低温L450M管线钢的开发和应用

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(鞍钢集团钢铁研究院 辽宁 鞍山 114009)

低温L450M管线钢的开发和应用

黄国建，任毅，孔祥磊，王爽

(鞍钢集团钢铁研究院 辽宁 鞍山 114009)

针对中俄原油二期工程采用高压大口径输送，要求L450M管线钢板材产品具有良好的低温DWTT断裂韧性，鞍钢采用低碳、铌微合金化、无钼或低钼的针状铁素体组织合金设计，同时结合纯净钢冶炼连铸工艺、热装轧制工艺和热机械轧制工艺等关键技术，鞍钢在2150ASP机组、4300机组和5500机组等研制开发出12.5～25 mm厚规格低温L450M管线钢热轧卷板和热轧钢板。产品具有细小均匀的针状铁素体组织、钢质纯净，保证产品具有高强度、良好的低温韧性和良好焊接性能等，制成螺旋埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管应用于中俄原油二期工程。

管线钢；L450M；断裂韧性；组织；力学性能

0 引 言

管道输送是长距离输送石油、天然气最经济、安全、高效和环保的运输方式，为降低天然气管道建设和运营成本，提高输送效率，采用高压、大口径输送已成为长距离油气管道建设的主流趋势。

中俄原油二线工程(简称漠大复线)起始于黑龙江省漠河县漠河首站，途径黑龙江、内蒙古两省，止于黑龙江省大庆市林源输油站，基本沿已建中俄原油漠大线敷设。管道全长941.8 km，管径813 mm，设计压力9.5～11.5 MPa，钢级L450M(X65M)，采用螺旋缝埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管。

鞍钢独家中标中俄原油二线工程用26万吨L450M管线钢热轧卷板和钢板，其技术关键是产品同时具有高强度和良好的低温断裂韧性，保证-25℃的DWTT和-40℃以下韧脆转变温度的技术要求。

1 基本冶金原理

鞍钢低温原油L450M管线钢的研制密切跟踪国际管线钢研究发展成果，结合鞍钢的工装特色，应用Nb微合金化钢的冶金原理[1-3]。其主要的思路如下：

1)合理的无钼或低钼合金设计：采用C-Mn-Cr-(Mo)-Nb系和C-Mn-Mo-Nb系，组织为针状铁素体设计，保证L450M管线钢具有良好的强韧性匹配。

2)低碳和低冷裂纹敏感系数：碳的质量分数不大于0.08%，有效控制碳和锰在连铸坯的中心偏析，有利于连续冷却转变时获得均匀的针状铁素体和贝氏体组织。低碳和低冷裂纹敏感系数保证管线钢具有良好低温韧性、良好焊接性能。

3)铌钛微合金化和热机械轧制技术：铌的质量分数0.02%～0.07%，高铌可延迟奥氏体再结晶，降低相变温度，促进针状铁素体组织和M-A岛的形成。微钛处理具有晶粒细化和改善焊接热影响区韧性的作用，保证管线钢焊管焊接热影响区韧性与焊管管体接近。铌微合金化和热机械轧制技术的结合，充分应用细晶、固溶、相变、析出等强化机制，提高产品的强度和韧性。

4)纯净钢冶炼和炉外精炼工艺：降低硫含量和进行夹杂物变性钙处理，可大幅度提高L450M管线钢的低温断裂韧性。

5)无缺陷板坯连铸技术和动态轻压下技术：无缺陷板坯连铸技术的应用可有效保证L450M管线钢的热装炉和表面质量，连铸动态轻压下技术的应用可有效控制连铸板坯的中心疏松和中心偏析。

2 低温L450M管线钢热轧卷板的研制

2016年，鞍钢低温L450M管线钢热轧卷板研制成功，同年在2150ASP机组批量生产约15万吨12.5/14.2mm厚L450M热轧卷板，在辽阳、华油、宝世顺和胜利等钢管厂制成D813 mm规格螺旋埋弧焊管，应用于中俄原油二线管道工程。

2.1 产品设计

L450M采用无钼和低钼的C-Mn-Cr-(Mo)-Nb系针状铁素体钢合金设计，碳含量为0.05%～0.07%，锰含量不大于1.70%，铌含量为0.04%～0.07%，冷裂纹敏感系数Pcm控制在0.20%以下，确保产品实物具有高强度、良好的低温断裂韧性和良好的可焊性。其工艺设计采用纯净钢冶炼连铸技术、热装轧制技术和热机械轧制技术。

2.2 组织分析

在莱卡DMI5000M金相显微镜下和在H-700型透射电子显微镜下，观察14.2/12.5 mm 厚L450M热轧卷板的金相组织和微观组织形貌。观察发现其典型微观组织为针状铁素体(AF)为主的混合组织，同时分布着少量细小的M-A岛，组织分布均匀，晶粒尺寸细小，带状组织轻微，夹杂物完全球化且细小，具体如图1～3所示。组织决定性能，这种细小均匀的针状铁素体组织特征保证了L450M管线钢具有高强度和良好的低温断裂韧性。

2.3 力学性能

图1 12.5mm厚L450M卷板试样 的金相组织

图2 14.2 mm厚L450M卷板试样的金相组织

图3 L450M卷板试样的TEM组织

L450M产品生产过程和工艺控制稳定，性能合格率达100%，原品种成材率96.3%，各项力学性能指标的Cpk值均大于1.33。

2.3.1 板卷的主要力学性能

生产检验统计表明：鞍钢生产12.5/14.2 mm 厚L450M热轧卷板拉伸、夏比冲击、DWTT等性能良好，满足中俄原油二线管道工程技术规格书、相关数据单文件和制管厂技术协议，见表1。

2.3.2 管体系列冲击和系列落锤试验

按ASTM E23 和 API RP 5L3标准分别进行系列冲击和系列落锤试验，-40℃的DWTT仍满足标准，韧脆转变温度低于-60℃，具有良好低温断裂韧性，见表2。

2.3.3 L450M板管性能变化

鞍钢L450M钢板发往钢管厂制成D813 mm管径，按统计规律Rt0.5、Rm和Rt0.5/Rm均有所降低，见表3。

表1 12.5/14.2mm厚L450M 管线钢卷板的力学性能统计

表2 12.5 mm厚L450M管体系横向列夏比冲击和落锤试验结果

表3 L450M管线钢的板卷制成螺旋焊管管体的拉伸性能变化

3 低温L450M管线钢热轧钢板的研制

2016年，鞍钢低温L450M管线钢热轧钢板研制成功，同年在5500机组和4300机组批量稳定生产约9万吨12.5/14.2/16/17.5/20.0/25.0 mm厚L450M热轧钢板，在巨龙钢管、宝世顺钢管、宝钢钢管和沙市钢管等制管厂制成D813mm管径直缝埋弧焊管，应用于中俄原油二线管道工程。

3.1 产品设计

本工程L450M采用低钼C-Mn-Mo-Nb系针状铁素体钢合金设计，碳含量为0.06%～0.08%，锰含量不大于1.73%，钼含量不大于0.10%,，铌含量为0.02%～0.06%，冷裂纹敏感系数Pcm控制在0.20%以下，确保产品实物具有良好的低温断裂韧性。其工艺设计采用纯净钢冶炼连铸技术和热机械轧制技术。

3.2 组织分析

在莱卡DMI5000M金相显微镜下和在H-700型透射电子显微镜下，观察16 mm和20 mm厚L450M热轧钢板的金相组织和微观组织形貌，典型显微组织见图4～6。观察发现其典型微观组织为针状铁素体(AF)为主的混合组织，同时分布着少量细小的M-A岛，组织分布均匀，晶粒尺寸细小，带状组织轻微，夹杂物完全球化且细小。组织决定性能，这种细小均匀的针状铁素体组织特征保证了L450M管线钢具有高强度和良好的低温断裂韧性。

图5 20mm厚L450M钢板试样的金相组织

3.3 力学性能

L450M产品生产过程和工艺控制稳定，性能合格率达93.5%，原品种成材率85.23%，各项力学性能指标的Cpk值均大于1.33。

图6 L450M钢板试样的TEM组织

3.3.1 钢板的主要力学性能

生产检验统计表明：鞍钢生产L450M热轧卷板拉伸、夏比冲击、DWTT等性能良好，满足中俄原油二线管道工程L450M钢板技术规格书、相关数据单文件和制管厂技术协议，见表4。

3.3.2 钢板系列冲击和系列落锤试验

取样2批，按ASTM E23 和 API RP 5L3标准分别进行横纵向系列冲击和系列落锤试验，韧脆转变温度低于-60℃，具有良好低温断裂韧性，见表5和表6。

3.3.3 L450M板管性能变化

鞍钢L450M钢板发往钢管厂制成D813 mm管径，按统计规律Rt0.5和Rm 均有所增加，而A50 mm和Rt0.5/Rm均有所降低，见表7。

表4 16 mm和20 mm厚L450M 钢板的力学性能统计

表5 L450M钢板横向系列夏比冲击性能结果

表6 L450M钢板横向系列落锤性能结果

表7 L450M 钢板制成直缝钢管的拉伸性能变化

4 结 论

密切跟踪国际管线钢研究发展成果，结合鞍钢的工装特色和国家重大工程项目，鞍钢低温L450M管线钢的开发与应用取得突破性进展。

1)与传统C-Mn-Nb-(V)系设计不同，鞍钢低温L450M管线钢采用无钼低碳C-Mn-Cr-Nb系和低钼C-Mn-Mo-Nb系针状铁素体组织设计。合金设计特点是采用低碳、高锰、通过钼或铬低合金化控制相变组织和铌微合金化细化晶粒和组织，组织形态均为针状铁素体组织+少量M-A组元。

2)鞍钢生产工艺独特，低温L450M管线钢生产采用炉外精炼技术、无缺陷板坯连铸技术、动态轻压下连铸技术、热装直轧技术、热机械轧制技术等。

3)低温L450M管线钢组织为以针状铁素体为主的混合组织，晶粒均匀细小，夹杂较少，带状轻微，析出物均匀弥散，产品具有高强度、良好的低温断裂韧性和良好焊接性能等，产品满足用户要求。

4)2016年，鞍钢先后批量生产出24万吨12.5/14.2mm厚L450M热轧卷板和12.5～25mm厚L450M热轧钢板，制成螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管，应用于中俄原油二期管道工程。

[1] HULKA.K,BRODINGNON P,Gray J M. Experimence with low carbon HSLA Steel containing 0.06-0.10 percent Niobium, NiobiumTechnical Report,No.1:04-08.

[2] 黄国建，张英慧，黄明浩等，经济型X70管线钢热轧厚卷板的研制，钢铁研究学报，2010，22(5)：51-54.

[3] ZUROB H S,ZHU G et al.Analysis of the Effect of Mn on the Recrystallization Kinetics of High Nb Steel:An Example of Physically-based Alloy Design.ISIJ International,2005,45(5):713-717.

[4] MEDINA S F，MANCILLA J E. Static Recrystallization Modeling of Hot Deformed Steels Containing Several Alloying Elements[J]. IS IJ International,1996,36(8):1070-1073.

DevelopmentofLowTemperatureL450MPipelineSteel

HUANGGuojian,RENYi,KONGXianglei,WANGShuang

(TheIron&SteelResearchInstituteofAnsteelGroupCorporation,Anshan,Liaoning114009,China)

The heavy pressure large-diameter pipe transportation is adopted in the second China-Russian crude oil project, which requires the L450M type pipeline steel with excellent low temperature DWTT fracture toughness. The acicular ferrite microstructure alloy is designed with low carbon, niobium micro-alloying system and no or little Mo along with the key advanced technology such as clean steel melting continuous casting, hot charging rolling process, and TMCP. The 12.5～25mm thick low temperature L450M pipeline steel of hot rolled plate and hot rolled coil are developed in 2150ASP, 4300 and 5500 production lines in Ansteel. The fine uniform acicular ferrite microstructure and clean steel make sure that the product possesses high strength, high low temperature toughness, excellent weld ability etc. The SSAW and LSAW pipes made from the coil and the plate have been applied in the second China-Russian crude oil project.

pipeline steel; L450M; fracture toughness; microstructure; mechanical properties

黄国建，男，1963年生，工学博士，教授级高级工程师，1987年毕业于东北大学材料加工工程专业，目前主要从事钢铁新产品的研发工作。E-mail：aghgj@163.com

TG142.79

A

2096-0077(2017)04-0021-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.006

2017-03-20编辑马小芳)