31.75 mm厚規格X65M管線鋼的開發

劉志剛

（山鋼股份濟南分公司技術中心，山東濟南250101）

31.75 mm厚規格X65M管線鋼的開發

劉志剛

（山鋼股份濟南分公司技術中心，山東濟南250101）

以低碳微合金設計為基礎，采用潔凈鋼冶金技術，通過兩階段軋制和ACC層流冷卻工藝來保證鋼板的強度和高韌性，濟鋼開發了厚規格X65M管線鋼。鋼板具有針狀鐵素體和貝氏體混合組織，屈服強度470～520 MPa，抗拉強度600～700 MPa，屈強比0.76～0.85；-60℃夏比沖擊功均值在290 J以上，-20℃DWTT在90%以上，各項性能指標滿足標準要求。結合新開發的制管工藝，使批量生產的厚規格X65M焊管具有充足的強度富裕量、高的低溫韌性和焊接性能。

管線鋼；X65M鋼；厚規格；金相組織；低溫韌性

1　前言

隨著管線鋼板厚度的增大，相同厚度連鑄坯生產的鋼板其壓縮比減小，從而使鋼板內部壓下率減小，軋后鋼板晶粒不能得到有效細化，鋼板力學性能變差，尤其是落錘性能保證能力較低。如果一味地依靠增加Ni及其他微合金元素等來保證性能，鋼板的生產成本將大大增加，在目前市場競爭激烈的情況下，產品必然失去市場競爭力。

濟鋼在此背景下積極開展厚規格管線鋼高韌性工藝技術的研究，開發了大中間坯軋制、中間坯冷卻、雙相組織控制等多項關鍵工藝技術，積累了豐富的厚規格管線鋼生產經驗，先后解決了困擾濟鋼4 300 mm產線管線鋼冷卻模型不穩定的問題，性能合格率得到大幅提高，生產的31.75 mm厚規格X65M管線鋼板化學成分、機械性能穩定，完全符合標準要求，具有良好的成型性能、焊接性能和低溫韌性，安全性能和現場適用性能高，完全滿足相關技術條件要求。

2　管線鋼板的開發生產

2.1生產工藝路線

煉鋼：高爐鐵水→KR預脫硫→轉爐冶煉→鋼包合金化→LF精煉→VD（RH）真空精煉→全程保護澆鑄→板坯精整；軋鋼：加熱→兩階段軋制→ACC層流冷卻→矯直→上表檢驗→剪切取樣→下表面檢驗→噴號標記→入庫。

2.2化學成分設計

以降低合金成本并保證鋼板具有穩定的組織和力學性能為目標，對不同鋼級的厚規格高韌性管線鋼設計了不同的化學成分。X65鋼級采用低C、高Mn添加Nb、Mo復合微合金化的成分體系設計，未添加Ni等貴重合金元素，目標是微觀組織形成均勻的針狀鐵素體，保證鋼板具有良好的低溫韌性和良好的焊接性能。化學成分體系如表1所示。

表1　厚規格高韌性X65M管線鋼的成分設計%

2.3重點開發工藝參數

為保證鋼板強韌性匹配，粗軋階段開軋溫度＜1 050℃，終軋溫度（1 000±10）℃，采用較厚的中間坯；精軋溫度＜850℃；終軋溫度確保在Ar3相變溫度以上，并兼顧軋制過程中的板形控制。ACC層流冷卻開冷溫度滿足鐵素體+貝氏體雙相設計要求，開冷溫度控制在奧氏體和鐵素體兩相區域。

3　鋼板實物質量分析

3.1化學成分控制

S、P、H、O等含量是影響鋼板內部質量和低溫韌性的關鍵因素，對熔煉成分中的這幾種元素含量進行了統計，結果見圖1。

從連鑄坯成分具體數值統計及直方圖中可以看出，所有爐次冶煉鋼水純凈度高。

S：0.000 28%～0.005 66%，平均0.001 81%。其中32%＜15.4×10-6，達到抗酸管線鋼S含量要求；61.9%＜20×10-6；84.8%＜25×10-6；99.5%在30× 10-6以內。

P：0.005 66%～0.017 2%，平均97×10-6。其中10.5%在80×10-6以內，29.5%在90×10-6以內，56.5%在100×10-6以內，99.9%在130×10-6以內，僅1批達到172×10-6。

N：0.001 28%～0.006 69%，平均0.003 0%。其中4.4%＜20×10-6，57.2%＜30×10-6，91.9%＜40× 10-6，8.1%＞40×10-6。

圖1　X65M鋼連鑄坯中S、P、H、O元素含量統計情況

H：0.000 01%～0.000 3%。其中27.9%＜0.2× 10-6，12.2%＜0.3×10-6，59.4%＜2×10-6。

O：0.000 44%～0.013 2%，平均0.001 99%。其中72.9%＜25×10-6，97.6%＜35×10-6。

其他合金元素均達到目標要求。良好的鋼水純凈度和鑄坯質量為后期軋制和保證鋼板的低溫韌性創造了條件。

3.2連鑄低倍組織

連鑄過程控制穩定，所有鑄坯內在質量良好，中心偏析基本控制在C類1.5級以內，中心疏松控制在0.5級以內，無中心裂紋。5800682爐次連鑄坯橫切面低倍硫印組織如圖2所示。

圖2　X65M鋼5800682爐次連鑄坯橫切面低倍酸洗組織

3.3鋼板典型微觀組織

生產的X65M管線鋼組織類型是針狀鐵素體和貝氏體混合組織，見圖3。

圖3　API 5L X65M PSL2管線鋼典型金相組織×500

由圖3可以看出，沿著鋼板厚度的表面、1/4處和心部，顯微組織比較單一均勻，晶粒尺寸并沒有出現明顯粗化，鋼板心部也沒有明顯的偏析，組織均勻性良好。

低碳微合金鋼在發生貝氏體轉變的過程中，由于轉變不能進行到底，少量富碳的奧氏體殘留下來并以島的形式分布于貝氏體內，在隨后的冷卻過程中轉變為M/A等島狀硬質相。島狀硬質相的類型、形態與分布影響著貝氏體的性能，從而對鐵素體-貝氏體雙相組織鋼的力學性能有著重要影響。圖4顯示了31.75 mm厚X65M鋼板中M-A的分布，可見M-A島呈球狀或橢圓狀均勻分布，尺寸均勻細小，這樣的M-A分布狀態能夠使鋼板實現高韌性［1］。

3.4鋼板力學性能

厚規格X65M鋼板軋鋼工藝確定后，其他性能指標合格率接近100%，鋼板合格率達到97.3%，表2是部分鋼板的性能及統計情況。

圖4　31.75 mm厚規格X65M管線鋼M-A分布

表2　31.75 mm厚規格X65M鋼軋制態性能（橫向）

由表2性能測試及統計情況可以看出，31.75 mm厚規格X65M鋼屈服強度控制在418～618 MP，平均533 MP；抗拉強度控制在486～786 MP，平均648 MP；屈強比控制在0.67～0.92，平均0.82。除個別批次鋼板性能不合外，其他各項強度指標滿足標準要求，圖5為各項性能指標的分布，可以看到鋼板各性能指標控制比較穩定，基本符合正態分布。由圖5還可以看出，92.8%的鋼板屈服強度、99.6%的鋼板抗拉強度和97.4%的鋼板屈強比合格，只有少部分鋼板屈服強度偏低或者偏高，屈強比超標、抗拉強度偏低和顯微硬度值超標。鋼板屈服強度主要分布在470～520 MPa，抗拉強度主要分布在600～700 MPa，屈強比主要分布在0.76～0.85，硬度主要分布在190～225 HV。濟鋼生產的31.75 mm厚規格X65M鋼板強度適中，屈強比低。

圖5　31.75 mm厚規格X65M鋼板力學性能分布情況

3.5低溫韌性

31.75 mm厚規格部分批號X65M鋼板韌性及統計情況見表3和圖6（試樣規格10 mm×10 mm×55 mm）。鋼板0℃沖擊功最小值82.4 J，最大值468.3 J，平均310.4 J。落錘剪切撕裂面積（DWTT）最小值85%，最大值100%，平均值88.4%。產品韌性指標特別是沖擊功值富裕量大，完全滿足標準要求。X65M鋼板DWTT和沖擊韌脆轉變曲線（CVN）見圖7。

表3　31.75 mm厚X65M鋼板韌性

由圖7可以看出，在-40℃以上的溫度范圍內，鋼板夏比沖擊功無明顯變化；但當溫度下降到-60℃時，夏比沖擊功有下降趨勢，但仍達到291 J。

圖6　31.75 mm厚X65M鋼板韌性統計情況

圖7　31.75 mm厚X65M鋼板DWTT和CVN

在-20℃以上的范圍內，鋼板落錘韌性剪切面積的變化較小，且都可以滿足85%以上的要求，斷裂主要為韌性斷裂，達到了低溫落錘性能要求；當溫度低于-20℃時，鋼板落錘撕裂面積逐步減小；-60℃時僅有10%左右，此時鋼板斷裂以脆斷為主（見圖8）。

圖8　X65M鋼板系列落錘試樣斷口形貌

4　鋼管生產及性能分析

4.1制管工藝

大壁厚高韌性管線鋼的制管工藝均采用JCOE工藝。主要流程：鋼板超聲波探傷-銑邊-預彎-成型-焊接-超聲波和射線探傷-擴徑-水壓試驗等。

4.2鋼管的拉伸性能

圖9所示是鋼板和卷管后鋼管的拉伸性能及硬度對比，可見，鋼板和鋼管的性能指標分布合理，均集中在要求的強度范圍的中限部分。卷管后強度呈升高趨勢，抗拉強度平均升高25 MPa，屈服強度平均值無明顯變化，硬度值升高28 HV10。

圖9　X65M鋼板—鋼管性能變化對比

4.3鋼管韌性及比較分析

鋼管韌性統計如圖10所示，鋼管韌性穩定，特別是低溫韌性優良，0℃橫向沖擊功達到340 J以上，90%以上達到400 J以上；0℃DWTT剪切面積95%～100%。

圖10　X65M鋼管沖擊韌性散點

濟鋼開發的大壁厚高韌性X65M管線鋼生產工藝技術成功應用于多個不同級別和厚度的管線鋼生產，取得了良好的效果。-30℃橫向落錘沖擊剪切面積達到85%以上，-60℃橫向夏比沖擊功仍高于280 J，與國內外同類產品［2］比較（見表4），低溫沖擊功和低溫落錘性能（落錘溫度由客戶提出）優良。

4.4焊接性能

分別采用手工焊和埋弧焊進行了31.75 mm厚X65M鋼板的焊接試驗，焊材均為為大西洋Φ4.0 mm焊絲。分析了焊接接頭不同位置的沖擊韌性。在焊縫中心和熔合線處，埋弧焊的沖擊功大于手工焊的；但在熔合線外2 mm和5 mm處，手工焊的沖擊功較高。所有沖擊功均＞80 J，如圖11所示。焊接接頭的抗拉強度均達到590 MPa以上，且強度均勻性良好，斷裂位置均在母材。焊縫微觀組織和焊接接頭宏觀形貌見圖12。

表4　濟鋼X65M鋼與國內同類產品低溫韌性比較

圖11　31.75 mm厚X65M鋼板焊接接頭沖擊性能

圖12　X65M鋼焊縫微觀組織和焊接接頭宏觀形貌

5　結論

5.1濟鋼研發的31.75 mm厚規格X65M管線鋼板化學成分、機械性能穩定，完全符合標準要求，具有良好的成型性能、焊接性能和低溫韌性。

5.2濟鋼批量生產的31.75 mm厚規格X65M管線鋼板經制管，符合API 5L 45th《管線鋼管技術規范》和GB/T 21237—2007《石油天然氣輸送管用寬厚鋼板》管線鋼相關標準的要求。

5.3濟鋼已完全掌握了31.75 mm厚規格X65M管線鋼板的生產工藝技術，具備批量穩定生產供貨31.75 mm厚規格X65M管線鋼板及以下規格鋼板的能力。

［1］張國棟，白學軍，李穎，等.低溫環境用厚壁大管徑X80直縫埋弧焊管寬厚板的開發［J］.焊管，2014，37（2）：29-34.

［2］陳妍，毛艷麗.日本高強度管線鋼的生產概述［J］.焊管，2009，32（3）：12-13.

Abstrraacctt：Based on design of the low carbon micro alloy，the X65M pipeline steel with 31.75 mm thickness was developed in Jinan Steel.By using clean steel metallurgy technology，two stage rolling and ACC laminar cooling process，the strength and high toughness of heavy gauge X65M pipeline steel were ensured.The steel has a mixture microstructure of acicular ferrite and bainite，the yield strength of the plate ranged from 470 MPa to 520 MPa，tensile strength of the plate ranged from 600 MPa to 700 MPa，theRt0.5/Rmwere 0.76-0.85；the Charpy impact energy at-60℃were more than 290 J，the DWTT at-20℃were more than 90%，the all performance indicators can meet the standard requirements.With the development of new manufacturing process，the thick X65M welded pipe had rich strength，higher low temperature toughness and better welding property.

Key worrddss：pipeline steel；X65M steel；thick specification；metallographic structure；low temperature toughness

學會園地

山東金屬學會被評定為2016年度山東省科協助力地方創新驅動發展工程牽頭學會

根據《山東省科協關于實施助力地方創新驅動發展工程的意見（試行）》要求，山東省科協2016年年初組織開展了2016年度山東省科協助力地方創新驅動發展工程的申報工作，共有17市的47個縣（市、區）及部分海智基地提出了技術和人才需求。2016年5月上旬，根據各市和省級學會申報情況，經綜合評定，山東金屬學會等15個學會為2016年度山東省科協助力地方創新驅動發展工程牽頭學會，青島平度市等28個縣（市、區）為2016年度山東省科協助力地方創新驅動發展工程示范區，山東金屬學會牽頭對接的是聊城冠縣示范區。

為更好地了解技術需求，學會秘書處積極聯系聊城市科協，2016年5月18日組織山東大學等單位的3名專家前往冠縣，在冠縣科協韓主席等領導的全程陪同下，分別與山東恒豐集團、新宇制鋼有限公司、山東魯盟威技術科技有限公司、山東眾泰集團等企業開展了技術對接，實地考察了生產現場，企業給予高度評價。

（學會秘書處）

Development of X65M Pipeline Steels with 31.75 mm Thickness

LIU Zhigang
（The Technology Center of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

生產技術

生產技術

TF762；TG142.41

A

1004-4620（2016）03-0011-04

2016-04-18

劉志剛，男，1981年生，2005年畢業于東北大學材料成型與控制工程專業。現為山鋼股份濟南分公司技術中心管線鋼推進部部長，工程師，從事管線鋼研究及開發工作。