X100管线钢开发实践

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X100管线钢开发实践李钧正李玉谦刘守显（河钢集团邯钢公司，河北邯郸 056015）摘要：介绍了邯钢公司在2250热连轧生产线研制开发X100管线钢热轧板卷的情况。根据高强度管线钢发展趋势…

X100管线钢开发实践

李钧正李玉谦刘守显

（河钢集团邯钢公司，河北邯郸 056015）

摘要：介绍了邯钢公司在2250热连轧生产线研制开发X100管线钢热轧板卷的情况。根据高强度管线钢发展趋势，参考API SPEC 5L-2007《管线钢管规范》和中国石油天然气集团公司《天然气输送管道X100 钢级螺旋缝埋弧焊管用热轧板卷技术条件》要求，邯钢公司制定了X100管线钢热轧卷板生产试制的技术要求。通过合理的化学成分及冶炼、控轧控冷工艺设计，邯钢公司试制生产的X100管线钢热轧卷板具有较高的强度和良好的低温韧性，金相检验为“板条贝氏体+粒状贝氏体”组织，产品各项性能达到了设计要求。

关键词：X100；管线钢；开发

Exploitation and practice of X100 pipeline steel

Li Junzheng，Li Yuqian，Liu Shouxian

（Hesteel Group Hansteel Company，Handan，Hebei 056015）

Abstract：This paper makes a brief introduce to the practice on exploiation X100 pileline steel in Hansteel 2250 strip production plant.According to the developmental trend of pipeline steel，and refering to the requirements of API SPEC 5L-2007《Specification for line pipe》and《technical specification for X100 spiral Submerged arc welding hot rolling coils used for natural gas transportation》which was published by China National Petroleum Corporation，Hansteel makes technical requirements for X100 pipeline hot rolling coils. The X100 pipeline steel of Hansteel-making manufactured by means of proper design on chemical compositions and Steel-making、Thermo-mechanical Control Process possess has high strength and excellent low temperature toughness，and its structure is lath bainite and Granular bainite，product performance meets the design requirements.

Key words：X100；pipeline steel；exploitation

1 前言

近年来，随着我国对石油、天然气等能源需求的进一步增大，管线钢管的需求量不断提高。为了减少输送成本，同时又不损失石油天然气的输送量，开发 X100 等级的高钢级管线钢成为一种必然。X100管线钢的应用具有巨大的经济效益，可使长距离油气管线成本节约5%～12%（据加拿大的统计分析表明，管线钢每提高一个钢级可减少建设成本7%），主要体现在节约材料、提高输送压力、降低维护费用、优化整体方案等方面。目前，高钢级X100管线钢的开发应用已经成为国内外管道用钢的研究热点。

本文介绍了邯钢公司在2250热连轧生产线开发试制15.3mm×1550mm规格 X100管线钢热轧卷板的情况。

2 技术条件要求

参考API SPEC 5L-2007和中国石油管道建设项目经理部企业标准《天然气输送管道X100 钢级螺旋缝埋弧焊管用热轧板卷技术条件》要求，制定了本次X100管线钢热轧卷板生产试制的技术要求，详细情况如下：

（1）力学性能、夏比冲击韧性和落锤撕裂试验要求见表1、表2和表3。

表1 力学性能及弯曲试验要求

Tab.1 Requirements for the results of tensile tests and bend test

屈服强度Rp0.2/MPa

抗拉强度/MPa

屈强比

延伸率/%

弯曲

690～840

760～990

≤0.97

≥14

弯曲180°无裂纹，弯心直径

为2.0T（T 为试样厚度）

表2 夏比冲击韧性要求

Tab.2 CVN absorbed energy requirements

试验温度	夏比冲击剪切面积（SA%）		夏比冲击功J（10×10×55mm）
-20℃	单个试样最小值	三个试样平均值	单个试样最小值	三个试样平均值
-20℃	≥ 85	≥70	≥ 190	≥ 250

表3 落锤撕裂试验要求

Tab.3 Requirements for DWTT test

试验温度	单个试样最小值	两个试样平均值
-15℃	≥ 70%	≥ 85%

（2）板卷横向截面上最大允许硬度值为290HV10。

（3）金相检验要求晶粒度不小于10级，带状组织不大于3级，各类夹杂物不大于2级。

3 成分设计

较高强度的X70及其以上的高钢级管线钢的合金设计，或为补偿轧机能力而进行的X65钢级的合金设计都是以微合金化的C-Mn-Si钢为基础，同时添加少量的Cu 、Ni、 Cr等元素（即可单独添加，也可复合添加），再添加少量Mo而进行合金设计的。Mo合金化与合适的轧制制度、冷却工艺结合可获得铁素体/针状铁素体组织。在近几年的X80管线钢生产中，为了降低成本，通常用Nb来替代部分的Mo，即通过Nb-Mo复合来得到理想的针状铁素体/贝氏体组织，满足高钢级管线钢的强韧性要求。

与X80相比，X100管线钢强度大约需要提高140MPa，冲击功提高10J，硬度提高25HV10。因此X100的合金设计在X80化学成分基础上提高C、Mn、Nb、Mo含量。C含量过高易在铸坯中心产生Mn和C偏析，产生Fe3C和大尺寸的M/A组元，同时对焊接性不利，因此C含量应控制在≤0.08%范围；Mn一定程度上可弥补低C的固溶强化损失，延缓Nb(C,N)的应变诱导析出；Nb一方面能推迟奥氏体再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，细化室温组织，另一方面固溶的Nb提高淬透性，促进奥氏体向针状铁素体转变；Ni可提高强度，改善断裂韧性；Mo则提高钢的淬透性^【1】。

X100管线钢成分要求及成分设计如表4所示：

表4 化学成分（wt%）

Tab.4 Chemical composition（wt%）

项目	C	Si	Mn	P	S	Nb+V+Ti	Cu	Cr	Mo	Ni
技术要求	≤0.10	≤0.55	≤2.1	≤0.020	≤0.010	≤0.15	≤0.50	≤0.50	≤0.50	≤0.50
成分设计	≤0.08	0.15-0.35	1.50-2.00	≤0.015	≤0.008	0.05-0.13	0.50-1.00

4 X100管线钢热模拟试验

为研究X100管线钢轧制后冷却过程的相变规律，在实验室利用Gleeble-3500热/力模拟试验机进行了热模拟试验，并绘制了动态CCT曲线，为X100管线钢轧钢生产工艺的制定提供理论依据。

4.1 试验方案

结合X80管线钢批量生产工艺实际，制定了本次热模拟试验方案如下：首先将试样加热至1180℃，保温180s进行充分奥氏体化，然后以1s-1的应变速率变形，变形量为40%，再以10℃/s的速度将试样冷却到820℃，最后分别以0.1、0.5、1、5、10、15、20、25、30、40、50℃/s的冷速冷却至350℃，保温300s后空冷至室温。

4.2 动态CCT曲线的建立

采用切线法在膨胀量-温度曲线上确定相变的开始温度和结束温度，利用光学金相显微镜和扫描电子显微镜对不同冷速冷却后的试样进行组织观察与分析，确定不同冷速时的组织类型，通过Origin软件绘制动态CCT曲线如图1所示。

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图1 X100管线钢CCT曲线

Fig. 1 CCT curve of X100 pipeline steel

由图1可见，随着冷速的提高，X100管线钢组织类型由多边形铁素体（PF）和准多边形铁素体（QF）逐步向粒状贝氏体（GB）和贝氏体铁素体（BF）转变。

5 生产工艺设计

5.1 工艺流程

铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼（LF+RH）→连铸→加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→检验→入库。

5.2 生产过程控制

为保证X100管线钢各项性能指标达到目标要求，在炼钢工序针对性的采取了相应的工艺措施，同时结合CCT曲线测定结果和X80管线钢批量生产经验，制定了X100管线钢控扎控冷工艺。

5.2.1 铁水预处理

强化操作，将来料铁水中的硫降低到0.003%以下，这不仅为生产超低硫管线钢奠定了基础，而且为转炉少渣冶炼、夹杂物控制等创造了良好的条件。

5.2.2 转炉冶炼

采用顶底复吹少渣冶炼工艺，通过采用合理造渣工艺、温度控制技术、终点控制技术和低磷低硫冶炼技术等，在保证成份、温度双命中的基础上，杜绝钢水过氧化现象。在冶炼后期保持炉口正压状态，防止钢水吸氮。

5.2.3 LF精炼

LF采用微正压操作，有效防止钢水吸气造成二次氧化和增氮；底吹氩气流量采用分阶段控制，保证前期快速脱硫、中期温度和成分均匀、后期夹杂物的充分上浮。

5.2.4 RH真空精炼

要求真空度达到0.8mbar以下，真空循环时间≥30min，纯脱气时间≥15min，以保证气体和夹杂物的充分去除。

5.2.5 连铸

采用全程保护浇铸、中间包净化等技术，防止钢水从钢包到中间包以及中间包到结晶器的二次氧化；连铸过程中采用电磁制动、动态轻压下等技术以防止液相穴内富集溶质母液的流动，降低合金元素偏析，以保证良好的铸坯质量。

5.2.6 轧钢过程控制

为保证X100管线钢铸坯加热阶段充分奥氏体化，加热温度在1100℃以上；在奥氏体再结晶温度以上进行粗轧，提高粗轧阶段压下量使奥氏体晶粒充分破碎；精轧阶段适当增加F3~F5的压下率，使奥氏体晶粒充分压扁；轧后进行控制冷却，冷却速度控制在15-40℃/S。

6 试制结果

结合技术条件要求，邯钢公司进行了X100管线钢热轧卷板小批量生产试制，规格为15.3mm×1550mm，各工艺基本控制在内控要求范围内。为详细了解板卷通卷性能情况，对其中一卷进行了横切生产，并分别在板卷头部、中部和尾部进行取样检验。经检验X100管线钢各项性能满足技术条件要求，且通卷性能稳定性较好。

6.1 力学性能及工艺性能检验

X100管线钢力学性能及工艺性能检验结果见表5所示。可以看出，屈服强度稳定在751～778 MPa 范围内，抗拉强度在861～890 MPa 范围内，屈强比0.87～0.89，伸长率25 %～30%，-20℃冲击功最小值298J ，基本稳定在302～320J 范围内，-15 ℃落锤撕裂试验（DWTT）性能全部为100%，硬度和弯曲试验结果合格。综合来看各项性能全部满足技术条件要求，其中强度及DWTT剪切面积均有较大的富余量。