(guó)棟，白學(xué)軍，李 群

（秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

1 概述

石油和天然氣是現(xiàn)代工業(yè)最重要的能源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)油氣能源的需求呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)，油氣資源的緊缺限制了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保證油氣運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和安全性成為了油氣及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵[1-3]。提高輸送壓力和擴(kuò)大管徑是管道工程重要的發(fā)展趨勢(shì)，管道工程大直徑、高壓輸送可以通過(guò)增加鋼管壁厚和鋼管強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。目前，大直徑、大壁厚、高鋼級(jí)管線鋼的技術(shù)難點(diǎn)主要是高強(qiáng)度和低屈強(qiáng)比、高韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度、優(yōu)良的落錘撕裂剪切面積以及良好的焊接性能[5-10]。

以3 395 mm×25 mm規(guī)格X70管線鋼在首鋼和首秦的4 300 mm生產(chǎn)線小批量試制為基礎(chǔ)，在同一較優(yōu)的生產(chǎn)工藝下，研究了3種不同成分體系對(duì)厚規(guī)格X70管線鋼低溫韌性的影響。以此為指導(dǎo)，進(jìn)行3 730 mm×30.2 mm X70規(guī)格管線鋼工業(yè)化生產(chǎn)。其橫向目標(biāo)性能要求見(jiàn)表1。

表1 30.2 mm厚X70管線鋼橫向性能要求

厚規(guī)格管線鋼生產(chǎn)是基于冶煉-連鑄-軋制-冷卻全流程的高效、準(zhǔn)確的工藝銜接和管理技術(shù)，因此高潔凈、低偏析連鑄坯是生產(chǎn)高品質(zhì)寬厚板的前提。潔凈鋼控制技術(shù)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是減少鋼中P，S，O，N和H等有害元素和雜質(zhì)元素的含量；二是控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)。厚規(guī)格管線鋼要求具有優(yōu)異的低溫?cái)嗔秧g性，對(duì)鋼水潔凈度要求比較嚴(yán)格。

為具備較大的壓縮比，軋制過(guò)程中使芯部晶粒充分細(xì)化，首秦公司利用先進(jìn)的400 mm連鑄機(jī)在連鑄過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，鋼坯斷面為400 mm×2 400 mm。圖1為X70管線鋼鑄坯的低倍照片。從圖1可以看出，中心偏析級(jí)別都是C類1.0級(jí)以下，由于采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，低倍照片中則看不到明顯的中心偏析線。

圖1 400 mm厚連鑄坯低倍照片

2 25 mm厚X70鋼板試制

為了對(duì)比不同成分對(duì)化學(xué)性能及低溫韌性的影響，對(duì)25 mm厚X70鋼板進(jìn)行了3種成分的設(shè)計(jì)，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。A鋼為基本的X70管線鋼成分，B鋼在A鋼的基礎(chǔ)上降低了C含量，增加了Ni和Mo合金含量，C鋼在B鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了C含量，為保證強(qiáng)度，Ni和Mo在B鋼基礎(chǔ)上有少量增加。

表2 25 mm厚X70管線鋼3種不同化學(xué)成分 %

通過(guò)優(yōu)化鋼坯加熱控制工藝，保證盡可能多的Nb固溶，同時(shí)利用彌散分布的細(xì)小TiN質(zhì)點(diǎn)和低加熱溫度，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,奧氏體晶粒細(xì)小而均勻，有效細(xì)化了奧氏體晶粒尺寸，改善了鋼的低溫韌性，加熱溫度1 140~1 160℃。在大壁厚管線鋼實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，充分發(fā)揮了首秦4 300 mm軋機(jī)的能力，通過(guò)提高軋機(jī)軋制力和軋制扭矩，強(qiáng)化奧氏體再結(jié)晶區(qū)的單道次壓下量，單道次變形率盡量達(dá)到15%以上，使軋制變形充分滲透到鋼坯芯部，使鋼坯表面和芯部充分發(fā)生再結(jié)晶，促使原始奧氏體晶粒得到充分細(xì)化和均勻化。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)充分變形后，奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的變形對(duì)組織均勻和鋼板韌性至關(guān)重要，實(shí)際生產(chǎn)中在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)施以大變形量，總壓縮比要求至少達(dá)到65%以上，最好達(dá)到70%以上，以保證硬化的奧氏體晶粒充分壓扁、拉長(zhǎng)。

對(duì)3種成分試驗(yàn)鋼取樣后用4%的硝酸酒精侵蝕，分別在光學(xué)電鏡和掃描電鏡下對(duì)組織進(jìn)行了觀察，組織照片如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可見(jiàn)，3種成分鋼板的組織為鐵素體+貝氏體組成的復(fù)相組織，含有一定量的M/A組元，分布于貝氏體邊界及基體上。對(duì)組織進(jìn)一步細(xì)分可見(jiàn)，A鋼組織為多邊形鐵素體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+少量粒狀貝氏體，而B(niǎo)鋼組織在A鋼基礎(chǔ)上形成了少量的貝氏體鐵素體組織，C鋼組織則為準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+貝氏體鐵素體組織，3種鋼貝氏體含量依次增多。在軋制工藝大致相同的情況下，成分是造成3種鋼組織差異的主要因素。3種鋼中C含量的變化較大，C含量降低可以抑制奧氏體向鐵素體和滲碳體的兩相分解，促進(jìn)過(guò)冷奧氏體直接向鐵素體及貝氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)Mo的增加能進(jìn)一步降低相變溫度，在相同冷卻條件下更易發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。

圖2 光學(xué)電鏡下X70管線鋼顯微組織

圖3 掃描電鏡下X70管線鋼顯微組織

為了檢測(cè)3種成分試驗(yàn)鋼的低溫韌性及DBTT，從20℃至-200℃分別進(jìn)行了系列溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 系列溫度下沖擊轉(zhuǎn)變曲線

從圖4可見(jiàn)，3種成分試驗(yàn)鋼均有較好的沖擊韌性，沖擊上平臺(tái)能在300 J以上，C鋼值最高。若以上下平臺(tái)能的中值作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，則A鋼、B鋼和C鋼的DBTT分別為-65℃、-80℃和-90℃，可見(jiàn)C鋼具有最優(yōu)的低溫韌性。

對(duì)3種成分試驗(yàn)鋼進(jìn)行全壁厚拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行了從20℃至-60℃全壁厚落錘試驗(yàn)，3種成分試驗(yàn)鋼拉伸性能如圖5所示。從圖5可以看出，抗拉強(qiáng)度基本一致，但屈服強(qiáng)度A鋼最高，C鋼最低，屈強(qiáng)比因屈服強(qiáng)度的影響，與屈服強(qiáng)度呈相似規(guī)律，說(shuō)明C鋼具有較好的均勻變形容量和極限塑性變形能力。3種成分試驗(yàn)鋼在系列溫度下落錘撕裂剪切面積結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，C鋼的剪切面積最高，在-40℃低溫下仍滿足表1要求，而A鋼和B鋼均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 3種成分試驗(yàn)鋼拉伸性能

圖6 3種試驗(yàn)鋼系列溫度下落錘撕裂剪切面積

3 30.2 mm厚X70鋼板工業(yè)化生產(chǎn)

為試制φ1 219 mm×30.2 mm規(guī)格鋼管，首先進(jìn)行30.2 mm厚X70管線鋼工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)化生產(chǎn)采用表2中C鋼的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用400 mm×2 400 mm大壁厚連鑄坯，提高有效壓縮比，保證變形能充分滲透到鋼板的芯部，提高鋼板厚度方向上變形均勻性。由于厚度增加，為使冷卻更均勻、充分，進(jìn)一步降低了終冷溫度，加大冷卻速度。圖7為大批量工業(yè)化生產(chǎn)鋼板的力學(xué)性能。

從圖7可以看出，鋼板屈服強(qiáng)度平均值為515 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為626 MPa，-45℃沖擊功平均值為404 J，-40℃低溫DWTT剪切面積平均值為72%，性能呈正態(tài)分布，波動(dòng)范圍較窄。

圖7 30.2 mm厚X70鋼板工業(yè)化生產(chǎn)性能直方圖

4 30.2 mm厚X70管線鋼制管結(jié)果

鋼板制成鋼管有一個(gè)成型和冷擴(kuò)徑的過(guò)程，鋼管的最終強(qiáng)度受包申格效應(yīng)和加工硬化效應(yīng)兩種因素控制。φ1219mm×30.2mmX70管線鋼管在番禺珠江鋼管公司試制，制管后性能變化如圖8所示。

圖8 30.2 mm厚X70管線鋼制管后板－管性能對(duì)比

30.2 mm厚X70管線鋼經(jīng)過(guò)制管后，鋼管強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度上升0~20MPa，抗拉強(qiáng)度上升約10 MPa，符合貝氏體組織鋼板制管特性。低碳貝氏體管線鋼具有連續(xù)屈服行為，這種組織特性在鋼板制管加工和擴(kuò)徑過(guò)程中，由于形變強(qiáng)化作用明顯，使得鋼管的強(qiáng)度比鋼板的強(qiáng)度高，但鋼管屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的均衡增加使得鋼管屈強(qiáng)比仍然保持較低水平。

焊縫宏觀形貌及熱影響區(qū)金相組織如圖9和圖10所示?？梢钥闯?，從母材到熱影響區(qū)過(guò)渡自然，無(wú)明顯組織突變，說(shuō)明焊接工藝良好，焊縫韌性能保持較高水平。在鋼管焊縫處制備金相試樣，然后進(jìn)行硬度試驗(yàn)，焊縫接頭硬度測(cè)試點(diǎn)如圖11所示。

焊縫接頭硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，從表3可以看出，母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各區(qū)的硬度均勻性良好，波動(dòng)范圍較小。對(duì)鋼管的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，母材平均夏比沖擊功約450 J，焊縫平均夏比沖擊功約130 J，熱影響區(qū)平均夏比沖擊功約246 J，說(shuō)明生產(chǎn)的鋼板具有優(yōu)異的焊接性能。

圖9 焊縫宏觀形貌

圖10 熱影響區(qū)金相組織

圖11 焊縫接頭硬度測(cè)試點(diǎn)

表3 焊縫硬度測(cè)試結(jié)果

表4 30.2 mm大壁厚X70管線鋼管沖擊韌性

5 結(jié) 論

（1）以先進(jìn)潔凈鋼冶煉為依托，采用具有動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的400 mm特厚連鑄坯和優(yōu)化的TMCP生產(chǎn)工藝，是開(kāi)發(fā)具有優(yōu)良韌性厚規(guī)格管線鋼的前提條件。

（2）研究了3種不同成分對(duì)厚規(guī)格X70管線鋼低溫韌性的影響，在相同工藝下，C含量降低及Mo含量增加會(huì)促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，提高貝氏體組織含量，增加鋼板韌性。

（3） 以低 C（w(C)=0.045%）－Mo－Ni復(fù)合成分體系為基礎(chǔ)，工業(yè)化生產(chǎn)的30.2 mm厚規(guī)格X70管線鋼性能分布均勻，波動(dòng)范圍小，制管后性能小幅上升，焊縫及熱影響區(qū)組織接近母材，具有良好的焊接性能。

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