基于應變設計的X80HD管線鋼生產技術研究

查春和，付 靜，劉棟棟

（冶金工業信息標準研究院，北京100730）

基于應變設計的X80HD管線鋼生產技術研究

查春和，付 靜，劉棟棟

（冶金工業信息標準研究院，北京100730）

為了研究X80HD管線鋼的抗大變形能力，分析了軋制工藝對基于應變設計的X80HD管線鋼組織性能的影響，并研究了制管工藝過程對管線鋼的力學性能的影響規律。結果表明，鐵素體/貝氏體雙相組織的管線鋼，隨著始冷溫度降低，先共析鐵素體和析出物數量增加；隨著終冷溫度的降低，貝氏體的數量增加，相變強化作用增強，管線鋼的抗拉強度提高更為明顯；在制管過程中，鋼管的屈服強度增加明顯，且隨著擴徑率的增大，鋼管屈服強度呈比例增大，但抗拉強度變化不大；當始冷溫度約700℃和終冷溫度低于450℃時，鋼中的先共析鐵素體和貝氏體雙相組織組成控制合適，該管線鋼具有優良的變形能力，能較好地滿足大應變管線鋼的性能要求。

X80HD管線鋼；大應變；鐵素體/貝氏體雙相鋼；均勻延伸率；屈強比

Abstract:In order to study the high deformation resistance of X80HD pipeline steel,in this article,it analyzed the influence rule of rolling process on microstructure and mechanical properties of X80HD pipeline steel with strain-based design,and researched the influence of pipe making process on pipeline steel mechanical properties.The results showed that ferrite/bainite dual phase organization pipeline steel,along with start cooling temperature reducing,the quantity of proeutectoid ferrite and precipitates increased;as the final cooling temperature decreased,the quantity of bainite increased,the effect of phase transformation strengthening increased,so the tensile strength increase of pipeline steel was more obvious.In the pipe making process,the yield strength of pipe steel obviously increased,along with the expansion ratio increasing,the yield strength increased according to certain proportion,but the tensile strength changed little.When the start cooling temperature at about 700℃ and the final cooling temperature below 450℃,the proportion of ferrite and bainite dual-phase structure in steel was appropriate.This pipeline steel was with excellent deformability,which can better meet the performance requirements for large strain pipeline steel.

Key words:X80HD pipeline steel;large strain;ferrite/bainite dual phase steel;uniform elongation;yield ratio

基于應變設計的管線鋼也稱為大應變管線鋼，主要應用于可能出現較大規模地層運動的地區。因其使用環境比較惡劣，管線鋼管易發生較大的塑性變形而失效，因而要求大應變管線鋼不僅要承受較高的內壓，而且必須具備較好的變形能力[1-4]。這就要求管線鋼橫向各項性能，如強度、韌性、落錘性能、硬度等，必須滿足同鋼級管線鋼的技術條件要求；縱向性能必須要有良好的變形能力，即要求有較高的形變強化指數（n）、較大的均勻延伸率（UEL）、 較低的屈強比、拉伸應力-應變曲線為圓屋頂形（不能有屈服平臺）[5-8]。

目前國內外對X80大應變管線鋼的研究和應用的相關報道較少，但市場對大應變管線鋼的潛在需求較大。通過合理的成分設計，研究了軋制工藝對抗大變形管線鋼的組織和性能的影響，以及制管工藝對鋼管性能的影響，為開發大應變管線鋼提供了控制思路。

1 X80HD管線鋼化學成分及工藝特點

大應變管線鋼的塑性變形能力受鋼材內部顯微組織的影響非常大，由硬相和相對軟的相組成的雙相顯微組織可獲得較大的應變強化性能。JFE公司開發了兩種類型的高塑性變形性能的管線鋼管，一種是由貝氏體+馬氏體（MA）雙相顯微組織構成，這是JFE采用Super-OLAC（超級在線加速冷卻工藝）+HOP（在線熱處理工藝）成功開發的性能優良的大應變管線鋼，可獲得傳統TMCP工藝達不到的獨特效果；另一種是由鐵素體+貝氏體雙相顯微組織構成，這是目前使用較廣的控制方法，只有獲得適當比例的雙向組織才能滿足大應變管線鋼的技術條件要求[9-10]。

本次研發的26.3 mm厚度X80大應變管線鋼板采用低C-Nb經濟型成分設計，化學成分見表1。主要采用鐵素體+貝氏體雙相組織，通過控制終軋溫度、始冷溫度及終冷溫度，得到不同比例的雙相組織。

表1 26.3 mm厚度X80大應變管線鋼板的化學成分 %

在生產工藝上采用了純凈鋼冶煉技術和鑄坯輕壓下技術，得到超低磷硫含量（w（P）≤0.01%、w（S）≤0.002%）的鑄坯，鑄坯內部夾雜物和偏析情況控制良好，并通過細晶強化、位錯強化、相變強化等機制，以保證良好的綜合性能。

2 軋制工藝對X80HD管線鋼組織性能的影響

2.1 不同軋制工藝對組織性能的影響

X80大應變管線鋼采用兩階段軋制工藝。先將400 mm厚鋼坯加熱到1 180～1 200℃，在奧氏體完全再結晶區進行軋制變形（1 030～980℃），待溫一段時間后，再在奧氏體未再結晶區進行軋制變形（880～800℃），兩個階段軋制壓下率均≥70%。軋后鋼板以不同的始冷溫度進入ACC層流冷卻系統，并快速冷卻到不同的終冷溫度，其生產工藝參數及力學性能見表2。

從表2可以看出，1#～5#試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、屈強比和落錘試驗性能均已達到X80管線鋼技術條件要求[6]，并且試驗鋼板的橫向屈服強度、抗拉強度、屈強比均比鋼板縱向的性能要高。1#～5#試驗鋼的拉伸曲線均為圓屋頂形狀，即表現為連續屈服特征，如圖1所示。

此外，1#和2#試驗鋼均具有較好的強度、較低的屈強比和較高的均勻延伸率，呈現出較好的變形能力，尤其是1#試驗鋼變形能力最好，而3#～5#試驗鋼屈服強度較高，其抗拉強度偏低，均勻延伸率偏低（UEL≤10%），表明變形能力較差。

表2 不同生產工藝下試驗鋼板的工藝參數及力學性能

圖1 不同生產工藝下管線鋼的拉伸應力-應變曲線

5種不同工藝下鋼板的沖擊韌性均能滿足技術條件要求。當始冷溫度較高、終冷溫度較低時，沖擊功最高，如5#試樣；當始冷溫度較低、終冷溫度較高時，沖擊功較差，如3#試樣。綜合各項性能，1#試樣綜合性能較好，能較好地滿足技術條件要求，其沖擊韌脆轉變溫度為-35℃。

2.2 始冷溫度對鋼板性能的影響

以1#、4#和5#試驗鋼為例，分析不同始冷溫度對鋼板性能的影響。圖2為始冷溫度從750℃降到700℃時鋼板橫向拉伸性能變化情況，鋼板縱向拉伸性能和均勻延伸率變化如圖3和圖4所示。

圖2 始冷溫度對鋼板橫向性能的影響

圖3 始冷溫度對鋼板縱向性能的影響

圖4 始冷溫度對鋼板縱向屈強比和均勻延伸率的影響

由圖2可見，隨著始冷溫度的降低，屈服強度略有下降，抗拉強度呈上升趨勢，因而屈強比也降低。從圖4可見，隨著始冷溫度的降低，鋼板的屈強比下降，而均勻延伸率呈明顯上升趨勢。

2.3 終冷溫度對性能的影響

以1#、2#和3#試驗鋼為例，分析不同終冷溫度對鋼板性能的影響。圖5為終冷溫度從510℃降至450℃以下時鋼板橫向和縱向拉伸性能變化情況，由圖5可見，隨著終冷溫度的降低，抗拉強度升高，屈服強度變化不大，屈強比呈下降趨勢，均勻延伸率增大。

圖5 終冷溫度對鋼板力學性能的影響

2.4 試驗鋼的顯微組織分析

5種工藝下試驗鋼的金相組織如圖6所示。1#～3#試樣由于始冷溫度較低（700℃），組織主要是以多邊形鐵素體+貝氏體雙相組織為主，先共析鐵素體含量較多，貝氏體在層狀鐵素體之間形成，并且隨終冷溫度的降低，低溫轉變的貝氏體相含量逐漸增加，如1#試樣終冷溫度最低（＜450℃），組織中出現一定量的板條狀貝氏體，軟相和硬相交替層狀分布,如圖7所示。因此，1#試樣抗拉強度較高，屈強比較低，均勻延伸率較高，表現出較好的抗大變形能力，并且1#試樣終冷溫度較高（510℃），組織中的貝氏體主要以粒狀貝氏體為主，抗拉強度較低，組織中軟相和硬相強度差別較小，因而其抗大變形能力較差。4#和5#試樣由于始冷溫度較高，先共析鐵素體含量較少，組織主要是以針狀鐵素體+貝氏體雙相組織為主，因此其屈服強度較高，如5#試樣始冷溫度最高（750℃），熱軋后的鋼板只發生很少量的鐵素體相變，就經過快速冷卻到較低溫度，產生大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，因而其屈服強度和屈強比較高，均勻延伸率較低，抗大變形能力較差。

圖6 不同工藝下試驗鋼的金相組織

圖7 1#試樣SEM照片

3 制管工藝對性能的影響

鋼板制成鋼管過程中，由于發生了較大的應變強化，因而其拉伸性能會發生較大變化。表3為1#試驗鋼在制管前后性能變化情況，由表3可見，制管后鋼管屈服強度上升較大（60～90 MPa），抗拉強度變化不大，屈強比上升（0.07～0.13），均勻延伸率下降3.5%。

在制管過程中，擴徑率對性能的影響較大。擴徑率越大，鋼管發生塑性變形程度越大，因而應變強化效果越大，鋼管的屈服強度上升越大；擴徑率越小，鋼管發生塑性變形程度越小，則應變強化效果越小，鋼管的屈服強度上升越小。為模擬不同擴徑率對鋼管強度性能的影響，筆者研究了試驗鋼在發生不同預應變后的拉伸性能變化情況，結果如圖8所示。

表3 1#試驗鋼制管前后力學性能變化情況

圖8 預應變對試驗鋼拉伸性能的影響

由圖8可見，當預應變從0增大到1%時，試驗鋼的屈服強度從475 MPa上升到633 MPa，抗拉強度變化不大，屈強比急劇增大，變形能力變差。因此，大應變管線鋼在制管過程中，在保證鋼管橢圓度的情況下，擴徑率應適當降低，控制在0.95%以下。

4 結 論

（1）試驗鋼在始冷溫度700℃、終冷溫度450℃以下時，可獲得鐵素體/貝氏體雙相組織，其中鐵素體約為70%，貝氏體約為30%，軟硬兩項交替層狀分布，具有較高的強度，較低的屈強比，較高的均勻延伸率，能較好地滿足大應變管線鋼的性能要求。

（2）始冷溫度和終冷溫度對大應變管線鋼的組織組成和力學性能影響較大。隨著始冷溫度的降低，先析出鐵素體含量增加，析出強化作用增強；隨著終冷溫度的降低，組織強化作用增強，板條狀貝氏體含量逐漸增多，抗拉強度上升明顯。

（3）大應變管線鋼在制管過程中，屈服強度上升較大，抗拉強度變化不明顯，屈強比上升較大，均勻延伸率下降；并且隨著擴徑率的增大，鋼管發生塑性變形程度越大，應變強化作用越大，則屈服強度上升越明顯，屈強比上升越大，抗塑性變形能力變差。

（4）考慮到大應變管線鋼在制管后，屈服強度上升較大，因而在鋼板生產過程中，其屈服強度應適當降低，同時應適當降低鋼管的擴徑率，以滿足最終鋼管的強度和塑性變形能力。

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Strain-based Design for X80HD Pipeline Steel Production Technology Research

ZHA Chunhe， FU Jing， LIU Dongdong
（China Metallurgical Information&Standardization Institute,Beijing 100730,China）

TG335.13

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.005

2016-12-05

編輯：黃蔚莉

查春和（1980—），高級工程師，主要從事寬厚

板產品、汽車用鋼、鋼管等產品工藝技術及發展研究，尤其對管線鋼系列產品有較深入研究。