鞍钢厚规格L555M管线钢热轧卷板的研制

黄国建 ，黄明浩 ，王杨 ，董洋

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司热轧带钢厂，辽宁 鞍山 114021）

现代管线钢已成为低合金高强度钢和微合金钢领域内最富有活力、最具研究成果的一个重要分支，具有高技术含量和高附加值。近年来，为降低天然气管道建设和运营成本，提高输送效率，采用高钢级、厚规格、大口径高压输送已成为长距离油气管道建设的主流趋势［1-5］。目前L555M（X80）钢级管道工程的管径扩大至1 422 mm，工作压力提高至18 MPa，是全球应用里程最长的高钢级材料，而中国L555M（X80）钢级管道的总里程居世界首位［5-7］。

中俄东线输气管道工程是国家重要的能源战略工程之一，北起黑龙江省黑河市，途经吉林长岭、河北永清，南至上海，管道全长约3 400 km，是我国目前口径最大（1 422 mm）、压力最高（12 MPa）、单管输气量（3.8×1010m3）国际最大的长输管道工程。干线采用API L555M（X80M）钢级，螺旋钢管的最厚规格21.4 mm，化学成分要求严格，强度韧性匹配要求高，-20℃落锤撕裂试验（DWTT）的剪切面积均值85%以上，且具有较严格的环焊要求，技术难度极大。2018-2019年，鞍钢采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚L555M管线钢热轧卷板，制成最大管径1 422 mm规格螺旋埋弧焊钢管，应用于中国中俄东线输气管道工程。

1 产品设计

1.1 工程技术条件

本产品工程技术条件涉及Q/SYGD 0503.1-2016《中俄东线天然气管道工程技术规范 第1部分：X80级螺旋缝埋弧焊管用热轧板卷技术条件》，Q/SYGD 0503.2-2016《中俄东线天然气管道工程技术规范 第2部分：X80级螺旋缝埋弧焊管技术条件》，01-GI001#EPL-DS-0103 《黑河-长岭段干线线路钢管数据单》。本工程21.4 mm厚规格L555M管线钢热轧卷板的化学成分要求见表1。

表1 L555M管线钢热轧卷板化学成分要求（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Hot Rolled Coils for L555M Pipelines（Mass Fraction） %

与美国石油协会API SPEC 5L标准相比，Mn元素上限要求有所下降，Cr、Mo、Ni和Cu等合金元素上限要求明显降低，且Cr、Mo、Ni同时提出下限要求。

L555M管线钢热轧卷板的力学性能要求如表2所示。试样取样的方向要求与轧制方向成30°，根据相关研究［8］，30°方向为材料强度最薄弱的方向，还需要同时满足-20℃低温韧性要求，特别是厚规格材料的DWTT性能保证难度极高。

表2 L555M管线钢热轧卷板的力学性能要求Table 2 Mechanical Properties of Hot Rolled Coils for L555M Pipelines

1.2 合金设计

L555M管线钢采用低碳高铌的C-Mn-Mo-Cr-Nb合金体系设计，适当添加Ni、Cu，低冷裂纹敏感系数Pcm，综合利用合金元素固溶、细晶、位错、析出和相变等强化机制，组织形态为针状铁素体混合组织（AF+少量MA）。L555M管线钢的主要化学成分目标值见表3。

表3 L555M管线钢的主要化学成分目标值（质量分数）Table 3 Target Values of Main Chemical Compositions in L555M Pipelines（Mass Fraction） %

C为碳化物形成元素，对提高强度效果明显，但为了保证低温韧性，采用低碳低冷裂纹敏感系数Pcm，碳的质量分数不大于0.06%，Pcm不大于0.21%；Mn通过固溶强化方式提高强度，且有助于细化相变组织，但含量过高容易产生连铸坯的中心偏析；Nb主要析出强化降低相变温度，Nb的质量分数大于0.06%，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［9-11］；Mo、Cr、Ni等元素均在γ－α相变过程中对获得针状铁素体组织起重要作用，并可改善低温韧性。

1.3 工艺设计

L555M管线钢热轧卷板生产一般采用常规热轧生产线，连铸板坯厚度为230 mm或260 mm。而鞍钢采用独特的ASP生产工艺，连铸坯厚度仅为170 mm。

L555M管线钢生产工艺上采用纯净钢冶炼连铸技术、TMCP轧制技术和超快冷技术，其主要工艺流程：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼（RH＋LF+钙处理）→连铸→加热→轧制→超快冷+层流冷却→卷取。

冶炼连铸：采用纯净钢冶炼工艺，经转炉冶炼和炉外精炼，使S、P、O、H、N等杂质元素达到较低水平，夹杂物球化并做到细小弥散，连铸过程投入动态轻压下，控制中心偏析，铸坯厚度为170 mm。

轧制冷却：在2150ASP机组，采用TMCP技术和超快冷+层流技术结合。由于连铸坯厚度仅为170 mm，总压缩比在8以下，必须实现全流程控制才能最终保证高强度和良好低温韧性。粗轧保证单道次变形量大于20%，精轧保证大的累积变形量，轧后采用超快冷+层流方式，获得细小均匀的针状铁素体组织。

2 组织和性能

2.1 卷板的微观组织

在莱卡DMI5000M型光学金相显微镜下观察21.4 mm厚L555M管线钢，典型金相组织见图1。其微观组织为针状铁素体为主的混合组织，含有少量MA岛，微观组织均匀细小，晶粒度评级达12级，带状组织轻微，夹杂物完全球化，可保证L555M管线钢同时具有高强度和良好的低温断裂韧性。

图1 L555M典型金相组织Fig.1 Typical Metallographic Structures of L555M

在Tecnai G220型分析型透射电镜下，采用复型法观察L555M热轧卷板碳氮化物第二相粒子，第二相粒子析出相和EDS分析见图2。观察表明，试样中普遍分布有（Nb，Ti）（C，N）的第二相粒子，大部分尺寸在40～100 nm，弥散分布于基体中。这些微小的析出相具有阻止奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体再结晶的作用，可有效细化晶粒，对提高管线钢强度和韧性具有明显作用。

图2 第二相粒子析出相和EDS分析Fig.2 Precipitated Phase by Second Phase Particles and Analysis Results by EDS

在Tecnai G220型透射电镜下，采用薄膜法对L555M热轧卷板的微观组织进行观察，L555M管线钢的TEM组织结构如图3所示。通过观察可以看出，L555M管线钢组织类型为针状铁素体，具有明显M/A组织，且基体组织上位错密度较高。

图3 L555M管线钢的TEM组织结构Fig.3 TEM Microstructures of L555M Pipeline Steel

2.2 卷板的力学性能

在2150ASP生产线批量生产中俄东线工程用21.4 mm×1 550 mm×Cmm规格L555M管线钢热轧卷板，其主要力学性能统计见表4。统计表明，L555M卷板拉伸性能和硬度适中，低温断裂韧性良好，指标稳定，完全满足标准要求。

表4 L555M管线钢卷板的主要力学性能统计Table 4 Statistics on Main Mechanical Properties of Steel Coils for L555M Pipelines

2.3 卷板系列温度断裂韧性

对21.4 mm厚L555M卷板进行系列温度夏比冲击试验，结果见图4。

图4 系列温度夏比冲击结果Fig.4 Results of Charpy Impact Tests at Different Temperatures

由图4可知，卷板-60～0℃范围内的冲击功波动较小，且卷板-60℃冲击功在330 J以上，低温冲击性能良好。对卷板进行系列温度DWTT试验，结果见图5。

由图5可知，卷板-25～0℃范围内，DWTT的剪切面积值都在90%以上，-20℃开始有所降低，卷板整体低温韧性良好。

图5 系列温度DWTT结果Fig.5 Results of DWTT Tests at Different Temperatures

2.4 钢管环焊工艺适应性评价

2018年，中国石油天然气管道科学研究院对鞍钢股份/辽阳钢管单炉试制和千吨试制的D1 422 mm×21.4 mm L555M螺旋缝钢管进行钢管环焊工艺适应性评价，评价结论如下：

（1）手工焊结论：鞍钢股份/辽阳钢管批量试制L555M螺旋缝钢管样品焊条电弧焊环焊接头各项性能均满足标准要求。

（2）半自动焊结论：鞍钢股份/辽阳钢管批量试制L555M螺旋缝钢管样品药芯焊丝气体保护焊环焊接头各项性能均满足标准要求。

（3）全自动焊结论：鞍钢股份/辽阳钢管批量试制L555M螺旋缝钢管样品实心焊丝自动焊环焊接头各项性能均满足标准要求。

3 应用情况

2018年，鞍钢采用独特的ASP生产工艺，采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚规格L555M管线钢热轧卷板。2019年，采用低碳高铌C-Mn-Mo-Cr-Nb系针状铁素体组织设计、纯净钢冶炼连铸技术和TMCP技术，在鞍钢2150ASP生产线批量生产出21.4 mm厚规格L555M管线钢热轧卷板，在钢管厂制成1 422 mm管径螺旋埋弧焊钢管，卷板和钢管通过第三方评价，产品完全满足工程技术标准，应用于中俄东线管道工程。

4 结语

鞍钢2150ASP生产大管径厚规格L555M管线钢的开发与应用取得突破性进展，制成螺旋埋弧焊管应用于国家重大管道工程，最大管径为1 422 mm、最厚规格为21.4 mm，标志着中国高钢级螺旋焊管用管线钢的开发与应用跨入国际领先水平。

鞍钢厚规格L555M管线钢采用低碳高铌CMn-Mo-Cr-Nb系针状铁素体组织设计，低冷裂纹敏感系数，适当添加Ni、Cu等元素。鞍钢ASP生产工艺独特，采用纯净钢冶炼连铸技术、TMCP技术，综合利用固溶、细晶、位错、析出和相变等强化机制，成功开发出厚规格、大口径、高输送压力用21.4 mm厚X80M热轧卷板，产品最终组织为细小均匀的针状铁素体组织，具有高强度、良好的低温韧性和焊接性能，-60℃的冲击功值大于330 J，-20℃的DWTT的剪切面积大于90%，产品应用于中俄东线管道工程。