低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的研制開發

涂露寒，郭元蓉，胡茂會，蘇　衛，吳　紅

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610301）

低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的研制開發

涂露寒，郭元蓉，胡茂會，蘇衛，吳紅

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610301）

從成分設計、冶煉、軋制及熱處理工藝流程等方面，介紹了一種低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的生產方法：通過調整低溫無縫鋼管的化學成分，同時控制鋼管的終軋溫度，使管坯的變形在單項區的低溫段完成。試驗結果表明：用該方法生產出的低溫管道用無縫鋼管，其屈強比≤0.72，且力學性能、低溫沖擊韌性完全滿足ASTM A 333/A 333M—2013標準要求。

低溫管道用無縫鋼管；Gr6；屈強比；金相組織；晶粒度；力學性能

材料的屈服強度Rt0.5和抗拉強度Rm之比稱為屈強比。屈強比是管線鋼的重要參量和管線管安全性的重要表征，對一些特殊領域使用材料也是一個重要的技術指標。作為石油化工領域使用的無縫鋼管材料，因其使用條件的差異，除了對材料基本的力學性能有要求外，管道設計會根據使用要求提出一些特殊規定。如，在出口寒冷地區的煉油工程中，對部分特殊工況的工藝管線，為保證使用的安全性，設計選用了低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管，不僅要求其具有良好的-45℃低溫沖擊韌性，而且還規定其屈強比≤0.72。

按照一般低溫管道用Gr6無縫鋼管的化學成分和生產工藝，得到的屈強比通常都∧0.72。雖然通過熱處理工藝調整屈服強度和抗拉強度可以降低屈強比，但屈強比指標受化學成分、組織、熱處理的綜合影響，僅調整熱處理工藝不能完全解決問題。就低溫管道用Gr6無縫鋼管而言，因其屈強比是隨化學成分、鐵素體（F）和珠光體（P）相組分的比例以及晶粒度等因素波動；因此，每次熱處理前需要先進行小試樣試驗以確定大生產的熱處理工藝。一種熱處理制度還無法滿足所有規格鋼管的生產要求，尤其是小直徑薄壁管，出現反復的熱處理的情況時有發生，熱處理的一次合格率低。

針對低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的特殊要求以及現有工藝存在的不足，攀鋼集團成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）開發了一種低成本、高效率的低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管及生產工藝，現對其生產工藝及性能進行介紹。

1　屈強比變化特點分析

為了保證獲得較低的屈強比，需要從鋼材化學成分設計、生產工藝方面進行控制，通過控制來改變鋼材的顯微因素（包括組織、晶格畸變、晶界特性等），并影響其最終力學性能。根據屈強比研究的相關資料介紹［1-3］，影響屈強比的主要因素有強化機制、硬化相及晶界特性。就鐵素體-珠光體組織的低碳鋼而言，主要是晶界強化（晶粒度）和硬化相（珠光體）對屈強比影響較大。

晶界強化（晶粒度）對屈強比的影響可以用Pickering計算模型［3］解釋：

Rt0.5=15.4×（3.5+2.1wMn+5.4wSi+23wNs1/2+1.13d-1/2）（1）

Rm=15.4×（19.1+1.8wMn+5.4wSi+0.25fP+0.5d-1/2）（2）

式中 wMn、wSi、wNs——分別為Mn、Si和固溶N

含量的質量分數，%；

fP——珠光體面積百分數，%；

d——鐵素體晶粒尺寸，mm。

由公式（1）～（2）可知，鐵素體晶粒尺寸d影響Rm的系數更大，因此晶粒細化對Rt0.5的貢獻比對Rm的貢獻要大，即晶粒度越大晶粒越細，則屈強比越高；珠光體面積百分數fP對提高Rm有貢獻，組織中珠光體組分多，提高Rm越多，相對的屈強比就越低。晶粒度對強度的影響如圖1所示。

圖1　晶粒度對強度的影響

硬化相（珠光體）對屈強比的影響可以用公式

（3）［4］說明：

Rt0.5/Rm=ReB/［（1-fH）RmB+fHRmH］（3）

式中 ReB——鐵素體基體相的屈服強度，MPa；

fH——硬化相（珠光體）體積分數，%；

RmH、RmB——分別為硬化相（珠光體）和鐵素

體基體相的抗拉強度，MPa。

由公式（3）可知，提高硬化相（珠光體）強度或體積分數，會使屈強比降低。細化珠光體片層結構或增加C含量，可增強硬化相（珠光體），降低屈強比；若鐵素體基體上含有少量貝氏體也能降低屈強比。珠光體體積分數對強度的影響如圖2所示。

圖2　珠光體體積分數對強度的影響

2　生產工藝設計

低屈強比低溫管道用Gr6鋼屬低碳鋼，其熱軋或熱處理后的金相組織為鐵素體+珠光體。若終軋溫度高或冷卻速度快，還會有少量的粒狀貝氏體。因此，低溫管道用無縫鋼管屈強比的變化特點同鐵素體-珠光體組織的低碳鋼一樣。因此，可以通過改進低溫管道用無縫鋼管的成分設計，控制軋制工藝，適當提高珠光體組分強度和適宜的晶粒度尺寸，實現低屈強比的控制目標。

2.1成分設計

雖然ASTM A 333/A 333M—2013《低溫用無縫和焊接公稱鋼管》標準對Gr6化學成分的規定明確，但要求寬泛，實際生產的成分控制范圍必須結合產品的具體要求重新設計。ASTM A 333/A 333M—2013標準規定的Gr6化學成分見表1。

表1 ASTM A 333/A 333M—2013標準規定的Gr6化學成分（質量分數）!%

!!!注：ASTM A 333/A 333M—2013標準規定，當w（C） ∧0.30%時，w（C）每降低0.01%，允許w（Mn）在1.06%以上增加0.05%，w（Mn）最大不超過1.35%。

因此筆者在設計低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的化學成分時，強調針對其屈強比的變化特點，將主要合金元素C、Mn成分控制在合適的范圍，同時嚴格限制有害元素S、P含量，保證其良好的低溫韌性和屈強比≤0.72的要求。

（1）控制C含量，適當增加珠光體組分，相對提高強度而降低屈強比。由于碳對低溫韌性不利，故一般要求在滿足性能指標的前提下，低溫鋼的C含量盡可能地控制低一點。但對于控制低屈強比的低溫管道用無縫鋼管來說，需要兼顧低溫韌性和強度指標，調整原來的“低碳設計”思路，適當提高C含量，相對提高強度，從而達到控制屈強比的目的。因為C含量增加，會使珠光體組分增加，同時也能降低貝氏體轉變溫度，終軋后可獲得部分細化的貝氏體組織，從而提高強度。但是，C含量不能過高，否則會降低Gr6的低溫韌性；因此，合理的C含量設計是保證低屈強比低溫管道用無縫鋼管性能的基礎。

（2）Mn是低溫管道用Gr6無縫鋼管的主要合金元素，它增加鋼的淬透性并穩定奧氏體組織，有利于獲得部分貝氏體，提高強度；但Mn又是碳化物的形成元素和強偏析元素，不利于組織的均勻性。因此，Mn含量不宜過高，其上限不宜超過1.20%。

（3）嚴格控制鋼中有害元素S、P含量。S、P作為鋼中的有害元素，均會影響低溫管道用Gr6無縫鋼管的沖擊韌性，必須加以嚴格限制，控制在w（S）≤0.008%、w（P）≤0.010%，以防止氫致裂紋的產生和擴展［5-6］。

2.2冶煉工藝控制

合理的成分設計，需要可靠的煉鋼工藝來保證成分控制。低溫管道用無縫鋼管C含量低，在電爐和轉爐出鋼時，必須加入較多的脫氧劑進行沉淀脫氧，由于轉爐和電爐初煉鋼水成分、氧含量的差異，轉爐和電爐出鋼前加入的脫氧元素和種類不同，將會影響轉爐和電爐在LF精煉爐的渣系。LF精煉爐需要加入合金和造渣劑進行沉淀和擴散綜合脫氧，通過延長靜吹時間等方法，盡量將鋼水中全氧含量和夾雜物降低到較低的水平，滿足低溫管道用無縫鋼管鋼質純凈度的要求；優化連鑄工藝，解決低碳錳鋼發生包晶反應導致鑄坯坯殼不均勻，產生漏鋼、凹陷及鑄坯表面裂紋的問題；爐外精煉采用大渣量泡沫渣，中間包采用雙層低碳覆蓋劑，解決低溫管道用無縫鋼管鋼在冶煉過程中的增碳問題［7］。

低碳鋼的增碳問題也是冶煉需要控制的問題。一般情況是C含量越低的鋼，在LF精煉和VD真空處理過程中增碳量越多，增碳量最高可達0.05%。因此，轉爐和電爐在LF精煉操作時，應將出鋼碳含量控制在下限或比下限低0.01%時出鋼，充分考慮VD真空處理增碳、連鑄保護渣和覆蓋劑增碳量，防止C含量超出控制范圍［8］。

2.3軋鋼工藝控制

低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的軋制不僅要控制鋼坯的加熱溫度，同時對終軋溫度也要進行控制。如果鋼坯的加熱溫度過高，不僅造成原始晶粒粗大，而且鋼管的終軋溫度過高，軋后冷卻至相變溫度的時間較長，奧氏體晶粒長大充分，相變重結晶后形成的鐵素體晶粒比加熱溫度低的晶粒粗大，對低溫沖擊韌性非常不利；加熱溫度過低，軋制變形的負荷升高，增加工模具消耗，同時容易發生軋卡、斷銷等故障，影響變形過程順利進行。故控制適當的管坯加熱溫度，既能夠保證軋管過程順利，又可防止晶粒粗大導致低溫沖擊不合格的問題出現［9-10］。

鋼管的金相組織、晶粒度對屈服強度和低溫沖擊韌性有很大影響。一般來說，鋼在單相奧氏體完成變形，對沖擊韌性有利；鋼的變形溫度越接近相變點，相變后得到的鐵素體晶粒越細，有利于提高低溫沖擊韌性，但也同時提高了屈服強度；若終軋溫度過低，如完全進入兩相區進行變形，除了鐵素體晶粒細化提高屈服強度外，析出物也增加，并與先析出的鐵素體經軋制形成變形織構（帶狀組織），會進一步提高屈服強度，并使強度呈現各向異性，不利于屈強比控制；若終軋溫度過高，相變后的鐵素體晶粒細化程度不高，對低溫沖擊韌性不利［11-14］。因此，在實際生產時設計了控制軋制工藝，將終軋溫度控制在一定的范圍內，使管坯的變形在單相區的低溫段完成，既能夠保證低溫管道用無縫鋼管優良的沖擊韌性，又能滿足屈強比≤0.72的要求，同時也減少了需要熱處理才能保證屈強比的生產工序。

3　性能檢測結果

按照低溫管道用Gr6無縫鋼管的成分設計原則和工藝控制，為其特殊性能要求奠定了基礎，冶煉和精煉工藝，為低溫鋼高純凈度的質量要求提供了保障。產品的檢驗結果表明：采用這種低屈強比Gr6的生產方法，所生產的低溫管道用Gr6無縫鋼管力學性能、低溫沖擊韌性完全滿足ASTM A 333/ A 333M—2013標準要求，屈強比均達到了≤0.72的預期目標。

（1）化學成分。Gr6無縫鋼管化學成分完全滿足ASTM A 333/A 333M—2013標準及設計規范的要求，有害元素的實際控制水平完全滿足設計要求，而且優于技術規范要求。其中，w（P）為0.006%～0.010%，w（S）為0.002%～0.006%。

（2）力學性能。根據Gr6低屈強比的特殊使用要求，實際工藝設計要求控制加熱溫度和終軋溫度，產品性能滿足設計要求和ASTM A 333/A 333M—2013標準的要求，其鋼管的屈強比均≤0.72。

（3）金相組織、晶粒度。對低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管進行組織檢驗，其檢驗結果表明：Gr6金相組織為鐵素體+珠光體，組織均勻，晶粒度7～9級，這為良好的低溫韌性奠定了組織基礎。低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的金相組織形貌如圖3所示。在不影響低溫沖擊韌性的前提下，鐵素體晶粒度相對越粗大的組織，其屈強比越低［15］。

圖3　低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的金相組織形貌

4　結　論

（1）攀成鋼開發的低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管生產方法，通過改進Gr6的成分設計和軋管工藝，不僅能夠保證低溫管道用Gr6無縫鋼管的低溫沖擊韌性和常溫力學性能，而且還能滿足控制低屈強比（≤0.72）的特殊要求。

（2）開發的低屈強比低溫管道用Gr6無縫鋼管的生產方法，優化了需通過熱處理的方式才能滿足屈強比控制要求的生產工藝，可以降低生產成本，滿足用戶的特殊需求。

［1］于慶波，孫瑩.鋼中的碳含量和顯微組織對屈強比的影響［J］.塑性工程學報，2009，16（6）：119-126.

［2］高慧臨.管線鋼屈強比分析與評述［J］.焊管，2010，33（6）：10-14.

［3］朱伏先，余廣夫，張中平，等.冷卻工藝對HP295焊瓶鋼板屈強比的影響［J］.鋼鐵，2005，40（8）：38-42.

［4］值田圭治，王東明.彌散型硬質第二相780MPa級低屈強比建筑用鋼板［J］.鞍鋼技術，2008（4）：49-53.

［5］張志遠，穆瑞三，齊玉佩，等.夾雜物對套管抗硫化氫應力腐蝕性能的影響［J］.鋼管，2014，43（6）：18-23.

［6］殷光虹，施青，孫元寧.管線用鋼氫致裂紋（HIC）影響因素分析［J］.鋼管，2004，33（6）：20-26.

［7］胡茂會，楊文明，黃國玫，等.低溫用無縫鋼管管坯表面裂紋分析與控制［J］.鋼管，2013，42（3）：35-38.

［8］陳坤，蔣世川.高酸性環境用超低硫管線鋼冶煉工藝研究［J］.鋼管，2012，41（2）：30-33.

［9］王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京：冶金工業出版社，1995：37-47.

［10］王國棟.控軋控冷技術的發展及在鋼管軋制中應用的設想［J］.鋼管，2011，40（2）：1-8.

［11］王占學.控制軋制與控制冷卻［M］.北京：冶金工業出版社，1988：44.

［12］崔文暄，李文卿，王有銘，等.低碳鋼控制軋制中的組織與性能［J］.北京鋼鐵學院學報，1980（4）：47-56，151-153.

［13］閆立超，余偉，唐荻，等.軋后控冷終冷溫度對高強度管線鋼屈強比的影響［J］.上海金屬，2007，29（3）：37-40.

［14］劉社牛，巫寶根，王斌，等.控軋控冷工藝對HP345屈強比影響的研究［J］.河南冶金，2008，16（6）：8-9.

［15］黃正，姚枚，范瑩龍，等.鐵素體形態和分布對低碳鋼低溫斷裂行為的影響［J］.金屬學報，1987，23（3）：223-227.

R&D of Gr6 Low Yield Ratio Seam less Steel Pipe for Low Tem perature-service Pip ing

TU Luhan，GUO Yuanrong，HUMaohui，SUWei，WU Hong
（Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，Ltd.，Chengdu 610301，China）

Presented here in the article is themanufacturing method for the Gr6 low yield ratio seam less steel tube for low temperature-service piping，involving such main aspects as the chemical composition design，and the manufacturing process flows of melting，rolling and heat treatment.The workpiece deformation is fulfilled in low temperature section of the individual item zone bymeans of properly adjusting the chemical composition of the tube，and controlling the final-rolling temperature.Relevant test results show that the seam less steel tube for low temperature-service piping as produced with the abovementioned method is in possession of yield ratio≤0.72，and the mechanical properties and low temperature impact toughness as completely meeting the requirements under specification ASTM A 333/A 333M—2013.

seam less steel tube for low temperature-service piping；Gr6；yield ratio；metallographic structure；grain size；mechanical properties

TG335.71!!

B!

1001-2311（2016）03-0028-04

涂露寒（1981-），女，工程師，長期從事石油化工用無縫鋼管的研制與開發工作。

（2015-07-21；修定日期：2016-04-01）