管線鋼X65的研究與應用

武 振

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業部，江蘇 南京 210035）

隨著世界經濟的發展和我國能源安全的優化調整，對石油天然氣等工業能源的需求，管線鋼的發展越來越快，需求也越來越大。管線鋼主要用于運輸石油、天然氣、液化石油氣、化工原料等能源，與傳統的運輸方式（如汽車運輸、火車運輸、船舶運輸等）相比，管道運輸具有運量大、成本低、效率高、方便安全等優點，是最經濟的運輸方式[1]。管道運輸也是歐美發達國家和中東產油區國家首選的運輸方式。管道運輸會經過長距離的輸送，環境惡劣，溫差較大。為了提高輸送效率，管道工程發展趨勢是大管徑、高壓輸送。石油開采已經經過多年的發展，目前的油氣田大多在偏遠、高寒、腐蝕嚴重的環境中，管道工程經過惡劣的環境地區，人跡罕至，地形地質復雜，在輸送過程中可能要穿過沙漠，湖泊、地震帶，晝夜溫差很大。所以管線鋼不僅具有較高的強度，而且還具有良好的韌性、疲勞性能、抗斷裂和耐腐蝕性能。圖1為石油管道運輸。

圖1 石油管道運輸圖

1 國內外低合金高強度鋼的發展現狀

在國外，第一條鉛制管道在1806年由英國倫敦安裝，1843年開始采用鑄鐵管，1925年美國建成第一條天然氣焊接鋼管，1985年德國成功研制X80級鋼管，并于1994年在天然氣管道上使用[2]。高等級管線鋼X60的開發和使用要追溯到上世紀60年代，高強度管道鋼管的里程碑事件是在1968年環阿拉斯加管線工程的建設，由日本三大鋼鐵公司提供了直徑為φ1219mm的50×104t的X65級管線鋼。上世紀80年代，工程建設領域開始使用X70管線鋼，90年代部分管道開始試運行X90。新日鐵創新工藝，生產出X100管線鋼，歐洲幾個國家也可以生產。2001年～2004年Exxon Mobil公司聯合新日鐵和住友金屬，開發出X120管線鋼并試驗鋪設。

國內管線鋼發展較晚，但速度較快。目前國內生產管線鋼的廠家主要有寶鋼、鞍鋼、沙鋼，首鋼等。國內主要采用合理的成分設計，Nb、V、Ti等合金元素的綜合作用，降低S含量，并控制加熱，控軋控冷工藝，能夠滿足國內的基本需要，有的出口到印度，沙特等國。

2 技術要求與成分設計

根據GB/T 9711-2017的標準，X65的力學性能要求如表1。

表1 X65的力學性能要求

碳元素是重要的、經濟的強化元素之一。業界管線鋼含碳量普遍控制在0.03%～0.12%之間。碳含量的越高，鋼的強度越高，但沖擊韌性則會降低。碳對焊接性能的影響也非常大。通過降低碳含量和添加合金元素，實現強度高、沖擊韌性好、焊接性好的管線鋼的生產。錳的主要作用是固溶強化，為了彌補降低碳含量造成的強度損失，管線鋼可以采用增加錳含量的辦法。但是錳含量過高，會增加鋼板帶狀組織，降低韌性合各向異性等問題，所以錳含量的目標為1.35%。Nb、V、Ti是管線鋼中的重要合金元素，他們可以通過細化晶粒和沉淀硬化來提高管線鋼的強度和性能。Nb的主要作用是提高管線鋼的低溫韌性，Nb能抑制奧氏體再結晶，有晶粒細化和沉淀強化的作用，是管線鋼中非常重要的合金元素。Ti的沉淀強化作用強于Nb，晶粒細化作用較Nb弱。在冶煉過程中，微量Ti可以形成TiN，具有沉淀強化的作用。V可以促進管線鋼鐵素體中C、N化合物的析出，也具有沉淀強化的作用。S、P、O、H都屬于有害元素，要嚴格控制，盡量消除。S能嚴重降低韌性。P容易促進偏析，降低焊接性能和沖擊韌性，易冷脆。H易發生H脆，裂紋。O越高，容易形成氧化物，嚴重影響性能。表2給出了X65的化學成分目標。

表2 X65化學成分目標（Wt/%）

3 生產工藝

鋼的純凈度是影響性能的重要指標，在冶煉過程中應采用低硫化鐵水，通過真空脫氣和電爐精煉夾雜物，并采用鈣處理使其變性和變形。當加熱溫度過高時，原奧氏體晶粒變粗。轉變后的鐵素體晶粒變粗。鋼的韌性降低了。適當的加熱溫度可以增加奧氏體中微合金元素的固溶量，有利于晶粒細化、鋼的強度和奧氏體再結晶終止溫度。但加熱溫度不能過低，否則會使微合金化的碳氮化物不溶于奧氏體中，從而降低鋼的性能。所以我們將目標溫度設定在1150℃。

軋制可得到細小的奧氏體晶粒，軋制組織可分為再結晶區、部分再結晶區和非再結晶區。因此，軋制可分為再結晶區、非再結晶區和雙相區三種軋制方式。在奧氏體再結晶區，粗化可以得到高溫下多次大變形的晶粒，每一步的變形都大于再結晶的臨界變形尺寸，可以得到較細的鐵素體組織。在奧氏體區精整軋制過程中，通過在奧氏體非再結晶區積累大量變形，可以得到高密度的變形孿晶和變形帶。同時，應變誘導的碳氮化物析出可以為鐵素體相變提供更多的成核位點[3]。

影響精軋溫度的主要因素是精軋道次數、起始溫度和中間坯厚度。奧氏體晶粒的再結晶發生在終軋后和相變前。恢復軟化降低位錯密度，不利于變形能的積累，降低鐵形核的驅動力，阻礙晶粒細化。為了有效地細化顆粒，減少最終軋制溫度的方法可以在Ar3采用快速冷卻溫度，加快相變過程相變溫度區，這不僅能提高材料的強度，但也適當地提高塑性材料。設定目標溫度為 830℃[4]。

控制冷卻過程中，鋼板的冷卻速率越快，過冷度就越大，相變區，相變溫度越低，——的增加，鐵成核速率的增加，晶粒生長速率明顯降低，溫度和降水的減少復合形成的合金化元素和碳和氮。晶粒較細的化合物均勻地分布在基體上，有效地提高了軋鋼的強度。冷卻速率設定為15℃/s～20℃/s。返流目標溫度為600℃。

圖2 生產工藝流程圖

圖3 生產線圖

4 試驗結果

經過試驗生產檢測，試驗鋼屈服強度460MPa～490MPa，圖4為屈服強度；抗拉強度565MPa～625MPa，圖5為抗拉強度；延伸率18%～28%，圖6為延伸性能。

圖4 20mm屈服強度分布

圖5 20mm抗拉強度分布

圖6 20mm試樣延伸率分布

5 結論

通過低C，適量Mn，加Nb的設計，再添加V、Ti等合金元素，采用控制軋制控制冷卻的工藝路徑，生產的X65各項性能良好[5]，達到GB/T 9711-2017的要求，已經批量供貨，得到了廣大客戶的認可。