大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管的在线热处理工艺研究

2015-12-28黄电源张业圣

钢管 2015年6期

黄电源，张业圣

（衡阳华菱钢管有限公司技术中心，湖南衡阳 421001）

随着世界能源格局的变化，以及我国对石油、天然气开采与应用力度的加大，高钢级管线钢得以快速发展。虽然国内X70钢级钢板及焊接管线钢的生产已趋于成熟，但对于服役环境恶劣的地区，焊接钢管并不能满足实际需要；因此，高钢级管线用无缝钢管应运而生。目前，大直径厚壁高钢级管线用无缝钢管在国内一直是研发生产难点。

针对客户的技术要求，衡阳华菱钢管有限公司（简称华菱衡钢）在生产X65钢级及小直径X70钢级管线用无缝钢管的基础上，利用Φ720 mm周期轧管机组及在线热处理设备，进行了Φ406.4 mm×23.8 mm规格X70QS钢级管线用无缝钢管的研制，成功开发了具有高强度、高韧性以及良好耐蚀性的大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管。

1 化学成分

X70QS钢级管线钢属于高钢级抗酸性管线钢，不仅具有较高的强度、良好的低温韧性，而且具有良好的耐腐蚀性。因此，综合考虑X70QS钢级管线钢的技术要求，并结合华菱衡钢的生产实际，采取以低碳-锰-铌系为基础，再适量添加钒、钛等微合金化元素的设计思路，同时严格控制钢中磷、硫、氮、氢、氧等杂质元素含量。

低碳（≤0.1%）有助于改善钢的冲击韧性、塑性等。较低的碳含量可减轻钢在凝固时的偏析程度，对改善组织均匀性、提高抗氢致开裂（HIC）能力具有积极作用［1］。

锰不仅具有固溶强化作用，还可以推迟铁素体-珠光体转变，有利于形成细晶粒组织。

铌通过其溶质拖曳作用和形成碳化物、氮化物，显著延迟奥氏体再结晶，提高奥氏体再结晶温度。

钒、钛在热加工过程中能影响奥氏体晶粒，实现晶粒细化。同时，在轧制过程中，钒、钛会在铁素体基体上析出弥散分布的不可变形的碳氮化物质点而使强度增加［2］。

钼可扩大γ相区，抑制多边形铁素体形成，促进针状铁素体转变，提高钢的强度和冲击韧性。

Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS钢级管线用无缝钢管的化学成分（质量分数）见表1。从表1可看出：X70QS钢级管线用无缝钢管的碳含量（ ∧0.10%）低，适量的锰和钼，铌、钛复合微合金化，杂质元素硫、磷含量都比较低，纯净度较高，完全满足API Spec 5L—2013《管线钢管》标准对X70QS钢级的技术条件要求［3］。

表1 Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS钢级管线用无缝钢管的化学成分（质量分数） %

2 热处理工艺

X70QS钢级无缝钢管属于高钢级抗腐蚀产品，在生产中应采用淬火+回火的调质热处理工艺，使产品性能达到API Spec 5L—2013标准与客户要求。依据X70QS钢级管线用无缝钢管的化学成分及热处理工艺理论公式（Ac3=854-180C-14Mn+44Si-17.8Ni-1.7Cr）［4］，确定 X70QS 钢级管线用无缝钢管的Ac3温度为835℃，从而设计出X70QS钢级管线用无缝钢管在线水淬热处理工艺方案。通过利用定径变形后的余热以及控制水淬过程的冷却［5-6］，对钢管进行在线淬火，从而直接获得理想、均匀的微观组织。

在线淬火的具体实施工艺方案为：钢管在Φ720 mm周期轧管机组热轧生产后在冷床缓慢冷却到520℃，随后再进入加热炉进行奥氏体化。如果加热温度过低，则材料内还存在未溶解的碳化物，奥氏体组织不均匀，奥氏体中固溶的碳和合金元素含量偏低，淬火后的强度会偏低；如果加热温度过高，则奥氏体晶粒粗大［4］。因此，根据Ac3温度以及试验钢管出炉后的温降情况，选择其加热温度为920℃，保温60 min。钢管沿运输辊道出步进炉后，用手提式测温仪跟踪测试钢管温度。在定径变形时，钢管的温度为860℃，变形量为10%。定径变形完成之后快速水淬，从而确保钢管入水温度不低于Ac3，冷却速度大于40℃/s。其中，水淬方式采用内喷外淋，内喷水量为3 200 m3/h，外淋水量1 600 m3/h。X70QS钢级管线用无缝钢管的在线热处理工艺流程如图1所示。

图1 X70QS钢级管线用无缝钢管的在线热处理工艺流程

为了进一步分析在线淬火对X70QS钢级管线用无缝钢管的影响，试验同时也进行了离线淬火热处理工艺，钢管从室温加热到920℃、保温60 min，之后钢管沿运输辊道出步进炉到淬火槽，采用手提式测温仪测定钢管入水淬火温度为860℃，水淬方式为内喷外淋。X70QS钢级管线用无缝钢管的离线热处理工艺流程如图2所示。

随后，对两种淬火工艺生产的X70QS钢级管线用无缝钢管在560℃进行回火处理，在炉保温90 min。按API Spec 5L—2013标准进行拉伸试验、冲击试验和硬度试验，并切取金相试样，经研磨、抛光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下观察不同热处理工艺对应的微观组织。

图2 X70QS钢级管线用无缝钢管的离线热处理工艺流程

3 组织与性能

3.1 微观组织

图3所示为X70QS钢级管线用无缝钢管在线淬火后的微观组织，表层和心部的淬火组织均为典型的针状铁素体组织，晶粒度为10级。X70QS钢级管线用无缝钢管离线淬火后的微观组织如图4所示，表层组织为针状铁素体，但心部为珠光体和多边形铁素体组织。

图3 X70QS钢级管线用无缝钢管在线淬火后的微观组织

图4 X70QS钢级管线用无缝钢管离线淬火后的微观组织

在线淬火和离线淬火的表层冷却速度完全大于临界冷却速度［7］；因此，X70QS钢级管线用无缝钢管经淬火后的表面均能形成针状铁素体组织。但对比图3（a）和图4（a），在线淬火方式产生的针状铁素体数量更多，并且尺寸更细小。其主要原因是：在线淬火过程中，奥氏体晶粒经过定径变形后，单位体积内的有效晶界面积增加，贝氏体形核位置增多，从而提高针状铁素体形核的有效晶界面积［8］，提高针状铁素体的形核率，最终细化针状铁素体晶粒。

对于大直径厚壁管线用无缝钢管的热处理，由于热传导的阻碍，钢管从表层到心部的实际冷却速率不相同，表层的冷却速率快，心部的冷却速率较慢。当无应变（定径变形）时，冷却速率是影响碳原子扩散的主要因素［9］；因此，当钢管心部的冷却速率低于临界冷却速率时，心部只能得到多边形铁素体+珠光体组织，如图4（b）所示。

文献［10］指出：在相同冷却速率下，存在变形时的Bs比无应变时高30～80℃；因此变形对贝氏体转变起到了明显的促进作用，而针状铁素体从本质上是属于低碳钢的一种贝氏体组织。同时，在线热处理过程中的定径变形所引起的形变能促进奥氏体晶粒变形和晶粒转动，使晶界处的原子混乱度增大，从而增大晶界能，促进贝氏体的转变［11］。因此，相比离线淬火，经在线淬火后的X70QS钢级管线用无缝钢管，其心部更容易形成针状铁素体，如图 3（b）所示。

3.2 力学性能

对于大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管，离线热处理所得到的表层和心部组织相差较大，其内、中、外硬度值差异较大，导致钢管性能不均，从而影响钢管的力学性能。而X70QS钢级管线用无缝钢管在线热处理得到的屈服强度、硬度和低温（-20℃）冲击值明显提高，并且均匀性较好，管体横向冲击试样断口剪切面积为100%，X70QS钢级管线用无缝钢管的力学性能如图5所示，其硬度见表2。其主要原因是：在线热处理后，X70QS钢级管线用无缝钢管的表层和心部均是针状铁素体组织，以及位于晶界的细小弥散贝氏体粒。针状铁素体组织相当于短纤维增强和颗粒增强的复合材料。短纤维具有使裂纹偏转反射的作用，而位于晶界的贝氏体粒可以使变形中的位错钉扎，从而使材料强度进一步提高［12］。同时，针状铁素体具有较高的韧性，裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、互相交错分布的针状铁素体的阻碍，呈波浪起伏状扩展，所以裂纹扩展速度降低。

图5 X70QS钢级管线用无缝钢管的力学性能（试验温度-20℃，取横向10 mm×10 mm试样）

表2 X70QS钢级管线用无缝钢管的硬度HV10

因此，利用在线热处理生产工艺能极大地提高大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管的强度和韧性，使产品获得良好的综合性能。

3.3 耐腐蚀评价试验

将在线热处理工艺生产的大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管试样送中国石油集团石油管工程技术研究院进行抗硫化物应力腐蚀开裂（SSC）以及 HIC 试验［13］。

3.3.1 SSC试验

SSC试验采用 NACE TM 0177—2005《金属在H2S环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀》标准A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH溶液，试验前pH值为2.6~2.8。将试样置于密闭容器中，保持常温（25±3）℃、常压。试验期间，试验容器内连续通入H2S气体，出气口维持较低的通气速率（每分钟几个气泡），从而保持H2S的浓度及容器内微小的正压，阻止空气通过小的缝隙泄漏进入试验容器。经过720 h试验后，再以100 mL/min的速率通氮气排除H2S气体，取出试验试样。

图6所示为X70QS钢级管线用无缝钢管的SSC四点弯曲试样形貌。试样在10倍放大镜下观察均未产生裂纹。

图6 X70QS钢级管线用无缝钢管的SSC四点弯曲试样形貌

X70QS钢级在线热处理得到的针状体素体组织更为细小均匀，得到更多能承受氢压的晶粒，使得X70QS钢级管线钢的临界应力显著提高，从而大幅度提高其抗SSC性能。因此，通过在线热处理技术，大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管能获得优良的抗SSC性能。

3.3.2 HIC试验

按NACE TM 0284—2003《管道、压力容器抗氢致开裂钢性能评价的试验方法》标准进行HIC试验。96 h试验后，试样表面未发现氢鼓泡等缺陷；在放大100倍的情况下观察试样剖面形貌，无HIC裂纹产生，裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）均为0。

HIC试验说明采用在线热处理生产的X70QS钢级管线用无缝钢管具有良好的抗HIC能力。

4 结论

（1）采用新型的在线热处理生产工艺，成功研制和批量生产出适用于酸性环境下长距离油气输送的大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管。利用轧制后的再加热+定径工艺的在线淬火热处理方式，钢管的表层和心部均能获得针状铁素体组织，极大地改善了大直径厚壁X70QS钢级管线用无缝钢管的内部组织结构，从而获得优良、均匀的综合性能。

（2）与传统的离线热处理相比，在线热处理工艺省去了再加热奥氏体化过程，简化了生产工艺，降低了能耗，提升了产品的市场竞争力。

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