马钢2250热连轧生产厚壁X80管线钢

关键词：X80管线钢；力学性能；微观结构

中图分类号：TGl42．4 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2008)08—0061—04

管道运输是一种规模大而且经济有效的石油、天然气的输送方式，目前已启动的中国西气东输二线工程是继西气东输一线工程后又一条具有重大战略意义的天然气长距离输送管道工程，它西起新疆霍尔果斯口岸，南至广州，东达上海，加支线全长超过9000km，将是中国输气压力最高、输气量最大、距离最长的天然气输送管道[1,2]。由于采用厚壁高强度管线钢，在长距离、高压、大输量输送的情况下，可以节约钢材，大幅度减少管线工程的资金投入，增加管线的运行效益，提前回收成本，因此西气东输二线工程主干线在国际上首次采用了壁厚18．4 mm的X80级厚壁钢管。

虽然X80管线钢在实验室中已经试制成功，部分薄规格产品在国际上也得到了工程应用，但要实现厚18．4 mm管线钢大批量的稳定生产，具有极大的难度。马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称马钢)自2007年8月以来，在新建的2250热连轧生产线上开始进行西气东输二线用X80管线钢卷的试制，在借鉴国内外一些最新的研究进展和实验室试验研究的基础上，通过合理的生产工艺设计，使生产的针状铁素体型厚壁X80管线钢在具有高强度的同时还具有优良的低温韧性和抗动态撕裂能力，并实现了稳定生产。到2008年4月为止，马钢已完成8万多吨合格X80管线钢的生产和供货，已具备了大批量稳定生产西气东输二线用厚壁X80管线钢的能力。

1 X80管线钢成分设计及工艺路线

马钢2250热连轧生产的厚18．4mm的X80管线钢，其设计成分和实际成分如表1所示。成分设计中采用了低碳含量(ω(C)<0．060％)、高锰含量、超低的硫含量(ω(s)<0．002％)、Nb—V—Ti微合金化和钼微合金化方案，这为保证XS0管线钢的强度和韧性奠定了重要基础。同时为确保所生产的X80级管线钢有良好的焊接性能，要求所生产的X80管线钢的Pcm值小于0．23 %。

X80级管线钢生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取。

炉外精炼采用了LF和RH的精炼手段以保证获得低的硫、氮和夹杂物含量。

在热轧工艺上，通过控制开轧温度、道次变形量、终轧温度和卷取温度，以获得针状铁素体组织。

2 马钢生产的X80管线钢力学性能

按照西气东输二线X80级管线钢标准的要求取样，拉伸试样在板宽1／2处，与板卷轧制方向成30。方向截取，并取圆棒样；夏比冲击试验取样在板宽1／4处与轧制方向成30~的方向截取；落锤试样的取样位置与冲击试样相同。

由表2、3可知，马钢试制的X80管线钢力学性能符合西气东输二线标准要求，其平均屈服强度为575 MPa，与标准要求有一定的富余量，一20℃的平均夏比冲击性能和一15℃的平均DWTT性能优良。为了更好地研究钢的韧性，进行了一系列温度冲击试验和DwTT试验，冲击试验温度为一60、一40、一20、一10、0、20℃。DWTT试验温度为一40、一20、 15、0、20℃，为了保证试验结果的准确性，取三块试样的平均值。所得试验结果如图1、图2所示。

由图1可知：随试验温度的降低，X80管线钢的冲击功不断下降，在一40～20℃范围内均具有优良的冲击韧性，一20℃时的冲击功和韧性剪切面积分别为295 J和97％，远远大于标准所要求的240 J和90％，即使在一40℃时，其冲击功和韧性剪切面积也符合二线标准要求，表明马钢X80管线钢的低温冲击韧性优良。由图2可知，X80管线钢在一20～20℃范围内DwTT性能优良，为95％～100％，全部符合标准要求，在一40℃时仅为50％。

因此，马钢试制的厚18．4mm的X80管线钢韧性优良，可使用的温度低于西气东输二线标准规定的温度，完全可以满足西气东输二线工程的使用需求。

3 X80管线钢的微观结构

3．1 X80管线钢的显微组织

现代管线钢在组织结构上的一个重要标志是针状铁素体或低碳贝氏体。针状铁素体或超低碳贝氏体的组织特点使高钢级管线钢在获得高强度的同时仍具有优良的韧性。针状铁素体对韧性的贡献首先归结于它的多位向析出形态。针状铁素体与母相之间特定的晶体学关系，不同方位的针状铁素体分别按不同的K's关系从奥氏体中析出，获得的针状铁素体尺寸参差不齐，彼此交叉分布，其间具有大角度晶界，因而对裂纹扩展具有阻止作用[3]。图3(a)为X80级管线钢板卷典型金相组织，为针状铁素体 块状铁素体 粒状贝氏体 M／A岛，图3(b)为板条状铁素体形态及位错的分布，呈现了针状铁素体之间的相互交错和铁素体中高的位错密度，正是这种超低碳针状铁素体组织使X80级管线钢具有高的强度、高的冲击韧性、低的韧脆转变温度和高的抗动态撕裂能力。

3．2 X80管线钢的析出物

X80管线钢在轧制过程中，铌的碳、氮化物会在位错、亚晶界、晶界上沉淀，阻碍动态再结晶[3]。钛的未溶解的碳、氮化合物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体的晶粒长大。为了保证在焊接热影响区有高韧性，除了要有高纯净度以外，还必须加入微量钛以防止在热影响区出现粗晶[4]。钒的溶解温度较低，与铌相比阻止再结晶的作用较弱，在一般低氮含量(质量分数<0．007％)的情况下，VC在r一Fe中的溶解度积比NbC要高很多，在900℃以上，V(CN)可完全溶于r—Fe中，仅在900℃以下对再结晶才起推迟作用，具有轻微的细化组织作用和一定的沉淀强化作用。因此，钒的主要作用是在r／a转变过程中的相间析出和在铁素体的析出强化[5]。由于钢中Nb、V、Ti微合金元素的存在，通过TEM分析，钢中存在大量弥散分布的细小析出物，如图4(a)所示，图4(b)表明了在管线钢中的析出物为Nb、V、Ti的复合析出物。

钢中微合金元素的加入及产生的析出物，为管线钢的细晶强化和沉淀强化提供了保证，使马钢生产的厚壁X80级管线钢具有足够的强度和韧性。

4 螺旋埋弧焊管管体的力学性能

马钢批量生产的厚18．4 mm的X80管线钢送至中国石油天然气总公司下属的制管厂进行制管生产，通过螺旋埋弧焊成管后的力学性能如表4所示，焊管管体平均屈服强度为595 MPa，比板卷的屈服强度升高了20 MPa，平均抗拉强度为685 MPa，一10℃的平均冲击功大于220 J，0℃的DWTT平均剪切面积为100％，并具有高的伸长率和适当的屈强比。螺旋埋弧焊管管体性能满足西气东输二线标准要求，具有高的强度、优良的低温韧性和高的抗动态撕裂能力，产品质量优良。

5 结论

(1)马钢试制的18．4 mm厚X80管线钢力学性能完全符合西气东输二线标准要求，其平均屈服强度为575 MPa，有一定的富余量。低温冲击韧性和DWTT性能优良，而且可使用的温度范围较广，甚至在一40℃下都能满足标准要求。

(2)马钢厚壁X80管线钢为典型的针状铁素体组织，内部存在大量的亚晶结构和高密度的可动位错，析出物为细小的Nb、V、Ti的复合析出物，为管线钢的细晶强化和沉淀强化提供了保证。这使X80级管线钢具有足够的强度和韧性。

(3)用马钢产X80管线钢生产的螺旋埋弧焊管管体具有高的强度、优良的低温韧性和高的抗动态撕裂能力，实物质量优良。