管线钢X65的研究与应用

武 振

（南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京 210035）

随着世界经济的发展和我国能源安全的优化调整，对石油天然气等工业能源的需求，管线钢的发展越来越快，需求也越来越大。管线钢主要用于运输石油、天然气、液化石油气、化工原料等能源，与传统的运输方式（如汽车运输、火车运输、船舶运输等）相比，管道运输具有运量大、成本低、效率高、方便安全等优点，是最经济的运输方式[1]。管道运输也是欧美发达国家和中东产油区国家首选的运输方式。管道运输会经过长距离的输送，环境恶劣，温差较大。为了提高输送效率，管道工程发展趋势是大管径、高压输送。石油开采已经经过多年的发展，目前的油气田大多在偏远、高寒、腐蚀严重的环境中，管道工程经过恶劣的环境地区，人迹罕至，地形地质复杂，在输送过程中可能要穿过沙漠，湖泊、地震带，昼夜温差很大。所以管线钢不仅具有较高的强度，而且还具有良好的韧性、疲劳性能、抗断裂和耐腐蚀性能。图1为石油管道运输。

图1 石油管道运输图

1 国内外低合金高强度钢的发展现状

在国外，第一条铅制管道在1806年由英国伦敦安装，1843年开始采用铸铁管，1925年美国建成第一条天然气焊接钢管，1985年德国成功研制X80级钢管，并于1994年在天然气管道上使用[2]。高等级管线钢X60的开发和使用要追溯到上世纪60年代，高强度管道钢管的里程碑事件是在1968年环阿拉斯加管线工程的建设，由日本三大钢铁公司提供了直径为φ1219mm的50×104t的X65级管线钢。上世纪80年代，工程建设领域开始使用X70管线钢，90年代部分管道开始试运行X90。新日铁创新工艺，生产出X100管线钢，欧洲几个国家也可以生产。2001年～2004年Exxon Mobil公司联合新日铁和住友金属，开发出X120管线钢并试验铺设。

国内管线钢发展较晚，但速度较快。目前国内生产管线钢的厂家主要有宝钢、鞍钢、沙钢，首钢等。国内主要采用合理的成分设计，Nb、V、Ti等合金元素的综合作用，降低S含量，并控制加热，控轧控冷工艺，能够满足国内的基本需要，有的出口到印度，沙特等国。

2 技术要求与成分设计

根据GB/T 9711-2017的标准，X65的力学性能要求如表1。

表1 X65的力学性能要求

碳元素是重要的、经济的强化元素之一。业界管线钢含碳量普遍控制在0.03%～0.12%之间。碳含量的越高，钢的强度越高，但冲击韧性则会降低。碳对焊接性能的影响也非常大。通过降低碳含量和添加合金元素，实现强度高、冲击韧性好、焊接性好的管线钢的生产。锰的主要作用是固溶强化，为了弥补降低碳含量造成的强度损失，管线钢可以采用增加锰含量的办法。但是锰含量过高，会增加钢板带状组织，降低韧性合各向异性等问题，所以锰含量的目标为1.35%。Nb、V、Ti是管线钢中的重要合金元素，他们可以通过细化晶粒和沉淀硬化来提高管线钢的强度和性能。Nb的主要作用是提高管线钢的低温韧性，Nb能抑制奥氏体再结晶，有晶粒细化和沉淀强化的作用，是管线钢中非常重要的合金元素。Ti的沉淀强化作用强于Nb，晶粒细化作用较Nb弱。在冶炼过程中，微量Ti可以形成TiN，具有沉淀强化的作用。V可以促进管线钢铁素体中C、N化合物的析出，也具有沉淀强化的作用。S、P、O、H都属于有害元素，要严格控制，尽量消除。S能严重降低韧性。P容易促进偏析，降低焊接性能和冲击韧性，易冷脆。H易发生H脆，裂纹。O越高，容易形成氧化物，严重影响性能。表2给出了X65的化学成分目标。

表2 X65化学成分目标（Wt/%）

3 生产工艺

钢的纯净度是影响性能的重要指标，在冶炼过程中应采用低硫化铁水，通过真空脱气和电炉精炼夹杂物，并采用钙处理使其变性和变形。当加热温度过高时，原奥氏体晶粒变粗。转变后的铁素体晶粒变粗。钢的韧性降低了。适当的加热温度可以增加奥氏体中微合金元素的固溶量，有利于晶粒细化、钢的强度和奥氏体再结晶终止温度。但加热温度不能过低，否则会使微合金化的碳氮化物不溶于奥氏体中，从而降低钢的性能。所以我们将目标温度设定在1150℃。

轧制可得到细小的奥氏体晶粒，轧制组织可分为再结晶区、部分再结晶区和非再结晶区。因此，轧制可分为再结晶区、非再结晶区和双相区三种轧制方式。在奥氏体再结晶区，粗化可以得到高温下多次大变形的晶粒，每一步的变形都大于再结晶的临界变形尺寸，可以得到较细的铁素体组织。在奥氏体区精整轧制过程中，通过在奥氏体非再结晶区积累大量变形，可以得到高密度的变形孪晶和变形带。同时，应变诱导的碳氮化物析出可以为铁素体相变提供更多的成核位点[3]。

影响精轧温度的主要因素是精轧道次数、起始温度和中间坯厚度。奥氏体晶粒的再结晶发生在终轧后和相变前。恢复软化降低位错密度，不利于变形能的积累，降低铁形核的驱动力，阻碍晶粒细化。为了有效地细化颗粒，减少最终轧制温度的方法可以在Ar3采用快速冷却温度，加快相变过程相变温度区，这不仅能提高材料的强度，但也适当地提高塑性材料。设定目标温度为 830℃[4]。

控制冷却过程中，钢板的冷却速率越快，过冷度就越大，相变区，相变温度越低，——的增加，铁成核速率的增加，晶粒生长速率明显降低，温度和降水的减少复合形成的合金化元素和碳和氮。晶粒较细的化合物均匀地分布在基体上，有效地提高了轧钢的强度。冷却速率设定为15℃/s～20℃/s。返流目标温度为600℃。

图2 生产工艺流程图

图3 生产线图

4 试验结果

经过试验生产检测，试验钢屈服强度460MPa～490MPa，图4为屈服强度；抗拉强度565MPa～625MPa，图5为抗拉强度；延伸率18%～28%，图6为延伸性能。

图4 20mm屈服强度分布

图5 20mm抗拉强度分布

图6 20mm试样延伸率分布

5 结论

通过低C，适量Mn，加Nb的设计，再添加V、Ti等合金元素，采用控制轧制控制冷却的工艺路径，生产的X65各项性能良好[5]，达到GB/T 9711-2017的要求，已经批量供货，得到了广大客户的认可。