低屈强比X65M管线钢的研制

2019-09-03袁婷婷

山东冶金 2019年4期

袁婷婷

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照276800）

1 前言

管线运输是长距离输送石油、天然气最经济合理的方式，随着石油、天然气需求量增加，管线钢发展迅猛。为了提高输送效益、降低能耗、减少投资，长输管线向高压、大口径输送方向发展。同时对管线钢提出了高强度、高韧性、高纯净度、良好焊接性、低屈强比的目标要求。由于管线钢运行的地理环境复杂、气候条件苛刻，其运输过程中的安全要求较高，而屈强比的大小代表材料从变形到断裂的形变裕度，通常将它作为衡量管道安全的重要参数。近几年国内外众多管道建设项目，如沙特等国家的管道建设项目纷纷提出了调质型管线钢的生产需求。因此，研究开发调质型低屈强比、高强度、高韧性的X65M管线产品来满足工程需要有着重要意义。

2 管线钢研制过程

2.1 性能要求

X65M管线钢主要力学性能要求见表1。

表1 试验钢力学性能要求

2.2 成分设计

当碳含量控制在0.07%，Nb控制在0.042%时，试验钢屈强比最低可到0.86，但强度较低。从强度机制方面考虑，各强化机制对屈服强度和抗拉强度的作用程度不同。如位错强化使屈服强度增幅大于抗拉强度增幅，因此位错密度的增加会导致屈强比增加；晶界强化使屈服强度的增幅大于抗拉强度的增幅，因此晶粒的细化会导致屈强比增加。沉淀强化使屈服强度的增幅略大于抗拉强度的增幅，沉淀析出使材料屈强比略增加。而固溶强化使屈服强度的增幅略小于抗拉强度的增幅，因此固溶合金元素含量的增加使材料的屈强比减小。提高试验钢中的C，增加了V的固溶强化作用，降低Nb的细晶强化作用。具体成分C 0.09%～0.12%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.45%～1.70%，P 0～0.02%，S 0～0.01%；Nb 0.030%～0.040%，Ti 0.015%～0.035%，V 0.040%～0.075%。

2.3 试制工艺

2.3.1 冶炼工艺

精炼过程根据目标成分加入微调合金，LF钙处理后，软吹时间大于10 min，VD/RH保真空不低于15 min。连铸控制要求：连铸机应处于良好的工况，全程惰性气体保护浇铸，全程软吹氩，防止二次氧化。保持中包、结晶器液面稳定，中包温度目标过热度10～25℃。确保铸坯表面及内部质量，确保铸坯C类偏析2.0以下，中心疏松0.5以下，不得有明显夹杂及其他内裂纹等缺陷的存在，无表面缺陷。

2.3.2 热处理工艺

在常规管线钢热轧态TMCP生产工艺的基础上，按照调质工艺进行生产，对18 cm厚的X65M管线钢，淬火温度选择（870℃，900℃，910℃）。图1为不同淬火温度和不同回火温度的热处理试验后X65M管线钢的力学性能变化。从试验结果来看，淬火工艺相同，随着回火温度的升高，屈服强度、抗拉强度依次降低，伸长率逐渐提高，由于屈服强度降低的幅度较抗拉强度大，从而导致屈强比随回火温度的升高而降低。

当回火温度为640℃，钢板屈强比达到0.89%～0.90%，当回火温度700℃时，900℃淬火钢板屈强比较低为0.79%～0.81%，屈服和抗拉强度分别为400～404 MPa和496～508 MPa。后经多次重复性试验可知，当回火温度选择在660～680℃，不同回火温度强度指标差异非常大，660℃回火得到的组织为索氏体组织，屈服和抗拉强度分别为547 MPA、644 MPa。670℃回火，屈服和抗拉强度分别为520 MPa、608 MPa。660～670℃回火屈强比为0.79～0.85。

图1 淬火温度和回火温度对X65M力学性能的影响

2.4 性能结果及组织分析

用浓度4%的硝酸酒精对金相试样进行浸蚀，并在光学显微镜下进行观察，金相检测组织如图2所示。显微组织为回火索氏体，从试样边部至厚度中心部位显微组织较为均匀。

图2 18 cm调制型X65M厚度方向金相组织形貌

试样钢淬火组织主要为板条马氏体，淬火温度以影响奥氏体晶粒尺寸和合金元素的固溶度，从而影响淬火组织。当淬火温度在870℃时，屈服强度较低，根据文献可知，钢板中有未溶解的铁素体含量较高，钢板未完全奥氏体化，淬火后强度会偏低。当淬火温度越高时，奥氏体晶粒尺寸就越大，淬火后得到的板条马氏体的板条束尺寸也就越大，对强度不利；另一方面，由于试验钢中含有Ti、V、Cu和Nb等合金元素，淬火加热温度越高，合金元素的固溶量就越多，在回火过程中会有更多的合金元素及其碳氮化物析出，较有利于提高屈服强度，提高屈强比。对试验钢而言，最终的力学性能受这二方面共同作用。可知当淬火温度为900℃时，能达到较好的力学性能匹配。

淬火后得到组织以板条组织为主，淬火态具有较高的硬度。试样钢的回火是一种回复过程，回火过程中析出相不断增多，析出强化作用不断增强。固溶强化效果与组织中固溶元素的浓度成正比，与之相对应的是由于析出相增加，合金元素的固溶比例不断减少，固溶强化效果减弱。回火温度660℃时，回火组织为均匀的回火索氏体，回火温度继续升高到670℃以上时晶粒长大，板条束宽度增加，发生多边形化，导致试验钢强度下降。淬火温度900℃，回火温度660～670℃时，多次试验落锤＞80%，屈强比小于0.85。