低溫L450M管線鋼的開發和應用

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(鞍鋼集團鋼鐵研究院 遼寧 鞍山 114009)

低溫L450M管線鋼的開發和應用

黃國建，任毅，孔祥磊，王爽

(鞍鋼集團鋼鐵研究院 遼寧 鞍山 114009)

針對中俄原油二期工程采用高壓大口徑輸送，要求L450M管線鋼板材產品具有良好的低溫DWTT斷裂韌性，鞍鋼采用低碳、鈮微合金化、無鉬或低鉬的針狀鐵素體組織合金設計，同時結合純凈鋼冶煉連鑄工藝、熱裝軋制工藝和熱機械軋制工藝等關鍵技術，鞍鋼在2150ASP機組、4300機組和5500機組等研制開發出12.5～25 mm厚規格低溫L450M管線鋼熱軋卷板和熱軋鋼板。產品具有細小均勻的針狀鐵素體組織、鋼質純凈，保證產品具有高強度、良好的低溫韌性和良好焊接性能等，制成螺旋埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管應用于中俄原油二期工程。

管線鋼；L450M；斷裂韌性；組織；力學性能

0 引 言

管道輸送是長距離輸送石油、天然氣最經濟、安全、高效和環保的運輸方式，為降低天然氣管道建設和運營成本，提高輸送效率，采用高壓、大口徑輸送已成為長距離油氣管道建設的主流趨勢。

中俄原油二線工程(簡稱漠大復線)起始于黑龍江省漠河縣漠河首站，途徑黑龍江、內蒙古兩省，止于黑龍江省大慶市林源輸油站，基本沿已建中俄原油漠大線敷設。管道全長941.8 km，管徑813 mm，設計壓力9.5～11.5 MPa，鋼級L450M(X65M)，采用螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管。

鞍鋼獨家中標中俄原油二線工程用26萬噸L450M管線鋼熱軋卷板和鋼板，其技術關鍵是產品同時具有高強度和良好的低溫斷裂韌性，保證-25℃的DWTT和-40℃以下韌脆轉變溫度的技術要求。

1 基本冶金原理

鞍鋼低溫原油L450M管線鋼的研制密切跟蹤國際管線鋼研究發展成果，結合鞍鋼的工裝特色，應用Nb微合金化鋼的冶金原理[1-3]。其主要的思路如下：

1)合理的無鉬或低鉬合金設計：采用C-Mn-Cr-(Mo)-Nb系和C-Mn-Mo-Nb系，組織為針狀鐵素體設計，保證L450M管線鋼具有良好的強韌性匹配。

2)低碳和低冷裂紋敏感系數：碳的質量分數不大于0.08%，有效控制碳和錳在連鑄坯的中心偏析，有利于連續冷卻轉變時獲得均勻的針狀鐵素體和貝氏體組織。低碳和低冷裂紋敏感系數保證管線鋼具有良好低溫韌性、良好焊接性能。

3)鈮鈦微合金化和熱機械軋制技術：鈮的質量分數0.02%～0.07%，高鈮可延遲奧氏體再結晶，降低相變溫度，促進針狀鐵素體組織和M-A島的形成。微鈦處理具有晶粒細化和改善焊接熱影響區韌性的作用，保證管線鋼焊管焊接熱影響區韌性與焊管管體接近。鈮微合金化和熱機械軋制技術的結合，充分應用細晶、固溶、相變、析出等強化機制，提高產品的強度和韌性。

4)純凈鋼冶煉和爐外精煉工藝：降低硫含量和進行夾雜物變性鈣處理，可大幅度提高L450M管線鋼的低溫斷裂韌性。

5)無缺陷板坯連鑄技術和動態輕壓下技術：無缺陷板坯連鑄技術的應用可有效保證L450M管線鋼的熱裝爐和表面質量，連鑄動態輕壓下技術的應用可有效控制連鑄板坯的中心疏松和中心偏析。

2 低溫L450M管線鋼熱軋卷板的研制

2016年，鞍鋼低溫L450M管線鋼熱軋卷板研制成功，同年在2150ASP機組批量生產約15萬噸12.5/14.2mm厚L450M熱軋卷板，在遼陽、華油、寶世順和勝利等鋼管廠制成D813 mm規格螺旋埋弧焊管，應用于中俄原油二線管道工程。

2.1 產品設計

L450M采用無鉬和低鉬的C-Mn-Cr-(Mo)-Nb系針狀鐵素體鋼合金設計，碳含量為0.05%～0.07%，錳含量不大于1.70%，鈮含量為0.04%～0.07%，冷裂紋敏感系數Pcm控制在0.20%以下，確保產品實物具有高強度、良好的低溫斷裂韌性和良好的可焊性。其工藝設計采用純凈鋼冶煉連鑄技術、熱裝軋制技術和熱機械軋制技術。

2.2 組織分析

在萊卡DMI5000M金相顯微鏡下和在H-700型透射電子顯微鏡下，觀察14.2/12.5 mm 厚L450M熱軋卷板的金相組織和微觀組織形貌。觀察發現其典型微觀組織為針狀鐵素體(AF)為主的混合組織，同時分布著少量細小的M-A島，組織分布均勻，晶粒尺寸細小，帶狀組織輕微，夾雜物完全球化且細小，具體如圖1～3所示。組織決定性能，這種細小均勻的針狀鐵素體組織特征保證了L450M管線鋼具有高強度和良好的低溫斷裂韌性。

2.3 力學性能

圖1 12.5mm厚L450M卷板試樣 的金相組織

圖2 14.2 mm厚L450M卷板試樣的金相組織

圖3 L450M卷板試樣的TEM組織

L450M產品生產過程和工藝控制穩定，性能合格率達100%，原品種成材率96.3%，各項力學性能指標的Cpk值均大于1.33。

2.3.1 板卷的主要力學性能

生產檢驗統計表明：鞍鋼生產12.5/14.2 mm 厚L450M熱軋卷板拉伸、夏比沖擊、DWTT等性能良好，滿足中俄原油二線管道工程技術規格書、相關數據單文件和制管廠技術協議，見表1。

2.3.2 管體系列沖擊和系列落錘試驗

按ASTM E23 和 API RP 5L3標準分別進行系列沖擊和系列落錘試驗，-40℃的DWTT仍滿足標準，韌脆轉變溫度低于-60℃，具有良好低溫斷裂韌性，見表2。

2.3.3 L450M板管性能變化

鞍鋼L450M鋼板發往鋼管廠制成D813 mm管徑，按統計規律Rt0.5、Rm和Rt0.5/Rm均有所降低，見表3。

表1 12.5/14.2mm厚L450M 管線鋼卷板的力學性能統計

表2 12.5 mm厚L450M管體系橫向列夏比沖擊和落錘試驗結果

表3 L450M管線鋼的板卷制成螺旋焊管管體的拉伸性能變化

3 低溫L450M管線鋼熱軋鋼板的研制

2016年，鞍鋼低溫L450M管線鋼熱軋鋼板研制成功，同年在5500機組和4300機組批量穩定生產約9萬噸12.5/14.2/16/17.5/20.0/25.0 mm厚L450M熱軋鋼板，在巨龍鋼管、寶世順鋼管、寶鋼鋼管和沙市鋼管等制管廠制成D813mm管徑直縫埋弧焊管，應用于中俄原油二線管道工程。

3.1 產品設計

本工程L450M采用低鉬C-Mn-Mo-Nb系針狀鐵素體鋼合金設計，碳含量為0.06%～0.08%，錳含量不大于1.73%，鉬含量不大于0.10%,，鈮含量為0.02%～0.06%，冷裂紋敏感系數Pcm控制在0.20%以下，確保產品實物具有良好的低溫斷裂韌性。其工藝設計采用純凈鋼冶煉連鑄技術和熱機械軋制技術。

3.2 組織分析

在萊卡DMI5000M金相顯微鏡下和在H-700型透射電子顯微鏡下，觀察16 mm和20 mm厚L450M熱軋鋼板的金相組織和微觀組織形貌，典型顯微組織見圖4～6。觀察發現其典型微觀組織為針狀鐵素體(AF)為主的混合組織，同時分布著少量細小的M-A島，組織分布均勻，晶粒尺寸細小，帶狀組織輕微，夾雜物完全球化且細小。組織決定性能，這種細小均勻的針狀鐵素體組織特征保證了L450M管線鋼具有高強度和良好的低溫斷裂韌性。

圖5 20mm厚L450M鋼板試樣的金相組織

3.3 力學性能

L450M產品生產過程和工藝控制穩定，性能合格率達93.5%，原品種成材率85.23%，各項力學性能指標的Cpk值均大于1.33。

圖6 L450M鋼板試樣的TEM組織

3.3.1 鋼板的主要力學性能

生產檢驗統計表明：鞍鋼生產L450M熱軋卷板拉伸、夏比沖擊、DWTT等性能良好，滿足中俄原油二線管道工程L450M鋼板技術規格書、相關數據單文件和制管廠技術協議，見表4。

3.3.2 鋼板系列沖擊和系列落錘試驗

取樣2批，按ASTM E23 和 API RP 5L3標準分別進行橫縱向系列沖擊和系列落錘試驗，韌脆轉變溫度低于-60℃，具有良好低溫斷裂韌性，見表5和表6。

3.3.3 L450M板管性能變化

鞍鋼L450M鋼板發往鋼管廠制成D813 mm管徑，按統計規律Rt0.5和Rm 均有所增加，而A50 mm和Rt0.5/Rm均有所降低，見表7。

表4 16 mm和20 mm厚L450M 鋼板的力學性能統計

表5 L450M鋼板橫向系列夏比沖擊性能結果

表6 L450M鋼板橫向系列落錘性能結果

表7 L450M 鋼板制成直縫鋼管的拉伸性能變化

4 結 論

密切跟蹤國際管線鋼研究發展成果，結合鞍鋼的工裝特色和國家重大工程項目，鞍鋼低溫L450M管線鋼的開發與應用取得突破性進展。

1)與傳統C-Mn-Nb-(V)系設計不同，鞍鋼低溫L450M管線鋼采用無鉬低碳C-Mn-Cr-Nb系和低鉬C-Mn-Mo-Nb系針狀鐵素體組織設計。合金設計特點是采用低碳、高錳、通過鉬或鉻低合金化控制相變組織和鈮微合金化細化晶粒和組織，組織形態均為針狀鐵素體組織+少量M-A組元。

2)鞍鋼生產工藝獨特，低溫L450M管線鋼生產采用爐外精煉技術、無缺陷板坯連鑄技術、動態輕壓下連鑄技術、熱裝直軋技術、熱機械軋制技術等。

3)低溫L450M管線鋼組織為以針狀鐵素體為主的混合組織，晶粒均勻細小，夾雜較少，帶狀輕微，析出物均勻彌散，產品具有高強度、良好的低溫斷裂韌性和良好焊接性能等，產品滿足用戶要求。

4)2016年，鞍鋼先后批量生產出24萬噸12.5/14.2mm厚L450M熱軋卷板和12.5～25mm厚L450M熱軋鋼板，制成螺旋埋弧焊管和直縫埋弧焊管，應用于中俄原油二期管道工程。

[1] HULKA.K,BRODINGNON P,Gray J M. Experimence with low carbon HSLA Steel containing 0.06-0.10 percent Niobium, NiobiumTechnical Report,No.1:04-08.

[2] 黃國建，張英慧，黃明浩等，經濟型X70管線鋼熱軋厚卷板的研制，鋼鐵研究學報，2010，22(5)：51-54.

[3] ZUROB H S,ZHU G et al.Analysis of the Effect of Mn on the Recrystallization Kinetics of High Nb Steel:An Example of Physically-based Alloy Design.ISIJ International,2005,45(5):713-717.

[4] MEDINA S F，MANCILLA J E. Static Recrystallization Modeling of Hot Deformed Steels Containing Several Alloying Elements[J]. IS IJ International,1996,36(8):1070-1073.

DevelopmentofLowTemperatureL450MPipelineSteel

HUANGGuojian,RENYi,KONGXianglei,WANGShuang

(TheIron&SteelResearchInstituteofAnsteelGroupCorporation,Anshan,Liaoning114009,China)

The heavy pressure large-diameter pipe transportation is adopted in the second China-Russian crude oil project, which requires the L450M type pipeline steel with excellent low temperature DWTT fracture toughness. The acicular ferrite microstructure alloy is designed with low carbon, niobium micro-alloying system and no or little Mo along with the key advanced technology such as clean steel melting continuous casting, hot charging rolling process, and TMCP. The 12.5～25mm thick low temperature L450M pipeline steel of hot rolled plate and hot rolled coil are developed in 2150ASP, 4300 and 5500 production lines in Ansteel. The fine uniform acicular ferrite microstructure and clean steel make sure that the product possesses high strength, high low temperature toughness, excellent weld ability etc. The SSAW and LSAW pipes made from the coil and the plate have been applied in the second China-Russian crude oil project.

pipeline steel; L450M; fracture toughness; microstructure; mechanical properties

黃國建，男，1963年生，工學博士，教授級高級工程師，1987年畢業于東北大學材料加工工程專業，目前主要從事鋼鐵新產品的研發工作。E-mail：aghgj@163.com

TG142.79

A

2096-0077(2017)04-0021-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.006

2017-03-20編輯馬小芳)