X80Q钢级无缝管线管的工艺研究

张哲平，王立志，史庆志，侯 强

（1.天津钢管集团股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301）

X80Q钢级无缝管线管的工艺研究

张哲平1，王立志1，史庆志2，侯 强2

（1.天津钢管集团股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301）

根据PSL2 X80Q技术指标的要求，选用钢种10MnVNbMo，在连续大生产条件下进行试制。对不同热处理制度处理后的管材的力学性能、金相组织进行分析，确定淬火温度950℃，回火温度670℃，保温30 min的工艺最佳，各项技术指标要求比较理想；且通过对低温冲击功的分析，为-80℃下的管线管开发和服役研究提供技术支撑。

热处理；力学性能；组织；无缝钢管

1 引言

随着世界海洋油气资源勘探和开采力度的不断加大，海洋工程、海洋装备等空前迅猛发展起来，相应地21世纪应用于深海油气的输送管线、开采平台用管、化工厂内存储管等苛刻的技术要求也变得迫切起来[1]。具有适当强度、较好的低温韧性、良好的焊接性能、满足用户等一系列要求的管线管产品需求急剧增加，使得从实验室研发的产品转化到工业连续性大生产迫在眉睫。PSL2 X80Q钢级管线管是我公司最近研发的低温高冲击功管线用钢，不仅可承受高压及长距离输送输气能力，还适用于海上严苛条件下服役。本文选用钢种10MnVNbMo试验研发PSL2 X80Q钢级管线管，通过在连续生产的工业炉上试制后，对其力学性能、金相组织等进行分析，选定了适用于连续大生产的热处理工艺制度。

2 生产工艺制定

2．1 钢种选择

钢种采用10MnVNbMo，研发PSL2 X80Q，重点考虑并要求Mo元素，其不仅能够提高壁厚钢管的淬透性，更能使钢管在较高的温度下生成回火贝氏体组织，从而更加有效地消除残余应力，提高塑性[2]。具体成分含量如表1所示。

表1 PSL2 X80Q化学成分 w/%

本次试验钢种的选择，兼顾到了后续在热处理工序热处理炉加热均匀性及高温回火的稳定性对性能的影响。

2．2 技术要求

根据SPEC API 5L（45th）和DNV规范等使用条件的要求，设计技术指标参数要求[3]如表2所示。通过合理地成分设计及热处理工艺制定，达到在较低温度下，获得较高冲击功的目的，同时产品具有良好的焊接性能和抗HIC、SSC性能。

2．3 工艺流程

表2 PSL2 X80Q技术指标

海绵铁+铁水+优质废钢→EAFLF→VD→CCM→冷却→管坯检验→管坯加热→穿孔→连轧→定径→冷却锯切→探伤检验→热处理→矫直→尺寸检验→探伤检验→取样分析→机加工→水压检验→成品包装。

2．4 工艺制定

选定需要热处理的钢管原料，取样后在DT1000型淬火膨胀仪上进行该钢种的CCT曲线测定。此钢种奥氏体化温度为940℃，AC3温度为894℃，为保证组织的充分转变及均匀化，故将热处理制度中的淬火温度设定为950℃。

该钢种的马氏体转变点为422℃，完全奥氏体化的前提下，在淬火冷却速度超出200℃/s时，组织能完全转化为马氏体，有利于提高强度；在淬火冷却速度超出50℃/s时，组织会出现贝氏体，有利于提高韧性；在淬火冷却速度继续降低，当低于50℃/s，高于3℃/s时，组织会出现铁素体，初步确定未经过热处理的钢管原料组织为M+B+F的组合体。结合连续大生产的实际情况，初步选定3种回火温度，分别为650、670、680℃，如表3所示。

表3 3种热处理工艺制度

3 结果与讨论

连续大生产试验时选取50支钢管为一个试验批次，按照上述三种热处理工艺制度，且操作人员监控工艺时温度控制在±2℃内，确保设备连续运转。生产结束后每组各取2个试样进行分析，结果如下。

3．1 拉伸及硬度试验

如表4所示拉伸和硬度等性能，除在650℃回火时两个试样的屈服强度超出指标要求，抗拉性能接近上线外，其它所有指标都满足要求，且670℃和680℃回火时屈服强度和抗拉强度性能处于中限，具有指导意义。

表4 拉伸及硬度试验结果

由试验结果可以看出，此钢种三种不同回火温度得到的屈强比均值在0．88左右，延伸率23%以上，这标明该钢种高温回火的热处理制度，性能比较稳定，可控性较强，还可以有效地去除因淬火产生的应力残留，得到回火索氏体的组织，以获得良好的综合机械性能。在670℃和680℃回火时，屈服强度、抗拉强度的变化不大，而在650℃进行回火时，钢种表现为硬度较高接近上限，屈服、抗拉较大幅度的提升,且已经高出X80钢级要求。

3．2 夏比冲击试验

选择670℃回火制度下的试样2-1进行了横向和纵向夏比冲击功试验，试样尺寸均为10 mm× 10 mm，温度分别为20、0、-20、-40、-60、-80℃，试验结果见图1、图2。

从图1、图2可以看出，该工艺制度下的横、纵向冲击功数值都在150 J以上，在设计-40℃时，纵向冲击功可以达到200 J以上，横向冲击功也在150 J以上，超技术指标62 J要求一倍以上，这标明该钢种的韧性指标良好。再者，从20℃的冲击功数值可以看出此钢种的韧脆转变温度点高于20℃，尤其在低温时使用安全可以得到更好保证。同时进行了-60℃和-80℃低温冲击试验，试验结果均在150 J以上，为后续更低温管线管的开发提供数据支撑。

3．3 组织分析

选择670℃回火制度下的试样2-1进行了500倍和1 000倍金相组织观察，照片见图3，图4。组织均为S回+B回+F少，晶粒度8．0级以上，夹杂0．5级以下，为性能的均匀、稳定性提供了坚实的基础。

图1 横向冲击功试验

图2 纵向冲击功试验

4 结论

（1）采用10MnVNbMo钢试验研发PSL2 X80Q钢级管线管，连续大生产条件下的热处理工艺制度可以选为淬火温度950℃，回火温度670℃，保温30 min，各项技术指标比较理想。

（2）通过对低温冲击功的分析，为-80℃下的管道管开发和服役研究提供技术支撑。

图3 金相组织照片（500X）

图4 金相组织照片（1 000X）

[1]杨才福，苏航．高性能船舶及海洋工程用钢的开发[J]．北京：钢铁，2012，47（12）：1-8．

[2]夏立芳．金属热处理工艺学[M]．哈尔滨：工业大学出版社，1996．

[3] Specification for Line Pipe．API SPECIFICATION 5L FORTYFIFTH EDITION[S]．

Process Study on X80Q Graded Seamless Pipe for Pipeline Application

ZHANG Zhe-ping,WANG Li-zhi,SHI Qing-zhi and HOU Qiang
(Machining Department and Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

According to the requirements by PSL2 X80Q technical indices,10MnVNbMo grade was selected for continuous production．Its mechanical properties and metallographic structure with different heat treatment systems were analyzed．All technical indices were satisfactory with 950℃ quenching temperature,670℃tempering temperature and 30 minutes'temperature maintaining．Through analyzing low temperature impact energy,the paper can provide technical support for the development and service study of pipe for-80℃pipeline application．

heat treatment;mechanical property;structure;seamless pipe

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．011

2013-09-14

2013-10-11

张哲平（1974—），女，硕士，主要从事金属材料研究与应用方面的工作。