X80M鋼級φ1 219 mm×33 mm管線鋼管的開發(fā)

張志明，韓秀林，姜金星，武占芳，劉宏博，劉鑒衛(wèi)，趙 彪

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；2.南京鋼鐵股份有限公司，南京210001）

X80M鋼級φ1 219 mm×33 mm管線鋼管的開發(fā)

張志明1，韓秀林1，姜金星2，武占芳1，劉宏博1，劉鑒衛(wèi)1，趙 彪1

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457；2.南京鋼鐵股份有限公司，南京210001）

通過對X80M鋼級φ1 219 mm×33 mm大壁厚管線鋼管千噸級的試制，總結(jié)了大壁厚管線鋼管開發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)。采用超低C，控Mn，Nb和Ti微合金化成分設(shè)計(jì)和輕壓下、熱機(jī)械控制工藝（TMCP）超快冷等工藝控制措施，國內(nèi)首次批量開發(fā)出了X80M鋼級33 mm大壁厚管線鋼。其母材微觀組織為細(xì)小針狀鐵素體加彌散粒狀貝氏體。通過制管后檢測，母材及焊縫的拉伸性能、沖擊韌性和止裂性能等完全滿足陜京四線工程的要求。

焊管；X80M鋼；大壁厚；熱機(jī)械控制工藝（TMCP）；微觀組織

根據(jù)西氣東輸三線中段及陜京四線工程的設(shè)計(jì)要求，渤海裝備巨龍鋼管公司和南京鋼鐵股份有限公司聯(lián)合完成X80M鋼級φ1 219 mm×33 mm管線鋼管的開發(fā)及千噸級試制。該管線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高，特別是陜京四線工程，經(jīng)過位于溫帶干旱、半干旱、干燥草原地帶的西部地區(qū)。亦穿過溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候的東部地區(qū)。線路所經(jīng)地區(qū)的極端最低氣溫-39.3℃，對油氣輸送管線鋼管的可靠性、強(qiáng)度、韌性均提出了更高要求。X80M鋼級φ1219mm×33mm管線鋼管的成功開發(fā)，將為西三線中段、陜京四線工程以及將來的中俄管線工程建設(shè)提供技術(shù)支持[1]。

1 材 料

1.1 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)φ1 219 mm×33 mm大壁厚管線鋼管的力學(xué)性能特點(diǎn)，采用低C，控Mn，Nb和Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)，并加入Ni，Cr和Cu等合金元素。微合金化的重要目的是提高再結(jié)晶終止溫度，細(xì)化晶粒，強(qiáng)化組織，同時(shí)微合金元素的碳氮化物在高密度位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)上析出，會產(chǎn)生明顯的析出強(qiáng)化效應(yīng)[2]。為獲得良好的焊接性能和低溫韌性，w（C）嚴(yán)格控制在0.06%以下[3]，加人適當(dāng)?shù)腗n以達(dá)到所要求的強(qiáng)度，加入適量的Ni，Cu和Cr等合金元素降低合金化成本。在煉鋼過程中，采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術(shù)，嚴(yán)格控制鋼中的S，P，N和O等夾雜物，連鑄全過程保護(hù)澆鑄，防止發(fā)生鋼水增氮及二次氧化現(xiàn)象。φ1 219 mm×33 mm大壁厚管線鋼管的化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 φ1 219 mm×33 mm管線鋼管的化學(xué)成分 %

1.2 鋼板工藝控制

工藝技術(shù)路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF+RH→連鑄。鐵水預(yù)處理采用Mg粉+CaO作為脫硫劑，鐵水預(yù)處理后除清脫硫渣，預(yù)處理溫度≥1 250℃，有效控制硫化夾雜物含量。優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼吹氬工藝，防止液面裸露吸氣和二次氧化，有效控制內(nèi)生夾雜物的含量。LF爐精煉，RH高真空度≤0.3 kPa，保持時(shí)間≥20 min。該設(shè)計(jì)大大減少了氧化帶來的夾雜物。真空結(jié)束后對鋼水進(jìn)行夾雜物變性鈣處理，將串簇狀的Al2O3夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐武X鈣酸鹽，特別是低熔點(diǎn)易上浮的12CaO·Al2O3，即包圍MnS+CaS的復(fù)合夾雜物，它的熔點(diǎn)較高，軋制時(shí)不延伸，消除了MnS的不利影響，提高了鋼材質(zhì)量。

保護(hù)澆鑄，防止發(fā)生鋼水增氮及二次氧化現(xiàn)象，減少了鋼坯內(nèi)部內(nèi)生夾雜。使用自動加渣設(shè)備添加管線鋼專用保護(hù)渣，添加均勻，結(jié)晶器液面不“露紅”，結(jié)晶器液面穩(wěn)定。大包長水口的浸入深度控制在110～160 mm，做好保護(hù)澆注及中間包密封工作，采用反鑄坯鼓肚波動及反表面波模塊的結(jié)晶器液面控制技術(shù)，使穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)刻的結(jié)晶器液面波動控制在±2 mm以內(nèi)，防止卷渣，減少了外來夾雜物的含量。

優(yōu)化的TMCP工藝技術(shù)方案出鋼溫度控制在1 100～1 200℃，加熱時(shí)間≥200 min，粗軋開軋溫度控制在1 000～1 080℃；精軋開軋溫度控制在800～880℃；終軋溫度控制在750～820℃，保證粗軋最后道次壓下率≥15%，入水溫度控制在700～780℃，終冷溫度≤450℃，冷卻速度為15～25℃/s。通過對上述工藝嚴(yán)格控制，獲得均勻細(xì)化的針狀鐵素體組織，其中包括貝氏體、準(zhǔn)多邊形鐵素體、多邊形鐵素體、M/A島和退化珠光體等[4-8]。

1.3 鋼管工藝控制

1.3.1 厚壁鋼管焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理及控制

初期生產(chǎn)時(shí)焊接缺陷發(fā)生率較高，焊接一次合格率不到80%，遠(yuǎn)低于普通管線鋼管焊接質(zhì)量（≥93%）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，大壁厚鋼管夾渣缺陷占缺陷總量的80%以上，夾渣缺陷在焊縫中所處位置如圖1所示。

圖1 夾渣缺陷在焊縫中的位置

通過對比焊縫宏觀形貌，夾渣大多出現(xiàn)在熔深較大或根部較寬的焊縫根部，較大的熔深以及較寬的焊縫根部增加了焊接時(shí)液態(tài)金屬在熔池中的流動阻力，加之焊縫根部的熔合線處溫度過低，熔渣上浮困難，最終形成了夾渣缺陷[9-10]。

1.3.2 焊接參數(shù)優(yōu)化

解決厚壁鋼管夾渣的關(guān)鍵是解決內(nèi)焊根部冷卻過快以及整個(gè)熔池冷卻較快的問題。為了確保焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能，不能只靠提高焊接熱輸入來提高熔池液態(tài)停留時(shí)間。還要從以下兩方面入手：①一絲采用較大的焊接電流；②采用較小的焊絲間距以及合理的坡口設(shè)計(jì)等。通過以上方面的改進(jìn)，較好地解決了上述問題。焊接坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)見表2。

表2 X80鋼級φ1 219 mm×33 mm鋼管焊接坡口設(shè)計(jì)

2 鋼板/鋼管性能分析

2.1 拉伸性能

綜合考慮陜京四線和西氣東輸三線的鋼管技術(shù)要求，結(jié)合鋼管廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及制管過程中的包辛格效應(yīng)、加工硬化等方面的影響，X80M鋼板/鋼管的力學(xué)性能按表3內(nèi)協(xié)議要求進(jìn)行控制，最終為獲得具有強(qiáng)度高、低溫夏比沖擊韌性好、特別是止裂韌性均值達(dá)85%的管線鋼管產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。

表3 X80M大壁厚管線焊接鋼板/鋼管力學(xué)性能要求

取鋼板橫向拉伸試樣8組，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）可以看出，鋼板的橫向拉伸性能滿足鋼板協(xié)議的指標(biāo)要求，屈服強(qiáng)度分布在540～590MPa， 屈強(qiáng)比≤0.88。 圖2（b）為管體橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果，管體各項(xiàng)拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，屈服強(qiáng)度分布在575～665 MPa，屈強(qiáng)比滿足標(biāo)準(zhǔn)（≤0.93）要求。焊縫的橫向拉伸強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求（≥625 MPa）且高于管體，滿足技術(shù)要求。

圖2 X80M管線鋼板和鋼管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 沖擊韌性

圖3 鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3為近50組樣本平均化后的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，單值和均值都較高，完全滿足陜京四線-10℃時(shí)單個(gè)數(shù)值≥160 J，平均值≥210 J的苛刻要求。母材剪切面積均達(dá)到了100%，管體表現(xiàn)出了優(yōu)良的低溫韌性。焊縫和熱影響區(qū)在-10℃的沖擊韌性結(jié)果也都滿足陜京四線-10℃時(shí)焊縫和熱影響區(qū)單個(gè)數(shù)值≥65 J，平均值≥90 J的嚴(yán)格要求。

2.3 DWT性能

對于壁厚大于25.4 mm以上鋼管止裂韌性的檢驗(yàn)，一般根據(jù)工程應(yīng)用狀況，由供需雙方協(xié)商確定，本次對鋼管做橫向系列溫度落錘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，試驗(yàn)溫度為-10℃以上基本滿足均值85%的要求，-40℃鋼管的剪切面積在75%以上，止裂性能較好。

圖4 鋼管系列溫度DWT試驗(yàn)結(jié)果

2.4 母材/焊縫組織分析

焊縫、鋼管母材的顯微組織和掃描電鏡照片如圖5所示。從圖5可以看出，所試制鋼板的組織以針狀鐵素體為主，在鋼板表面由于入水溫度較低出現(xiàn)了一些多邊形鐵素體組織。組織整體上均勻細(xì)化，掃描電鏡結(jié)果顯示，組織中的M/A島顆粒尺寸細(xì)化，形狀規(guī)則，分布彌散。

圖5 焊縫、鋼管母材的顯微組織和掃描電鏡照片

2.5 硬度

對焊縫從壁厚中心、熱影響區(qū)到母材的硬度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，試制鋼管焊縫的維氏硬度主要分布在240～250HV10，熱影響區(qū)主要分布在205～225HV10，距離熱影響區(qū)2mm的基體硬度略有10HV10的上升，基材硬度值約225HV10，滿足標(biāo)準(zhǔn)對管線鋼的硬度要求。

圖6 試制鋼管的硬度檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）采用低C低S設(shè)計(jì)，“鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF+RH精煉→連鑄”工藝，夾雜物尺寸、數(shù)量、形態(tài)控制較好，達(dá)到了高純凈度鋼冶煉水平。

（2）連鑄過程經(jīng)過動態(tài)輕壓下技術(shù)配合安置在扇形段前區(qū)的輥式電磁攪拌器，有效控制鑄坯內(nèi)部及表面質(zhì)量，改善鑄坯中心偏析及中心疏松，抑制鑄坯中間裂紋發(fā)生，X80M管線鋼鑄坯中心偏析不大于C1.0級，中心疏松不大于0.5級，沒有發(fā)現(xiàn)中間裂紋、角裂、三角區(qū)裂紋、針狀及蜂窩狀氣孔。

（3）采用低C，控Mn，Nb和Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)以及TMCP工藝控制，開發(fā)的φ1219mm×33 mm規(guī)格X80M管線鋼管為貝氏體+塊狀鐵素體+少量先共析鐵素體多相組織，鋼板性能達(dá)到高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良低溫止裂能。

（4） 優(yōu)化 φ1 219 mm×33 mm規(guī)格 X80M 管線鋼制管及焊接工藝，采用多絲低線能量焊接和低擴(kuò)徑率控制，使鋼管的缺陷控制和各項(xiàng)力學(xué)性能完全符合西氣東輸三線和陜京四線X80直縫埋弧焊管技術(shù)條件的各項(xiàng)要求。

［1］王曉香.2012年以來我國焊管行業(yè)的發(fā)展形勢及幾點(diǎn)建議[J].焊管， 2014， 37（4）： 5－13.

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Development of X80M Steel Grade φ1 219 mm×33 mmPipeline Steel Pipe

ZHANG Zhiming1， HAN Xiuling1， JIANG Jinxin2， WU Zhanfang1， LIU Hongbo1， LIU Jianwei1， ZHAO Biao1
（1.CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Tianjin 300457， China；2.Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210001，China)

Through kiloton trial production for X80M φ1 219 mm×33 mm pipeline steel pipe,it summarized the technical characteristics of line pipe with heavy wall thickness.By the use of ultra-low C,control Mn,Nb,Ti micro-alloying composition design and soft reduction,TMCP ultrafast cold and other control measures,the X80 pipeline steel with 33 mm thickness was developed firstly in China domestic.The microstructure of base metal consists of small timber acicular ferrite and diffuse granular bainite.Through the detection,the tensile properties,impact toughness of base metal and?weld,crack arrest performance fully meet the rigorous requirements of NO.4 Shaanxi Beijing pipeline project.

welded pipe;X80M steel； heavy wall thickness； thermo mechanical control process(TMCP)； microstructure

TE973

B

1001－3938（2015）09-0032-05

張志明（1980—），男，工程師，主要從事管線鋼管焊接和質(zhì)量管理工作。

2014-12-26

李紅麗