X100管線鋼開發(fā)實(shí)踐

李鈞正  李玉謙  劉守顯

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北邯鄲 056015）

摘  要：介紹了邯鋼公司在2250熱連軋生產(chǎn)線研制開發(fā)X100管線鋼熱軋板卷的情況。根據(jù)高強(qiáng)度管線鋼發(fā)展趨勢(shì)，參考API SPEC 5L-2007《管線鋼管規(guī)范》和中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司《天然氣輸送管道X100 鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求，邯鋼公司制定了X100管線鋼熱軋卷板生產(chǎn)試制的技術(shù)要求。通過合理的化學(xué)成分及冶煉、控軋控冷工藝設(shè)計(jì)，邯鋼公司試制生產(chǎn)的X100管線鋼熱軋卷板具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性，金相檢驗(yàn)為“板條貝氏體+粒狀貝氏體”組織，產(chǎn)品各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：X100；管線鋼；開發(fā)

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

近年來，隨著我國(guó)對(duì)石油、天然氣等能源需求的進(jìn)一步增大，管線鋼管的需求量不斷提高。為了減少輸送成本，同時(shí)又不損失石油天然氣的輸送量，開發(fā) X100 等級(jí)的高鋼級(jí)管線鋼成為一種必然。X100管線鋼的應(yīng)用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可使長(zhǎng)距離油氣管線成本節(jié)約5%～12%（據(jù)加拿大的統(tǒng)計(jì)分析表明，管線鋼每提高一個(gè)鋼級(jí)可減少建設(shè)成本7%），主要體現(xiàn)在節(jié)約材料、提高輸送壓力、降低維護(hù)費(fèi)用、優(yōu)化整體方案等方面。目前，高鋼級(jí)X100管線鋼的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外管道用鋼的研究熱點(diǎn)。

本文介紹了邯鋼公司在2250熱連軋生產(chǎn)線開發(fā)試制15.3mm×1550mm規(guī)格 X100管線鋼熱軋卷板的情況。

   2 技術(shù)條件要求

參考API SPEC 5L-2007和中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然氣輸送管道X100 鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》要求，制定了本次X100管線鋼熱軋卷板生產(chǎn)試制的技術(shù)要求，詳細(xì)情況如下：

（1）力學(xué)性能、夏比沖擊韌性和落錘撕裂試驗(yàn)要求見表1、表2和表3。

表1 力學(xué)性能及彎曲試驗(yàn)要求

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

表2  夏比沖擊韌性要求

Tab.2  CVN absorbed energy requirements

表3  落錘撕裂試驗(yàn)要求

Tab.3  Requirements for DWTT test

（2）板卷橫向截面上最大允許硬度值為290HV10。

（3）金相檢驗(yàn)要求晶粒度不小于10級(jí)，帶狀組織不大于3級(jí)，各類夾雜物不大于2級(jí)。

3 成分設(shè)計(jì)

較高強(qiáng)度的X70及其以上的高鋼級(jí)管線鋼的合金設(shè)計(jì)，或?yàn)檠a(bǔ)償軋機(jī)能力而進(jìn)行的X65鋼級(jí)的合金設(shè)計(jì)都是以微合金化的C-Mn-Si鋼為基礎(chǔ)，同時(shí)添加少量的Cu 、Ni、 Cr等元素（即可單獨(dú)添加，也可復(fù)合添加），再添加少量Mo而進(jìn)行合金設(shè)計(jì)的。Mo合金化與合適的軋制制度、冷卻工藝結(jié)合可獲得鐵素體/針狀鐵素體組織。在近幾年的X80管線鋼生產(chǎn)中，為了降低成本，通常用Nb來替代部分的Mo，即通過Nb-Mo復(fù)合來得到理想的針狀鐵素體/貝氏體組織，滿足高鋼級(jí)管線鋼的強(qiáng)韌性要求。

與X80相比，X100管線鋼強(qiáng)度大約需要提高140MPa，沖擊功提高10J，硬度提高25HV10。因此X100的合金設(shè)計(jì)在X80化學(xué)成分基礎(chǔ)上提高C、Mn、Nb、Mo含量。C含量過高易在鑄坯中心產(chǎn)生Mn和C偏析，產(chǎn)生Fe3C和大尺寸的M/A組元，同時(shí)對(duì)焊接性不利，因此C含量應(yīng)控制在≤0.08%范圍；Mn一定程度上可彌補(bǔ)低C的固溶強(qiáng)化損失，延緩Nb(C,N)的應(yīng)變誘導(dǎo)析出；Nb一方面能推遲奧氏體再結(jié)晶，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化室溫組織，另一方面固溶的Nb提高淬透性，促進(jìn)奧氏體向針狀鐵素體轉(zhuǎn)變；Ni可提高強(qiáng)度，改善斷裂韌性；Mo則提高鋼的淬透性^【1】。

X100管線鋼成分要求及成分設(shè)計(jì)如表4所示：

表4  化學(xué)成分（wt%）

Tab.4  Chemical composition（wt%）

4 X100管線鋼熱模擬試驗(yàn)

為研究X100管線鋼軋制后冷卻過程的相變規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室利用Gleeble-3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，并繪制了動(dòng)態(tài)CCT曲線，為X100管線鋼軋鋼生產(chǎn)工藝的制定提供理論依據(jù)。

4.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合X80管線鋼批量生產(chǎn)工藝實(shí)際，制定了本次熱模擬試驗(yàn)方案如下：首先將試樣加熱至1180℃，保溫180s進(jìn)行充分奧氏體化，然后以1s-1的應(yīng)變速率變形，變形量為40%，再以10℃/s的速度將試樣冷卻到820℃，最后分別以0.1、0.5、1、5、10、15、20、25、30、40、50℃/s的冷速冷卻至350℃，保溫300s后空冷至室溫。

4.2 動(dòng)態(tài)CCT曲線的建立

采用切線法在膨脹量-溫度曲線上確定相變的開始溫度和結(jié)束溫度，利用光學(xué)金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)不同冷速冷卻后的試樣進(jìn)行組織觀察與分析，確定不同冷速時(shí)的組織類型，通過Origin軟件繪制動(dòng)態(tài)CCT曲線如圖1所示。

圖1  X100管線鋼CCT曲線

Fig. 1  CCT curve of X100 pipeline steel

由圖1可見，隨著冷速的提高，X100管線鋼組織類型由多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）逐步向粒狀貝氏體（GB）和貝氏體鐵素體（BF）轉(zhuǎn)變。

5 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

5.1 工藝流程

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（LF+RH）→連鑄→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

5.2 生產(chǎn)過程控制

為保證X100管線鋼各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)要求，在煉鋼工序針對(duì)性的采取了相應(yīng)的工藝措施，同時(shí)結(jié)合CCT曲線測(cè)定結(jié)果和X80管線鋼批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定了X100管線鋼控扎控冷工藝。

5.2.1  鐵水預(yù)處理

強(qiáng)化操作，將來料鐵水中的硫降低到0.003%以下，這不僅為生產(chǎn)超低硫管線鋼奠定了基礎(chǔ)，而且為轉(zhuǎn)爐少渣冶煉、夾雜物控制等創(chuàng)造了良好的條件。

5.2.2 轉(zhuǎn)爐冶煉

采用頂?shù)讖?fù)吹少渣冶煉工藝，通過采用合理造渣工藝、溫度控制技術(shù)、終點(diǎn)控制技術(shù)和低磷低硫冶煉技術(shù)等，在保證成份、溫度雙命中的基礎(chǔ)上，杜絕鋼水過氧化現(xiàn)象。在冶煉后期保持爐口正壓狀態(tài)，防止鋼水吸氮。

5.2.3  LF精煉

LF采用微正壓操作，有效防止鋼水吸氣造成二次氧化和增氮；底吹氬氣流量采用分階段控制，保證前期快速脫硫、中期溫度和成分均勻、后期夾雜物的充分上浮。

5.2.4  RH真空精煉

要求真空度達(dá)到0.8mbar以下，真空循環(huán)時(shí)間≥30min，純脫氣時(shí)間≥15min，以保證氣體和夾雜物的充分去除。

5.2.5 連鑄

采用全程保護(hù)澆鑄、中間包凈化等技術(shù)，防止鋼水從鋼包到中間包以及中間包到結(jié)晶器的二次氧化；連鑄過程中采用電磁制動(dòng)、動(dòng)態(tài)輕壓下等技術(shù)以防止液相穴內(nèi)富集溶質(zhì)母液的流動(dòng)，降低合金元素偏析，以保證良好的鑄坯質(zhì)量。

5.2.6 軋鋼過程控制

為保證X100管線鋼鑄坯加熱階段充分奧氏體化，加熱溫度在1100℃以上；在奧氏體再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行粗軋，提高粗軋階段壓下量使奧氏體晶粒充分破碎；精軋階段適當(dāng)增加F3~F5的壓下率，使奧氏體晶粒充分壓扁；軋后進(jìn)行控制冷卻，冷卻速度控制在15-40℃/S。

6 試制結(jié)果

結(jié)合技術(shù)條件要求，邯鋼公司進(jìn)行了X100管線鋼熱軋卷板小批量生產(chǎn)試制，規(guī)格為15.3mm×1550mm，各工藝基本控制在內(nèi)控要求范圍內(nèi)。為詳細(xì)了解板卷通卷性能情況，對(duì)其中一卷進(jìn)行了橫切生產(chǎn)，并分別在板卷頭部、中部和尾部進(jìn)行取樣檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)X100管線鋼各項(xiàng)性能滿足技術(shù)條件要求，且通卷性能穩(wěn)定性較好。

6.1 力學(xué)性能及工藝性能檢驗(yàn)

X100管線鋼力學(xué)性能及工藝性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5所示�？梢钥闯�，屈服強(qiáng)度穩(wěn)定在751～778 MPa 范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度在861～890 MPa 范圍內(nèi)，屈強(qiáng)比0.87～0.89，伸長(zhǎng)率25 %～30%，-20℃沖擊功最小值298J ，基本穩(wěn)定在302～320J 范圍內(nèi)，-15 ℃落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT） 性能全部為100%，硬度和彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。綜合來看各項(xiàng)性能全部滿足技術(shù)條件要求，其中強(qiáng)度及DWTT剪切面積均有較大的富余量。

表5  X100管線鋼性能檢驗(yàn)結(jié)果

Tab.5  The results of tests for X100 pipeline steel

6.2 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)表明，X100管線鋼組織以板條貝氏體和粒狀貝氏體組織為主，還有少量的準(zhǔn)多邊形鐵素體及M/A，晶粒度13.6級(jí)，帶狀組織不大于1 級(jí)，夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明純凈度較好，A、B、C、D 類夾雜物級(jí)別均不大于0.5級(jí)。見表6和圖2。

表6  X100管線鋼金相檢驗(yàn)

Tab.6  The results of metallurgical test

（a）1/4厚度處組織                          （b）1/2厚度處組織

圖2  X100管線鋼金相組織

Fig.2  Metallographic pictures of X100 pipeline steel

7 結(jié)論

根據(jù)X80管線鋼批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，邯鋼公司進(jìn)行了X100管線鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室完成了CCT曲線的繪制，在此基礎(chǔ)上制定了軋鋼控扎控冷工藝。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)試制， X100管線鋼各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

                                參考文獻(xiàn)

[1] 黃開文. X80和X100鋼級(jí)管線鋼的合金化原理和生產(chǎn)要點(diǎn)[J].軋鋼，2004（6）.55-58.