低溫管線鋼DWTT 性能影響因素研究

孫磊磊， 屈獻(xiàn)永， 鄭 磊

（寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院， 上海201900）

0 前 言

隨著全球能源消耗加劇， 石油天然氣能源的開(kāi)采已經(jīng)向極地、 凍土、 深海、 荒漠等環(huán)境惡劣區(qū)域延伸， 因此， 油氣長(zhǎng)輸管道工程對(duì)管線鋼管提出了更高的要求， 例如低溫、 大應(yīng)變、 厚壁、高強(qiáng)度等[1-4]。

據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局研究， 北極地區(qū)可能蘊(yùn)含地球上剩余的30%天然氣和13%石油儲(chǔ)備[5-7]，對(duì)未來(lái)能源開(kāi)發(fā)極具吸引力。 目前， 阿拉斯加、 加拿大北部、 格陵蘭島、 挪威和俄羅斯部分的巴倫支海區(qū)域以及俄羅斯西部等地區(qū)的能源開(kāi)發(fā)活動(dòng)正在日益增加， 將成為未來(lái)管道建設(shè)的熱點(diǎn)地區(qū)。 這些區(qū)域的地面外輸管線和海洋立管管線暴露在外界環(huán)境中， 承受極低的服役溫度， 對(duì)這些管線鋼管提出了非常嚴(yán)苛的低溫韌性要求[8-9]， 少數(shù)工程的設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度甚至低至-45 ℃。 落錘撕裂試驗(yàn) （DWTT） 作為檢驗(yàn)管線鋼低溫抗動(dòng)態(tài)撕裂性能的關(guān)鍵指標(biāo)， 滿足該指標(biāo)是制造低溫服役管線鋼管的重要技術(shù)難點(diǎn)， 當(dāng)管線鋼厚度增加時(shí)， 滿足低溫DWTT 性能的難度會(huì)顯著增加。 近年來(lái)， 研究人員針對(duì)成分、 工藝、 組織類型對(duì)管線鋼DWTT 性能的影響進(jìn)行了諸多研究[10-13]， 但對(duì)-45 ℃及以下極低溫的DWTT 性能研究較少。

本研究在實(shí)驗(yàn)室冶煉、 軋制條件下研究了化學(xué)成分、 卷取溫度、 冷卻速度等因素對(duì)管線鋼熱軋板卷低溫DWTT 性能的影響， 通過(guò)成分和工藝的匹配， 合理控制顯微組織， 獲得了均勻、 細(xì)化的高韌性鐵素體和針狀鐵素體組織， 并基于研究成果開(kāi)發(fā)了Φ508 mm×11.13 mm 的-45 ℃超低溫服役X56 鋼級(jí)HFW 管線鋼管。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5 種管線鋼的成分， 主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。 表1 中， 1#和2#成分w（C）=0.065%， 前者含Mo， 后者含Mo+Ni； 3#～5#成分w（C）=0.042%，3#成分含Mo， 4#成分含Mo+Ni， 5#成分含Cr+Ni。

利用實(shí)驗(yàn)室500 kg 真空中頻感應(yīng)爐冶煉以上5 種成分的試驗(yàn)鋼， 澆鑄成錠， 進(jìn)行軋制試驗(yàn)， 軋鋼坯料厚度為250 mm， 軋制成15 mm 厚的鋼板， 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。 對(duì)軋制的試驗(yàn)鋼進(jìn)行顯微組織和DWTT 性能分析， 研究成分和工藝的影響， 其中， 1A、 2A、 3A、 4A、 5A 用于對(duì)比成分的影響； 1A、 1B、 2A、 2B 用于對(duì)比w（C）=0.065%試驗(yàn)鋼卷取溫度的影響； 3A、 3B、4A、 4B 用于對(duì)比w（C）=0.042%試驗(yàn)鋼卷取溫度的影響； 1B、 1C、 2B、 2C 用于對(duì)比冷卻速度的影響。

表1 設(shè)計(jì)的5 種管線鋼主要化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)鋼軋制工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 化學(xué)成分對(duì)DWTT 性能的影響

圖1 為卷取溫度為530 ℃時(shí)5 種試驗(yàn)鋼的金相組織。 圖1 中w（C）=0.065%的1A 和2A 試驗(yàn)鋼的組織中基本不含多邊形鐵素體， 1A 成分中添加Mo， 組織中含有晶粒尺寸較大的準(zhǔn)多邊形鐵素體； 2A 成分中添加Mo 和Ni， 準(zhǔn)多邊形鐵素體有所減少和細(xì)化。 w（C）=0.042%的3A 試驗(yàn)鋼添加Mo 元素， 組織以粒狀貝氏體為主， 多邊形鐵素體含量較少； 4A 試驗(yàn)鋼同時(shí)添加Mo和Ni， 組織以細(xì)小的多邊形鐵素體為主； 5A 試驗(yàn)鋼添加了Cr 和Ni， 組織為多邊形鐵素體和少量珠光體， 說(shuō)明Cr 元素抑制珠光體析出的效果弱于Mo 元素。

圖1 卷取溫度為530 ℃時(shí)5 種試驗(yàn)鋼的金相組織

圖2 為卷取溫度為530 ℃時(shí)5 種試驗(yàn)鋼的系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線。 圖2 中w（C）=0.065%試驗(yàn)鋼的DWTT 性能整體上低于w（C）=0.042%的試驗(yàn)鋼， 而添加了Ni 元素的2A 優(yōu)于未加Ni 的1A 鋼。w（C）=0.042%成分體系中， 同時(shí)添加Mo 和Ni 元素的4A 試驗(yàn)鋼的DWTT 性能最優(yōu)， 添加Cr 和Ni 的5A 試驗(yàn)鋼次之， 未加Ni 元素的3A 試驗(yàn)鋼的DWTT 性能最低。

圖2 卷取溫度為530 ℃時(shí)5 種試驗(yàn)鋼的系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線

結(jié)合金相組織和DWTT 性能分析可見(jiàn)， w（C）=0.065%、 不含Ni 成分的試驗(yàn)鋼形成了尺寸較大的準(zhǔn)多邊形鐵素體， 且不含多邊形鐵素體， 表現(xiàn)出了最低的DWTT 性能； 添加Ni 元素減少了準(zhǔn)多邊形鐵素體的含量， 提高了DWTT 性能。 在w（C）=0.042%成分體系中， 含Mo 不含Ni 的成分多邊形鐵素體含量較少， DWTT 性能最低； 添加Ni元素后， 組織以多邊形鐵素體為主， 表現(xiàn)出了最佳的DWTT 性能； 而添加Cr 和Ni 的試驗(yàn)鋼由于Cr 元素抑制珠光體的效果弱于Mo， 導(dǎo)致其DWTT 性能低于添加Mo 和Ni 的試驗(yàn)鋼。

2.2 卷取溫度對(duì)DWTT 性能的影響

圖3 為w（C）=0.065%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼的金相組織。 1A 和1B 為1#成分在卷取溫度為530 ℃和450 ℃下的試驗(yàn)鋼， 2A 和2B為2#成分在卷取溫度為530 ℃和450 ℃下的試驗(yàn)鋼。 由圖3 可以看出， 隨著卷取溫度的降低，組織得到有效地細(xì)化， 準(zhǔn)多邊形鐵素體被有效抑制， 形成了以多邊形鐵素體為主的組織。

圖4 為w（C）=0.065%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線。 由圖4 可以看出， DWTT 性能由高到低依次為2B、 1B、 2A、1A。 降低卷取溫度有效提高了試驗(yàn)鋼的DWTT 性能， 而且從1B 和2A 的對(duì)比可以看出， 低卷取溫度、 不加Ni 的1B 試驗(yàn)鋼DWTT 性能優(yōu)于高卷取溫度、 添加Ni 的2A 試驗(yàn)鋼。 可見(jiàn)， 卷取溫度的作用超過(guò)了添加Ni 元素的作用， 在同樣卷取溫度下， 添加Ni 元素可進(jìn)一步提高DWTT 性能。

圖3 w（C）=0.065%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼的金相組織

圖4 w（C）=0.065%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線

圖5 為w（C）=0.042%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼的金相組織。 3A、 3B 為3#成分在卷取溫度為530 ℃和450 ℃下的試驗(yàn)鋼， 4A、 4B 為4#成分在卷取溫度為530 ℃和450 ℃下的試驗(yàn)鋼。 由圖5可以看出， 隨著卷取溫度降低， 試驗(yàn)鋼組織類型基本未發(fā)生變化， 但晶粒尺寸得到了有效的細(xì)化。

圖5 w（C）=0.042%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼的金相組織

圖6 所示為w（C）=0.042%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線。 由圖6可以看出， 其規(guī)律與w（C）=0.065%成分體系的結(jié)果一致， 低溫卷取的3B、 4B 試驗(yàn)鋼的DWTT 性能明顯優(yōu)于高溫卷取的3A、 4A 試驗(yàn)鋼， 同時(shí)， 低溫卷取、 不加Ni 的3B 試驗(yàn)鋼的DWTT 性能優(yōu)于高溫卷取、 添加Ni 的4A 試驗(yàn)鋼， 再一次證明了降低卷取溫度對(duì)DWTT 性能提升的作用比添加Ni 元素更顯著。 另外， 4B試驗(yàn)鋼的DWTT 斷口85% FATT 韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至-70 ℃。

圖6 w（C）=0.042%成分體系中不同卷取溫度試驗(yàn)鋼系列溫度DWTT 轉(zhuǎn)變曲線

2.3 冷卻速度對(duì)DWTT 性能的影響

圖7 為w（C）=0.065%成分體系中不同冷卻速度下試驗(yàn)鋼的金相組織。 1B、 1C 為1#成分冷卻速度分別為18 ℃/s （低冷速） 和28 ℃/s（高冷速） 下的試驗(yàn)鋼， 2B、 2C 為2#成分冷卻速度分別為18 ℃/s 和28 ℃/s 下的試驗(yàn)鋼。由圖7 可以看出， 冷卻速度從18 ℃/s 提高到28 ℃/s， 試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸和碳化物尺寸均有明顯的細(xì)化， 雖然多邊形鐵素體含量減少， 但形成的粒狀貝氏體晶粒更加細(xì)小， 而且并未形成板條形態(tài)的低溫貝氏體相變組織。 高冷速對(duì)組織的細(xì)化作用有利于提高管線鋼的低溫韌性， 其他文獻(xiàn)也有類似報(bào)道[14-15]。

圖8 為w（C）=0.065%成分體系中不同冷卻速度下試驗(yàn)鋼系列溫度的DWTT 轉(zhuǎn)變曲線。 由圖8 可以看出， 隨著冷卻速度從18 ℃/s 提高到28 ℃/s， 試驗(yàn)鋼的DWTT 性能均獲得了有效提升， 其中， 含Ni、 冷速28 ℃/s 的試驗(yàn)鋼2C 的DWTT 斷口85% FATT 韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至-60 ℃。

圖7 w（C）=0.065%成分體系中不同冷卻速度下試驗(yàn)鋼的金相組織

圖8 w（C）=0.065%成分體系中不同冷卻速度下試驗(yàn)鋼系列溫度的DWTT 轉(zhuǎn)變曲線

3 低溫HFW 管線鋼管工業(yè)試制

針對(duì)Φ508 mm×11.13 mm 規(guī)格-45 ℃低溫服役X56 鋼級(jí)HFW 管線鋼管的市場(chǎng)需求， 以低碳、 含Mo+Ni 的4#成分為設(shè)計(jì)目標(biāo)， 進(jìn)行了工業(yè)試制。 熱軋采用密集冷卻和低溫卷取工藝， 試制出了Φ508 mm×11.13 mm 低溫HFW 管線鋼管， 并供貨1 000 余噸。

圖9 為工業(yè)試制的Φ508 mm×11.13 mm 規(guī)格X56 鋼級(jí)低溫HFW 管線鋼管的金相組織， 由圖9 可以看出， 管體組織以細(xì)小的多邊形鐵素體和粒狀貝氏體為主。 試制鋼管的拉伸性能滿足X56 鋼級(jí)的要求， 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖10 所示。 圖10中管體屈服強(qiáng)度均值為483 MPa、 抗拉強(qiáng)度均值為560 MPa， 焊縫抗拉強(qiáng)度均值為540 MPa。 圖11 為試制鋼管-45 ℃的管體橫向DWTT 性能，斷口剪切面積率均值達(dá)到97%， 最低值為95%，表現(xiàn)出了優(yōu)異、 穩(wěn)定的低溫DWTT 性能。

圖9 工業(yè)生產(chǎn)的X56 鋼級(jí)低溫HFW 管線鋼管的金相組織

圖10 工業(yè)生產(chǎn)的X56 鋼級(jí)低溫HFW 管線鋼管拉伸性能

圖11 工業(yè)生產(chǎn)的X56 鋼級(jí)低溫HFW 管線鋼管DWTT 性能

4 結(jié) 論

（1） w（C）=0.042%成分試驗(yàn)鋼的DWTT 性能顯著優(yōu)于w（C）=0.065%成分的試驗(yàn)鋼； 添加Ni 元素能顯著提高管線鋼的DWTT 性能； 在w（C）=0.042%成分下， 添加Mo 和Ni 元素對(duì)珠光體的抑制作用優(yōu)于添加Cr 和Ni， 可以獲得更好的DWTT 性能。

（2） 卷取溫度從530 ℃降低至450 ℃， 能有效細(xì)化兩種碳含量成分試驗(yàn)鋼的顯微組織，DWTT 性能顯著提升， 其提升效果比添加Ni元素更顯著。 w（C）=0.042%、 添加Mo 和Ni 元素、 卷取溫度450 ℃下試驗(yàn)鋼的DWTT 斷口85% FATT 的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至-70 ℃。

（3） 冷卻速度從18 ℃/s 提高到28 ℃/s，w（C）=0.065%成分的試驗(yàn)鋼形成了晶粒更加細(xì)小的粒狀貝氏體組織， 且未出現(xiàn)板條形態(tài)的低溫貝氏體， DWTT 性能獲得明顯提升。

（4） 采用研究結(jié)果， 選擇合適的成分和工藝軋制板卷， 成功試制了Φ508 mm×11.13 mm規(guī)格X56 鋼級(jí)低溫服役HFW 管線鋼管， 并表現(xiàn)出了優(yōu)異、 穩(wěn)定的-45 ℃DWTT 性能。