X70M厚板管線鋼及管線管質量控制

王 波，謝仕強

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

X70M厚板管線鋼及管線管質量控制

王 波，謝仕強

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

為了滿足管線鋼用戶對X70M厚板管線鋼及管線管在夾雜物、板坯偏析、強度波動范圍和DWTT性能等方面越來越嚴苛的要求，采用產(chǎn)品質量先期策劃(APQP)方法和一貫制質量管理模式，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，識別關鍵工序控制點并加強過程穩(wěn)定性控制。結果表明，該方法明顯提高了X70M厚板管線鋼和大直徑焊管的性能穩(wěn)定性和質量水平，生產(chǎn)的鋼板及加工后的鋼管均能滿足用戶的高標準要求。

X70M；厚板管線鋼；管線管；質量控制；夾雜物；偏析

最近10多年來，全世界每年新建管道約4.5×104km。到2012年底，全世界建成管道約280×104km[1]；到2015年底，我國建成管道約15×104km[2]。據(jù)估算，2030年石油和天然氣需求量將在2005年的基礎上提高約50％[3]，相應地每年管道需求量約為5×104km。其中，大直徑直縫埋弧焊管主要用于陸地和海洋油氣、煤、礦漿等介質的輸送。相對螺旋焊管，其主要用于安全設計系數(shù)高的地區(qū)。在國內外管線市場上，目前應用最廣、產(chǎn)量最高的鋼級為X70M管線鋼。

隨著世界管線鋼生產(chǎn)技術的不斷提高和管線工程的服役、施工條件的惡化，不僅對管線管的性能指標、穩(wěn)定性和質量要求逐步提高，并且用戶對管線鋼的主要生產(chǎn)工序的過程穩(wěn)定性提出了明確和嚴格的要求，提高了對管線鋼生產(chǎn)的質量控制要求。

1 寶鋼2014年X70M厚板管線鋼生產(chǎn)概況及主要技術要求

2014年寶鋼厚板管線鋼以出口和供應寶鋼UOE生產(chǎn)線為主，出口項目鋼級主要為X70M，總量為22.7萬t，項目概況見表1。

同常規(guī)的技術要求比較，國外用戶對成分上下限、碳當量波動范圍提出了嚴格要求，加嚴了橫縱向強度波動范圍、屈強比、DWTT、硬度、夾雜物等性能指標要求，并增加了板坯偏析等過程控制要求，主要變化見表2。

表1 寶鋼2014年出口X70M厚板管線鋼概況

表2 常規(guī)和出口項目技術要求對比

2 一貫制工藝方案及質量控制措施

2.1 主要生產(chǎn)工藝流程

寶鋼厚板管線鋼主要生產(chǎn)流程如下：鐵水預處理→寶鋼300t轉爐→LF+RH精煉→板坯連鑄→厚板控軋→DQ+ACC加速冷卻→探傷→定尺→形合→材合→出廠。

2.2 產(chǎn)品質量先期策劃(APQP)應用及一貫制生產(chǎn)工藝方案

受市場競爭影響，需采用低成本的成分設計和生產(chǎn)路徑；由于合同的技術要求高，必須有效識別關鍵工序和提高過程的穩(wěn)定性。常規(guī)的工藝設計和質量控制方法已不能滿足這些項目的需求。

產(chǎn)品質量先期策劃(以下簡稱APQP)方法應用不僅致力于能夠提供合格的產(chǎn)品，更關注建立足以信賴的質量策劃過程和基于設計和制造過程的“風險”控制[4]。通過APQP方法在寶鋼汽車板等產(chǎn)品上的成功應用[5-6]，驗證了APQP在實現(xiàn)批量、穩(wěn)定、低成本制造鋼鐵產(chǎn)品方面的有效性。為了滿足管線合同的特殊要求，有必要全過程應用APQP方法。

同時，寶鋼作為管線鋼一貫制生產(chǎn)企業(yè)，本身具有一條供貨業(yè)績超過150萬t的UOE大直徑直縫焊管生產(chǎn)線，且厚板管線鋼供貨業(yè)績超過100萬t，充分了解不同制管方式的板管性能變化趨勢及不同類型用戶對板材的潛在要求。寶鋼堅持一貫制質量管理模式，充分考慮煉鋼、軋制、制管全流程對產(chǎn)品及不同工序的相互影響。

結合管線鋼一貫制質量管理和APQP質量策劃方法應用經(jīng)驗，從產(chǎn)品設計和開發(fā)驗證階段入手，通過過程流程分析、編制過程失效模式及后果分析(PFMEA)，最終建立了控制計劃，全面明確了質量控制要求和措施。

2.2.1 過程流程分析

從鐵水預處理到成品出廠完整的流程見表3，其中特別關注鋼水精煉、連鑄、軋制和加速冷卻過程及其子過程，明確其過程功能、過程特性，并采用因果圖分析方法，從人、機、料、法、環(huán)、測等角度分析和揭示每個生產(chǎn)過程的變差(波動)來源，便于后續(xù)采取措施控制過程波動，從而提升最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

表3 RH精煉過程流程分析

2.2.2 過程失效模式及后果分析

通過PFMEA可以將用戶合同要求的屈強比、DWTT、夾雜物等產(chǎn)品特性和成分波動、軋制道次、軋制溫度、冷卻溫度范圍等生產(chǎn)過程特性進行全面的關聯(lián)性分析；同時PFMEA關注本工序失效對下一工序和最終產(chǎn)品的雙重影響；從過程失效的后果嚴重度S、發(fā)生頻度O和探測度D來判定風險順序數(shù)，確定改進優(yōu)先級；通過制定和驗證過程改進措施，以消除或減少失效發(fā)生的機會。表4是對連鑄過程結晶器夾雜物上浮功能做潛在失效分析，制定改進措施并驗證效果。

表4 連鑄結晶器PFMEA分析

2.2.3 建立控制計劃(CP)

控制計劃包含全過程全子工序的控制要點，表5是厚板精軋控溫軋制控制計劃，表5中對負荷控制參數(shù)、軋機側噴水、開軋溫度等過程做了詳細規(guī)定，并明確規(guī)定了超出過程規(guī)范后應采取的反應措施。控制計劃可最大程度減少過程和產(chǎn)品變差，同時識別特性并利于采取措施優(yōu)先滿足最關鍵的特性，達到成本和用戶滿意雙贏。

2.2.4 一貫制工藝方案

厚板成分設計見表6，軋制工藝見表7。成分采用Nb-Cr系，根據(jù)項目特殊要求適當添加Mo、V等合金，以進一步降低相變溫度和細化晶粒[7]；第二階段終軋溫度控制在Ar3溫度以上30℃，綜合考慮強韌性匹配及板形控制，采用較大冷速冷卻到400～600℃。

表6 低成本低屈強比X70M厚板成分設計

表7 低成本X70M厚板軋制工藝設計 ％

2.3 質量控制措施

在APQP方法全面分析過程控制要求的基礎上，對關鍵過程參數(shù)進行重點控制，通過提升工序保障能力提升最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.3.1 煉鋼工序過程控制

成分控制采用單渣法降低P含量。2014年寶鋼生產(chǎn)的X70M厚板P含量均值較2013年降低0.001 3％，均值降至0.007 5％。為嚴格控制碳當量，各工序動態(tài)聯(lián)動控制C、Mn及其他合金含量，最終實現(xiàn)單個規(guī)格Ceq波動范圍僅0.03％。

通過PFMEA分析，綜合考慮板坯中心偏析控制要求，制定夾雜物控制措施：工序處理方面優(yōu)化喂鈣絲量至300～500m/爐[8]，延長2min的RH高真空處理時間，嚴格控制中間包回轉臺鎮(zhèn)靜時間[9]；設備和輔料方面優(yōu)化中間包密封性，優(yōu)化滑板機構防止吸氣，優(yōu)化中間包覆蓋劑種類及用量，優(yōu)化浸入式水口內壁材質。嚴格按照控制計劃對異常過程和異常材料進行單獨管理。

板坯中心偏析控制：設定合理的過熱度，制定煉鋼全流程溫度范圍和各工序處理時間表以提升過熱度命中率和穩(wěn)定性，2014年板坯過熱度命中率提升至98.7％；加強鑄機狀態(tài)維護，輥縫狀況確認；結合鑄機設備狀況和拉速設定，穩(wěn)定發(fā)揮輕壓下功能[10]。2014年全年生產(chǎn)的X70M板坯中心偏析控制在2級(曼能斯曼圖譜)或以下，如圖1所示。

圖1 板坯中心偏析示意圖

2.3.2 厚板工序過程控制

強度等性能指標的波動由兩方面構成，即板內波動+板間波動，需要嚴格控制厚板參數(shù)的板間波動和同板溫度均勻性。

寶鋼5m寬厚板軋機采用兩階段軋制，粗軋階段按照鋼板規(guī)格固定軋制道次和各道次壓下量分配率；動態(tài)優(yōu)化中間坯厚度，20mm以上采用4.5～5.0 t(t為成品厚度)，20mm 以下采用 4.0～4.5 t；精軋階段通過道次優(yōu)化和軋制速度匹配提升終軋溫度穩(wěn)定性，終軋溫度波動穩(wěn)定在±20℃；優(yōu)化DQ(噴射冷卻)+ACC(層流冷卻)冷卻模型中冷卻水組數(shù)、水量、鋼板走速等參數(shù)，終冷溫度波動穩(wěn)定在±30℃，板內終冷溫度波動降低20℃，如圖2所示。對比不同溫度均勻性水平鋼板的拉伸性能后，發(fā)現(xiàn)同板強度波動隨之明顯下降。

圖2 25.8mm×4 540mm×26m鋼板全板面終冷溫度均勻性示意圖

3 產(chǎn)品實物性能

3.1 鋼板夾雜物水平

對2014年寶鋼X70M管線鋼進行夾雜物試驗，試驗結果見表8。試樣1 719組，100％滿足用戶高標準要求。

表8 X70M管線鋼夾雜物實績

3.2 鋼板和鋼管拉伸性能

X70M鋼板和用戶反饋的鋼管橫縱向屈服強度完全滿足波動范圍小于100MPa的要求，屈強比滿足不高于0.90(5％試批上限為0.92)的要求。以15.88mm規(guī)格厚板為例，鋼板屈服強度和抗拉強度分布如圖3所示，制管后管體屈服強度和抗拉強度分布如圖4所示。從圖3和圖4可以看出，鋼板和管體橫縱向屈服強度分布在500～600MPa，抗拉強度波動控制在60～80MPa。

圖3 X70M鋼板屈服強度和抗拉強度分布

圖4 X70M鋼板制管后管體屈服和抗拉強度分布

3.3 厚板DWTT性能

在低合金成分設計下，25.45mm X70M厚板-10℃下DWTT性能實際測量值如圖5所示(數(shù)據(jù)量385組)。由圖5可以看出，DWTT均值為94％，且100％滿足用戶剪切面積比單/均值不低于80％/90％的要求。

圖5 25.45mm X70M厚板DWTT實績分布

4 結 論

(1)用戶對厚板管線鋼及大直徑直縫埋弧焊管的成分波動、性能指標、性能穩(wěn)定性和過程穩(wěn)定性的要求逐年提高，應用產(chǎn)品質量先期策劃(APQP)方法和一貫制全流程質量管理方法是滿足用戶嚴格要求的有效途徑之一。通過過程流程圖分析和PFMEA方法可全面識別和確定關鍵過程控制要求；各工序嚴格執(zhí)行控制計劃，并且通過對本工序過程異常的及時處置和下工序聯(lián)動，提升過程及產(chǎn)品穩(wěn)定性。

(2)通過煉鋼多工序聯(lián)動和動態(tài)調整，有利于成分、碳當量的精準控制；提升拉速、過熱度穩(wěn)定性、降低P含量等措施可穩(wěn)定控制板坯中心偏析不高于2級(曼能斯曼圖譜)。

(3)通過優(yōu)化并固定軋制道次、各道次壓下量、軋制速度，優(yōu)化冷卻模式、冷卻水組數(shù)、水量和鋼板走速等冷卻模型參數(shù)，可有效降低板內和板間溫度差異，從而有效降低鋼板和鋼管性能波動。

致謝：本工作在開展過程中得到了張備、沈燕、吳扣根、陳樂軍、張潔晶、徐國棟、焦四海、王笑波、俞慧、孔偉、肖桂林、王廣科、張敏文、謝仕強、黃衛(wèi)峰、朱砂、張華等同志的大力協(xié)助，在此表示真摯的感謝。

[1]魏偉榮，荊松龍，楊專釗，等.大直徑直縫埋弧焊管行業(yè)現(xiàn)狀與展望[J].焊管，2012(4):5-9.

[2]劉清梅，楊學梅，趙謹，等.中國管道建設情況及管道用鋼發(fā)展趨勢[J].上海金屬，2014(4):34-37.

[3]STALHEIM D G，JANSTO S G，STALHEIM D G,et al.The role of niobium in high strength oil and gas transmission linepipe steels[C]//6th International Pipeline Conference.ASME，2006:99-106.

[4]方儉.產(chǎn)品質量先期策劃(APQP)和控制計劃參考手冊[K].北京品士管理股份公司：1992，16.

[5]邱金凡，王國清.產(chǎn)品質量策劃工具的應用[J].中國質量，2012(7)：87-89.

[6]張寶平，劉玉章，鄒玉賢.APQP在汽車板產(chǎn)品開發(fā)中的應用[J].中國質量，2013(9):37-39.

[7]李紅英，胡繼東，李陽華.微合金元素對X70M管線鋼韌性影響[J].材料熱處理學報，2012(1):122-127.

[8]王強.萊鋼X65M管線鋼質量控制[J].鋼鐵研究，2014(8):50-53.

[9]鄭萬任，孫風曉，胡勤東.濟鋼1#RH生產(chǎn)工藝實踐[J].山東冶金，2011(1):24-26.

[10]張開鈞，王新華，劉洋，等.輕壓下對管線鋼連鑄坯中心偏析影響的研究[J].煉鋼，2009(2):51-54.

Quality Control of X70M Thick Plate Pipeline Steel and Line Pipe

WANG Bo,XIE Shiqiang
(Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

In order to meet the more and more strict requirements of pipeline steel usersin X70M thick plate pipeline steel and line pipein inclusions,segregation of slab,the intensity fluctuation range,DWTT performance and other aspects,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.adopted advanced product quality planning(APQP)method and integrated quality management mode,to optimize production process,identify key control process and strengthen the stability of process control.The above measures obviously increased the performance stability and internal quality of X70M thick plate pipeline steel and large diameter welded pipe,the plates and steel pipes after processing also meet the users’high standard requirements.

X70M;thick plate pipeline steel;line pipe;quality control;inclusions;segregation

TG113.25

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.005

王 波(1983—)，寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部厚板管理室產(chǎn)品主管，主要從事厚板產(chǎn)品質量管理工作。

2016-08-07

汪翰云