X80Q鋼級無縫管線管的工藝研究

張哲平，王立志，史慶志，侯 強

（1.天津鋼管集團股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

X80Q鋼級無縫管線管的工藝研究

張哲平1，王立志1，史慶志2，侯 強2

（1.天津鋼管集團股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

根據PSL2 X80Q技術指標的要求，選用鋼種10MnVNbMo，在連續大生產條件下進行試制。對不同熱處理制度處理后的管材的力學性能、金相組織進行分析，確定淬火溫度950℃，回火溫度670℃，保溫30 min的工藝最佳，各項技術指標要求比較理想；且通過對低溫沖擊功的分析，為-80℃下的管線管開發和服役研究提供技術支撐。

熱處理；力學性能；組織；無縫鋼管

1 引言

隨著世界海洋油氣資源勘探和開采力度的不斷加大，海洋工程、海洋裝備等空前迅猛發展起來，相應地21世紀應用于深海油氣的輸送管線、開采平臺用管、化工廠內存儲管等苛刻的技術要求也變得迫切起來[1]。具有適當強度、較好的低溫韌性、良好的焊接性能、滿足用戶等一系列要求的管線管產品需求急劇增加，使得從實驗室研發的產品轉化到工業連續性大生產迫在眉睫。PSL2 X80Q鋼級管線管是我公司最近研發的低溫高沖擊功管線用鋼，不僅可承受高壓及長距離輸送輸氣能力，還適用于海上嚴苛條件下服役。本文選用鋼種10MnVNbMo試驗研發PSL2 X80Q鋼級管線管，通過在連續生產的工業爐上試制后，對其力學性能、金相組織等進行分析，選定了適用于連續大生產的熱處理工藝制度。

2 生產工藝制定

2．1 鋼種選擇

鋼種采用10MnVNbMo，研發PSL2 X80Q，重點考慮并要求Mo元素，其不僅能夠提高壁厚鋼管的淬透性，更能使鋼管在較高的溫度下生成回火貝氏體組織，從而更加有效地消除殘余應力，提高塑性[2]。具體成分含量如表1所示。

表1 PSL2 X80Q化學成分 w/%

本次試驗鋼種的選擇，兼顧到了后續在熱處理工序熱處理爐加熱均勻性及高溫回火的穩定性對性能的影響。

2．2 技術要求

根據SPEC API 5L（45th）和DNV規范等使用條件的要求，設計技術指標參數要求[3]如表2所示。通過合理地成分設計及熱處理工藝制定，達到在較低溫度下，獲得較高沖擊功的目的，同時產品具有良好的焊接性能和抗HIC、SSC性能。

2．3 工藝流程

表2 PSL2 X80Q技術指標

海綿鐵+鐵水+優質廢鋼→EAFLF→VD→CCM→冷卻→管坯檢驗→管坯加熱→穿孔→連軋→定徑→冷卻鋸切→探傷檢驗→熱處理→矯直→尺寸檢驗→探傷檢驗→取樣分析→機加工→水壓檢驗→成品包裝。

2．4 工藝制定

選定需要熱處理的鋼管原料，取樣后在DT1000型淬火膨脹儀上進行該鋼種的CCT曲線測定。此鋼種奧氏體化溫度為940℃，AC3溫度為894℃，為保證組織的充分轉變及均勻化，故將熱處理制度中的淬火溫度設定為950℃。

該鋼種的馬氏體轉變點為422℃，完全奧氏體化的前提下，在淬火冷卻速度超出200℃/s時，組織能完全轉化為馬氏體，有利于提高強度；在淬火冷卻速度超出50℃/s時，組織會出現貝氏體，有利于提高韌性；在淬火冷卻速度繼續降低，當低于50℃/s，高于3℃/s時，組織會出現鐵素體，初步確定未經過熱處理的鋼管原料組織為M+B+F的組合體。結合連續大生產的實際情況，初步選定3種回火溫度，分別為650、670、680℃，如表3所示。

表3 3種熱處理工藝制度

3 結果與討論

連續大生產試驗時選取50支鋼管為一個試驗批次，按照上述三種熱處理工藝制度，且操作人員監控工藝時溫度控制在±2℃內，確保設備連續運轉。生產結束后每組各取2個試樣進行分析，結果如下。

3．1 拉伸及硬度試驗

如表4所示拉伸和硬度等性能，除在650℃回火時兩個試樣的屈服強度超出指標要求，抗拉性能接近上線外，其它所有指標都滿足要求，且670℃和680℃回火時屈服強度和抗拉強度性能處于中限，具有指導意義。

表4 拉伸及硬度試驗結果

由試驗結果可以看出，此鋼種三種不同回火溫度得到的屈強比均值在0．88左右，延伸率23%以上，這標明該鋼種高溫回火的熱處理制度，性能比較穩定，可控性較強，還可以有效地去除因淬火產生的應力殘留，得到回火索氏體的組織，以獲得良好的綜合機械性能。在670℃和680℃回火時，屈服強度、抗拉強度的變化不大，而在650℃進行回火時，鋼種表現為硬度較高接近上限，屈服、抗拉較大幅度的提升,且已經高出X80鋼級要求。

3．2 夏比沖擊試驗

選擇670℃回火制度下的試樣2-1進行了橫向和縱向夏比沖擊功試驗，試樣尺寸均為10 mm× 10 mm，溫度分別為20、0、-20、-40、-60、-80℃，試驗結果見圖1、圖2。

從圖1、圖2可以看出，該工藝制度下的橫、縱向沖擊功數值都在150 J以上，在設計-40℃時，縱向沖擊功可以達到200 J以上，橫向沖擊功也在150 J以上，超技術指標62 J要求一倍以上，這標明該鋼種的韌性指標良好。再者，從20℃的沖擊功數值可以看出此鋼種的韌脆轉變溫度點高于20℃，尤其在低溫時使用安全可以得到更好保證。同時進行了-60℃和-80℃低溫沖擊試驗，試驗結果均在150 J以上，為后續更低溫管線管的開發提供數據支撐。

3．3 組織分析

選擇670℃回火制度下的試樣2-1進行了500倍和1 000倍金相組織觀察，照片見圖3，圖4。組織均為S回+B回+F少，晶粒度8．0級以上，夾雜0．5級以下，為性能的均勻、穩定性提供了堅實的基礎。

圖1 橫向沖擊功試驗

圖2 縱向沖擊功試驗

4 結論

（1）采用10MnVNbMo鋼試驗研發PSL2 X80Q鋼級管線管，連續大生產條件下的熱處理工藝制度可以選為淬火溫度950℃，回火溫度670℃，保溫30 min，各項技術指標比較理想。

（2）通過對低溫沖擊功的分析，為-80℃下的管道管開發和服役研究提供技術支撐。

圖3 金相組織照片（500X）

圖4 金相組織照片（1 000X）

[1]楊才福，蘇航．高性能船舶及海洋工程用鋼的開發[J]．北京：鋼鐵，2012，47（12）：1-8．

[2]夏立芳．金屬熱處理工藝學[M]．哈爾濱：工業大學出版社，1996．

[3] Specification for Line Pipe．API SPECIFICATION 5L FORTYFIFTH EDITION[S]．

Process Study on X80Q Graded Seamless Pipe for Pipeline Application

ZHANG Zhe-ping,WANG Li-zhi,SHI Qing-zhi and HOU Qiang
(Machining Department and Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

According to the requirements by PSL2 X80Q technical indices,10MnVNbMo grade was selected for continuous production．Its mechanical properties and metallographic structure with different heat treatment systems were analyzed．All technical indices were satisfactory with 950℃ quenching temperature,670℃tempering temperature and 30 minutes'temperature maintaining．Through analyzing low temperature impact energy,the paper can provide technical support for the development and service study of pipe for-80℃pipeline application．

heat treatment;mechanical property;structure;seamless pipe

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．011

2013-09-14

2013-10-11

張哲平（1974—），女，碩士，主要從事金屬材料研究與應用方面的工作。