低碳贝氏体型厚规格X70管线钢低温韧性研究

谌铁强，宋 欣，张国栋，白学军，李 群

（秦皇岛首秦金属材料有限公司，河北 秦皇岛066326）

1 概述

石油和天然气是现代工业最重要的能源，随着社会经济和科学技术的发展，对油气能源的需求呈快速增长之势，油气资源的紧缺限制了经济的发展，保证油气运输的经济性和安全性成为了油气及相关产业发展的关键[1-3]。提高输送压力和扩大管径是管道工程重要的发展趋势，管道工程大直径、高压输送可以通过增加钢管壁厚和钢管强度来实现[4]。目前，大直径、大壁厚、高钢级管线钢的技术难点主要是高强度和低屈强比、高韧性和低的韧脆转变温度、优良的落锤撕裂剪切面积以及良好的焊接性能[5-10]。

以3 395 mm×25 mm规格X70管线钢在首钢和首秦的4 300 mm生产线小批量试制为基础，在同一较优的生产工艺下，研究了3种不同成分体系对厚规格X70管线钢低温韧性的影响。以此为指导，进行3 730 mm×30.2 mm X70规格管线钢工业化生产。其横向目标性能要求见表1。

表1 30.2 mm厚X70管线钢横向性能要求

厚规格管线钢生产是基于冶炼-连铸-轧制-冷却全流程的高效、准确的工艺衔接和管理技术，因此高洁净、低偏析连铸坯是生产高品质宽厚板的前提。洁净钢控制技术包括两个方面的内容：一是减少钢中P，S，O，N和H等有害元素和杂质元素的含量；二是控制钢中非金属夹杂物的数量和形态。厚规格管线钢要求具有优异的低温断裂韧性，对钢水洁净度要求比较严格。

为具备较大的压缩比，轧制过程中使芯部晶粒充分细化，首秦公司利用先进的400 mm连铸机在连铸过程中采用动态轻压下技术，钢坯断面为400 mm×2 400 mm。图1为X70管线钢铸坯的低倍照片。从图1可以看出，中心偏析级别都是C类1.0级以下，由于采用动态轻压下技术，低倍照片中则看不到明显的中心偏析线。

图1 400 mm厚连铸坯低倍照片

2 25 mm厚X70钢板试制

为了对比不同成分对化学性能及低温韧性的影响，对25 mm厚X70钢板进行了3种成分的设计，其化学成分见表2。A钢为基本的X70管线钢成分，B钢在A钢的基础上降低了C含量，增加了Ni和Mo合金含量，C钢在B钢的基础上进一步降低了C含量，为保证强度，Ni和Mo在B钢基础上有少量增加。

表2 25 mm厚X70管线钢3种不同化学成分 %

通过优化钢坯加热控制工艺，保证尽可能多的Nb固溶，同时利用弥散分布的细小TiN质点和低加热温度，抑制奥氏体晶粒长大,奥氏体晶粒细小而均匀，有效细化了奥氏体晶粒尺寸，改善了钢的低温韧性，加热温度1 140~1 160℃。在大壁厚管线钢实际生产当中，充分发挥了首秦4 300 mm轧机的能力，通过提高轧机轧制力和轧制扭矩，强化奥氏体再结晶区的单道次压下量，单道次变形率尽量达到15%以上，使轧制变形充分渗透到钢坯芯部，使钢坯表面和芯部充分发生再结晶，促使原始奥氏体晶粒得到充分细化和均匀化。在奥氏体再结晶区充分变形后，奥氏体未再结晶区的变形对组织均匀和钢板韧性至关重要，实际生产中在奥氏体未再结晶区施以大变形量，总压缩比要求至少达到65%以上，最好达到70%以上，以保证硬化的奥氏体晶粒充分压扁、拉长。

对3种成分试验钢取样后用4%的硝酸酒精侵蚀，分别在光学电镜和扫描电镜下对组织进行了观察，组织照片如图2和图3所示。

从图2和图3可见，3种成分钢板的组织为铁素体+贝氏体组成的复相组织，含有一定量的M/A组元，分布于贝氏体边界及基体上。对组织进一步细分可见，A钢组织为多边形铁素体+准多边形铁素体+少量粒状贝氏体，而B钢组织在A钢基础上形成了少量的贝氏体铁素体组织，C钢组织则为准多边形铁素体+粒状贝氏体+贝氏体铁素体组织，3种钢贝氏体含量依次增多。在轧制工艺大致相同的情况下，成分是造成3种钢组织差异的主要因素。3种钢中C含量的变化较大，C含量降低可以抑制奥氏体向铁素体和渗碳体的两相分解，促进过冷奥氏体直接向铁素体及贝氏体转变，同时Mo的增加能进一步降低相变温度，在相同冷却条件下更易发生贝氏体转变。

图2 光学电镜下X70管线钢显微组织

图3 扫描电镜下X70管线钢显微组织

为了检测3种成分试验钢的低温韧性及DBTT，从20℃至-200℃分别进行了系列温度冲击试验，试验结果如图4所示。

图4 系列温度下冲击转变曲线

从图4可见，3种成分试验钢均有较好的冲击韧性，冲击上平台能在300 J以上，C钢值最高。若以上下平台能的中值作为韧脆转变温度点，则A钢、B钢和C钢的DBTT分别为-65℃、-80℃和-90℃，可见C钢具有最优的低温韧性。

对3种成分试验钢进行全壁厚拉伸试验，并进行了从20℃至-60℃全壁厚落锤试验，3种成分试验钢拉伸性能如图5所示。从图5可以看出，抗拉强度基本一致，但屈服强度A钢最高，C钢最低，屈强比因屈服强度的影响，与屈服强度呈相似规律，说明C钢具有较好的均匀变形容量和极限塑性变形能力。3种成分试验钢在系列温度下落锤撕裂剪切面积结果如图6所示。从图6可见，C钢的剪切面积最高，在-40℃低温下仍满足表1要求，而A钢和B钢均不符合标准要求。

图5 3种成分试验钢拉伸性能

图6 3种试验钢系列温度下落锤撕裂剪切面积

3 30.2 mm厚X70钢板工业化生产

为试制φ1 219 mm×30.2 mm规格钢管，首先进行30.2 mm厚X70管线钢工业化生产，工业化生产采用表2中C钢的成分进行设计，使用400 mm×2 400 mm大壁厚连铸坯，提高有效压缩比，保证变形能充分渗透到钢板的芯部，提高钢板厚度方向上变形均匀性。由于厚度增加，为使冷却更均匀、充分，进一步降低了终冷温度，加大冷却速度。图7为大批量工业化生产钢板的力学性能。

从图7可以看出，钢板屈服强度平均值为515 MPa，抗拉强度平均值为626 MPa，-45℃冲击功平均值为404 J，-40℃低温DWTT剪切面积平均值为72%，性能呈正态分布，波动范围较窄。

图7 30.2 mm厚X70钢板工业化生产性能直方图

4 30.2 mm厚X70管线钢制管结果

钢板制成钢管有一个成型和冷扩径的过程，钢管的最终强度受包申格效应和加工硬化效应两种因素控制。φ1219mm×30.2mmX70管线钢管在番禺珠江钢管公司试制，制管后性能变化如图8所示。

图8 30.2 mm厚X70管线钢制管后板－管性能对比

30.2 mm厚X70管线钢经过制管后，钢管强度总体呈上升趋势，屈服强度上升0~20MPa，抗拉强度上升约10 MPa，符合贝氏体组织钢板制管特性。低碳贝氏体管线钢具有连续屈服行为，这种组织特性在钢板制管加工和扩径过程中，由于形变强化作用明显，使得钢管的强度比钢板的强度高，但钢管屈服强度与抗拉强度的均衡增加使得钢管屈强比仍然保持较低水平。

焊缝宏观形貌及热影响区金相组织如图9和图10所示。可以看出，从母材到热影响区过渡自然，无明显组织突变，说明焊接工艺良好，焊缝韧性能保持较高水平。在钢管焊缝处制备金相试样，然后进行硬度试验，焊缝接头硬度测试点如图11所示。

焊缝接头硬度测试结果见表3，从表3可以看出，母材、焊缝和热影响区的硬度均满足标准要求，各区的硬度均匀性良好，波动范围较小。对钢管的焊缝和热影响区的冲击性能进行了检测，其结果见表4。由表4可以看出，母材平均夏比冲击功约450 J，焊缝平均夏比冲击功约130 J，热影响区平均夏比冲击功约246 J，说明生产的钢板具有优异的焊接性能。

图9 焊缝宏观形貌

图10 热影响区金相组织

图11 焊缝接头硬度测试点

表3 焊缝硬度测试结果

表4 30.2 mm大壁厚X70管线钢管冲击韧性

5 结 论

（1）以先进洁净钢冶炼为依托，采用具有动态轻压下技术的400 mm特厚连铸坯和优化的TMCP生产工艺，是开发具有优良韧性厚规格管线钢的前提条件。

（2）研究了3种不同成分对厚规格X70管线钢低温韧性的影响，在相同工艺下，C含量降低及Mo含量增加会促进贝氏体转变，提高贝氏体组织含量，增加钢板韧性。

（3） 以低 C（w(C)=0.045%）－Mo－Ni复合成分体系为基础，工业化生产的30.2 mm厚规格X70管线钢性能分布均匀，波动范围小，制管后性能小幅上升，焊缝及热影响区组织接近母材，具有良好的焊接性能。

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