厚規格管線鋼屈服強度異常波動原因分析

于洋 ，關菊 ，劉威

（1.鞍鋼股份有限公司技術改造部，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山114021）

近幾十年來，輸送管線作為石油和天然氣一種經濟、安全、不間斷的長距離輸送工具得到了迅猛發展，由于管線用鋼的服役條件復雜，所以對其性能有著特殊的要求，包括高純凈、高強度、高韌性以及良好的焊接性和耐腐蝕性等。隨著石油天然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也在不斷增大，對管線用鋼提出了高強度、大壁厚、大直徑、高壓力的綜合性能要求。國內外各大鋼廠為適應管線鋼市場的日益變化，在增加管壁厚度和提高管材強度方面進行了深入研究，例如以西氣東輸為代表的長距離輸送管線成功應用了X70、X80強度級別管線用鋼，螺旋焊管最大厚度達到了18.4 mm。但是厚規格、高強度管線鋼也給熱軋生產帶來了一系列困難，如鞍鋼股份熱軋帶鋼廠在生產壁厚大于14 mm、屈服強度大于500 MPa管線鋼時就出現了帶鋼屈服強度異常波動問題，由此造成了大量廢品，影響了企業的經濟效益，鋼卷一旦出廠還會給后續用戶的加工帶來諸多問題。為解決此問題，本文以X70強度級別管線鋼為研究對象，通過工藝排查和相關檢驗分析，找出了X70管線鋼屈服強度異常波動的原因，并制定了相應解決措施，在生產中推廣應用后，取得了明顯效果，解決了技術難題。

1 屈服強度異常波動原因分析

管線鋼生產工藝流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉 （RH＋LF）→鈣處理→連鑄→加熱→軋制→冷卻（超快冷＋層流）→卷取。

生產中發現，管線鋼的屈服強度在化學成分及工藝穩定的條件下其波動范圍呈正態分布，而當壁厚大于14 mm、屈服強度大于500 MPa時，管線鋼的屈服強度經常發生不呈正態分布現象，圖1為用minitable軟件計算的壁厚17.5 mm X70管線鋼屈服強度分布示意圖。

從圖中可以看出，管線鋼的屈服強度沒有呈現正態分布，并且過程能力Cpk僅為0.2。為了搞清厚規格管線鋼屈服強度異常波動的原因，取17.5 mm厚度的 X70 管線鋼試樣進行了 30°、60°、90°方向（橫向）以及軋向（縱向）屈服強度檢驗，結果見圖2。從圖2中可以看出，90°方向的屈服強度最高，其次是軋制方向和60°方向，30°方向最低，并且最大最小差值為36 MPa，說明卷板存在較嚴重的各向異性。

對所取試樣采用線切割方法，分別沿橫向和縱向制成15 mm×15 mm金相樣，磨拋后采用4%濃度的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡下進行金相組織觀察，結果見圖3。

圖3（a）顯示，鋼帶的橫向和縱向組織存在明顯差異，橫向組織基本為等軸晶粒；圖3（b）顯示，縱向組織晶粒有明顯長度的方向性。另外，隨機選取了兩塊試樣（1#，2#試樣）進行了透射電鏡觀察，結果表明，兩塊試樣的析出相形貌有較大區別，見圖4。圖4（a）顯示，1#試樣為細小析出物均勻分布；圖4（a）顯示，2#試樣為粗大析出物偏聚析出。需要注意的是，大生產中取樣都是在帶鋼卷取之后，由于卷取過程中發生了塑性變形，因此所取的檢驗樣不平直，會影響檢驗值的準確性。

通過檢驗分析，認為X70管線鋼屈服強度異常波動的原因為：Nb析出相尺寸和分布不均、鋼板各向異性以及試樣彎曲變形。為解決上述問題，必須搞清相關機理，以便制定相應的技術措施，解決生產中出現的屈服強度異常波動問題。

2 屈服強度異常波動解決措施

2.1 鋼中固溶鈮含量的影響及改善

在管線鋼的生產中，添加鈮的作用主要是利用Nb（CN）在奧氏體中的形變誘導析出來抑制奧氏體再結晶，以達到細化鐵素體晶粒的目的，但鋼中添加Nb首先需要Nb能夠固溶入奧氏體，通過固溶Nb的原子對晶界的拖曳作用，以及NbC的動態析出對晶界運動的強烈阻礙作用來實現，因此說，Nb對變形行為的影響主要表現在固溶Nb的作用上。根據前述檢驗結果發現，受檢試樣中Nb（CN）的析出粒度和彌散度差異很大，這會對屈服強度有一定影響，一般Nb（CN）越細小、越彌散，屈服強度就越高。研究Nb（CN）彌散析出問題，首先要研究Nb有效固溶的問題。通過增加固溶Nb含量控制Nb（CN）析出形態和尺寸。取14.3 mm厚度X70管線鋼生產數據進行回歸分析，屈服強度與加熱溫度的關系式為：

式中，C為碳成分含量；S為硫成分含量；Ht為鋼坯加熱溫度；Rt為粗軋終軋溫度；F0t為精軋開軋溫度；Ft為精軋終軋溫度；Ct為鋼帶卷曲溫度。

根據回歸公式計算得出，加熱溫度每提高40℃，屈服強度可提高22.51 MPa。要想提高固溶Nb含量，必須提高加熱溫度。生產中采取了延長加熱時間和提高加熱溫度的辦法來提高固溶Nb含量。

2.2 各向異性的影響及控制

在各向異性材料中，晶粒并非等軸晶，它在不同方向上的尺寸是不一致的。沿著晶粒被拉長方向的強度和韌性一般比較好，而其它方向上的強度和韌性相對就差一些［1］。通過對X70管線鋼試樣相關檢驗來看，雖然其橫向和縱向組織存在明顯差異，變形程度也不完全一樣，即縱向組織晶粒為拉長晶粒，橫向組織近似為等軸晶粒，但是試樣的橫向屈服強度最高，縱向屈服強度其次，與軋制方向成30°方向屈服強度最低。從化學成分、金相組織上沒找到異常之處，說明僅從微觀上很難得到X70管線鋼各向異性特征的解釋，X70管線鋼的各向異性有其自身的特點，導致鋼帶各向異性特征與組織中織構的存在有關，即{112}＜110＞織構導致屈服強度的各向異性，30°方向最低，橫向最高，這種織構的形成與奧氏體未再結晶區發生的相變有關。厚規格管線鋼采用TMCP工藝生產，在精軋過程中，如果軋件的尾部溫降過快，尤其是進入了兩相區溫度，此時軋件受到低溫加工后，會使{112}＜110＞織構加強，使得橫向屈服強度比縱向屈服強度高很多。根據大生產觀察，由于通卷溫度差，有時部分X70管線鋼卷板尾部溫度在 700～750℃之間，說明軋件尾部在終軋之前已經進入了兩相區，這對卷板各向異性的控制很不利。生產中采取適當提高終軋溫度、降低卷取溫度的方法，可最大限度避免軋件尾部的兩相區軋制，弱化{112}＜110＞織構，減輕各向異性傾向。

鋼帶的各向異性問題在低溫控軋中必然會產生，為解決該問題，在鋼種設計時考慮了用戶使用的方向性，對于用戶提出在30°方向使用的鋼帶，在成分設計中適當添加了強化元素，結合工藝參數的調整，可保證屈服強度波動范圍在一個合理的區間之內。

2.3 彎曲變形的影響及消除

熱連軋卷經過卷取之后會發生彎曲變形，并且該變形屬于三維變形，變形示意圖見圖5。這種變形試樣在力學性能檢驗時會產生數據偏差，會造成屈服強度檢測值比板卷的真實屈服強度低［2］。試樣彎曲變形導致屈服強度降低的原因分析如下：

拉伸試驗變形計算式 Δz=Δs＋Δx （2）式中，Δz為試樣的總變形量；Δs為試樣形狀變形量；Δx為試樣受力產生的變形量。

拉伸試驗屈服強度測量的Rt0.5是在50 mm標距內產生的總變形量，即Δz=50×0.5%=0.25 mm；X70管線鋼的Rt0.5約為500 MPa；試樣形狀變形量Δs預測為 20～40 MPa，4%～8%的試樣變形量 Δs計入Δz中，為0.01～0.02 mm。可見0.01 mm試樣變形被計入到Rt0.5變形量的檢測數據里，就能導致屈服強度低20～40 MPa，這也是影響屈服強度的最關鍵因素。由于試樣形狀變形量計入的隨機性，因此Rt0.5強度的值也呈現了不穩定性。

為解決上述問題，生產中采用了增加壓平機的方法，利用壓平機先對試樣反復進行壓平，確保試樣的平直度之后再進行力學性能檢驗。表1為試樣壓平對屈服強度的影響的試驗結果，從試驗數據來看，壓平之后可以使試樣的屈服強度提高了34 MPa，這一數值基本上可以彌補由于試樣彎曲造成的屈服強度下降值，可以代表熱軋卷的實際屈服強度值。另外，生產中有時還采用圓棒試驗方法，用以替代板拉力試驗方法，最大限度地消除試樣彎曲變形對屈服強度檢驗值的影響。

表1 試樣壓平對屈服強度的影響試驗結果

3 結論

（1）Nb析出相尺寸和分布不均、鋼板各向異性以及試樣彎曲變形是厚規格管線鋼屈服強度異常波動的主要原因。

（2）生產中采取延長加熱時間和提高加熱溫度的辦法來提高鋼中固溶Nb含量，保證了Nb（CN）細小、彌散析出。

（3）適當提高終軋溫度、降低卷取溫度，可以防止軋件在兩相區受到加工，減輕卷板各向異性傾向。

（4）增加壓平機，對檢驗之前的試樣進行反復壓平，可以得到比較真實的屈服強度值。

另外，優化調整化學成分、采用圓棒形試樣進行試驗，對解決屈服強度異常波動問題也有一定的效果。

［1］鄭茂盛，李金波，李海軍，等.X80級管線鋼的各向異性特征［J］.焊管，2005（3）：13-16.

［2］ 郭斌，孔君華，劉昌明.西氣東輸工程用X70熱軋板卷屈服強度檢測值波動大的探討［J］.鋼鐵研究，2003（6）：38-40.