厚规格高级别管线钢X80的研究与开发

供稿|徐勇，文小明 / XU Yong, WEN Xiao-ming

厚规格高级别管线钢X80的研究与开发

Research and Development of Thickness High Grade Pipeline Steel X80

供稿|徐勇，文小明 / XU Yong, WEN Xiao-ming

作者单位：本钢集团公司产品研究院，辽宁 本溪 117000

内容导读

文章介绍了本钢2300热连轧生产线上生产的供中石油天然气管道用钢X80的生产工艺、金相组织以及产品性能。研究了轧制工艺对产品性能和金相组织的影响。厚度为21.4 mm的X80管线钢经制管后具有优良的力学性能，如较高的强度，较高的伸长率与较低的屈强比，屈服强度与抗拉强度波动范围小等优点，满足中石油建设安全与高效天然气管道项目的严格要求。

随着国内经济的快速增长，对煤炭、石油和天然气等能源的需求将会持续增长，为解决中国出现的环境污染问题，大力发展石油和天然气是我国能源发展的必然趋势。目前，中国政府正努力从中亚和俄罗斯通过管道来进口大量天然气。采用高压力和大管径管道来输送石油和天然气是最经济与最安全的运输方式，因此需要建设更高强度和更大管径的管道项目[1]。在厚度18.4 mm，φ1219 mm的X80管线钢成功应用在西二线和西三线的基础上，本钢开始对厚度21.4 mm管线钢X80的进行研究与开发，其热轧卷板规格为21.4 mm×1600 mm，所制钢管为螺旋埋弧焊管φ1422 mm将应用在中俄天然气管道东段800 km左右的试验段。随着钢板厚度的增加，钢板厚度方向边部和心部组织的不均匀性也增加，在保证钢板具有较高的韧性的同时还要使其具有较低的脆性转变温度，为此，必须保证未再结晶区的累积变形量与低温轧制，热连轧机组的特点在以上方面将很难达到，因此，进行厚规格高级别管线钢的生产技术研究具有重大意义。本钢采用2300热连轧，通过设计合理的化学成分与轧制工艺，生产的产品满足中石油“天然气输送管道(φ1422 mm×21.4 mm)管材技术规范第1部分：X80级螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板技术条件”标准。

化学成分及轧制工艺

众所周知，在高级别管线中，随着钢级的升高，韧性降低而屈强比明显的升高，因为显微组织从针状铁素体变为板条状贝氏体/马氏体组织。为避免形成珠光体和马氏体相，最大碳含量不得超过0.06%，同时，无论是从经济因素还是从最优的力学性能来考虑，碳含量不宜小于0.03%。锰含量最高添加到1.85%，这有利于抵消由于较低的碳含量造成的强度损失。此外，锰元素对于稳定奥氏体是非常有效的，考虑到降低冷却速率，添加一定量的Mo来限制在层冷过程中和卷取后多边形铁素体的形成。另外，添加一些Nb元素来确保获得强度和韧性的良好匹配。作为微合金化元素Nb，它的突出作用是显著的推迟再结晶温度，还可以起到细化晶的作用，尤其在钢板厚度方向心部位置。除了以上合金元素外，考虑到成本的因素，可以适当的添加Cr元素来提高强度(表1)。

在本钢2300 mm热连轧机组上采用TMCP工艺生产的厚度21.4 mm X80钢，根据相关标准对拉伸性能、夏比冲击功与硬度进行了分别测试。

试验结果与讨论

显微组织

图1为卷取温度为400 ℃的金相显微组织，针状铁素体中弥散分布M-A岛，并且存在细小的准多边形铁素体以及GB，M-A组元细小，分布均匀，数量适中，钢板厚度方向组织均匀，无明显差异，DWTT测试合格(图2)。

表1　21.4mm X80钢化学成分 （质量分数)%

图1　21.4 mmX80钢卷取温度400℃厚度方向显微组织形貌. (a) 心部组织；(b) 边部组织

因为冷却速度较高，针状铁素体转变开始温度较低，相变驱动力越大，碳原子的扩散不充分，铁素体/奥氏体相界面碳富集不充分，低温时不能转变为M-A，导致针状铁素体内的M-A岛变得细小，分布也更弥散。因此适当的快冷可以减少岛状物的百分含量，并使其细而弥散的分布于基体中，随着冷速减缓，M-A百分含量增加，其尺寸增大。图3是卷取温度为480℃的金相组织，试样组织中除AF外还出现较大的PF，而且晶粒较粗大，最终导致DWTT不合(图4)，由于卷取温度较高，针状铁素体转变难以进行完全，在冷却过程中形成多边形铁素体，或块状转变，然后在冷却过程中逐渐形成不同类型的混合组织，组织较粗大。

力学性能

21.4 mm X80管线钢钢板力学性能见表2，从表2可以看出屈服强度为555~635 MPa，抗拉强度为708~746 MPa，此外，屈强比低于0.88并且韧性优良。图5是X80钢板系列温度下的冲击功试验，试样方向为与板卷轧制方向30°，V型缺口，测定不同温度对应的冲击功值，并根据试验结果做出冲击韧性与温度关系曲线，低温脆性转变温度为-20℃以下。图6为DWTT随温度变化关系，在-20℃以下，DWTT恶化。

图2　DWTT合格试样的断口SEM形貌. (a) 断口试样未腐蚀的组织形貌；(b) 断口试样腐蚀后的组织形貌

图3　21.4 mmX80钢卷取温度480℃厚度方向显微组织形貌. (a) 厚度方向心部组织；(b) 断口附近微裂纹分布

图4　DWTT不合试样的断口SEM形貌. (a) 断口试样未腐蚀的组织形貌；(b) 断口试样腐蚀后的组织形貌

表2　21.4 mm X80管线钢钢板力学性能

用厚度21.4 mmX80钢板制成φ1422mm螺旋埋弧焊钢管，制管后的力学性能检验结果见表3，表明X80钢管的屈服强度约为630~670 MPa，抗拉强度为745~775 MPa，平均屈强比为0.85，最大伸长率达到了23%，在-20℃最大冲击功为300 J，并且在-15℃下DWTT最小值为87%，性能波动较小。稳定的力学性能表明厚度21.4mm X80管线钢取得了工业化生产的能力。

图5　21.4mm X80钢板夏比冲击功随着温度变化关系

图6　21.4mm X80钢板DWTT随着温度变化关系

表3　21.4mm X80管线钢螺旋埋弧焊管力学性能

讨论

DWTT试样断裂后的显微裂纹见图3和图4，断裂部位附近存在大量M-A组元，分析认为由于钢板较厚，两侧冷却速率存在一定差异，冷却后，由于心部与边部存在温度梯度，卷取后返热严重，在卷取机内因定型水持续喷射在外圈引起最外圈钢板两侧冷却速率不同，最终导致组织差异。此外定型水也引起局部冷却速率过大，引起M-A组元增加。

结论

(1) 本钢2300热连轧机组生产的厚度21.4 mm X80管线钢，屈服强度为555~635 MPa，抗拉强度为708~746 MPa，性能波动小，并且低温脆性转变温度为-20 ℃以下，屈强比低于0.88，制管后在-20 ℃DWTT值达到了93%，韧性优良。

(2) 生产厚度21.4 mm X80过程中，当卷取温度过高时，导致组织出现较大的准多边形铁素体，不仅大幅度降低板材的强度值，同时对冲击功、DWTT等韧性指标也急剧恶化，组织细化不足。当卷取温度偏低时，M-A组元体积百分数增加，容易在厚度方向心部出现M-A的偏析带，恶化板材的恶化板材的DWTT值，同时也可降低板材的冲击功值。

(3) 在生产厚规格X80时，卷取机定型水长时间对钢卷外圈冷却，易造成外圈组织出现大量M-A组元，导致DWTT不合。

作者简介：徐勇(1979.9—)，男，硕士，工程师。

DOI：10.3969/j.issn.1000－6826.2015.04.07