鞍鋼厚規格L555M管線鋼熱軋卷板的研制

黃國建 ，黃明浩 ，王楊 ，董洋

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山 114021）

現代管線鋼已成為低合金高強度鋼和微合金鋼領域內最富有活力、最具研究成果的一個重要分支，具有高技術含量和高附加值。近年來，為降低天然氣管道建設和運營成本，提高輸送效率，采用高鋼級、厚規格、大口徑高壓輸送已成為長距離油氣管道建設的主流趨勢［1-5］。目前L555M（X80）鋼級管道工程的管徑擴大至1 422 mm，工作壓力提高至18 MPa，是全球應用里程最長的高鋼級材料，而中國L555M（X80）鋼級管道的總里程居世界首位［5-7］。

中俄東線輸氣管道工程是國家重要的能源戰略工程之一，北起黑龍江省黑河市，途經吉林長嶺、河北永清，南至上海，管道全長約3 400 km，是我國目前口徑最大（1 422 mm）、壓力最高（12 MPa）、單管輸氣量（3.8×1010m3）國際最大的長輸管道工程。干線采用API L555M（X80M）鋼級，螺旋鋼管的最厚規格21.4 mm，化學成分要求嚴格，強度韌性匹配要求高，-20℃落錘撕裂試驗（DWTT）的剪切面積均值85%以上，且具有較嚴格的環焊要求，技術難度極大。2018-2019年，鞍鋼采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚L555M管線鋼熱軋卷板，制成最大管徑1 422 mm規格螺旋埋弧焊鋼管，應用于中國中俄東線輸氣管道工程。

1 產品設計

1.1 工程技術條件

本產品工程技術條件涉及Q/SYGD 0503.1-2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第1部分：X80級螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術條件》，Q/SYGD 0503.2-2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第2部分：X80級螺旋縫埋弧焊管技術條件》，01-GI001#EPL-DS-0103 《黑河-長嶺段干線線路鋼管數據單》。本工程21.4 mm厚規格L555M管線鋼熱軋卷板的化學成分要求見表1。

表1 L555M管線鋼熱軋卷板化學成分要求（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Hot Rolled Coils for L555M Pipelines（Mass Fraction） %

與美國石油協會API SPEC 5L標準相比，Mn元素上限要求有所下降，Cr、Mo、Ni和Cu等合金元素上限要求明顯降低，且Cr、Mo、Ni同時提出下限要求。

L555M管線鋼熱軋卷板的力學性能要求如表2所示。試樣取樣的方向要求與軋制方向成30°，根據相關研究［8］，30°方向為材料強度最薄弱的方向，還需要同時滿足-20℃低溫韌性要求，特別是厚規格材料的DWTT性能保證難度極高。

表2 L555M管線鋼熱軋卷板的力學性能要求Table 2 Mechanical Properties of Hot Rolled Coils for L555M Pipelines

1.2 合金設計

L555M管線鋼采用低碳高鈮的C-Mn-Mo-Cr-Nb合金體系設計，適當添加Ni、Cu，低冷裂紋敏感系數Pcm，綜合利用合金元素固溶、細晶、位錯、析出和相變等強化機制，組織形態為針狀鐵素體混合組織（AF+少量MA）。L555M管線鋼的主要化學成分目標值見表3。

表3 L555M管線鋼的主要化學成分目標值（質量分數）Table 3 Target Values of Main Chemical Compositions in L555M Pipelines（Mass Fraction） %

C為碳化物形成元素，對提高強度效果明顯，但為了保證低溫韌性，采用低碳低冷裂紋敏感系數Pcm，碳的質量分數不大于0.06%，Pcm不大于0.21%；Mn通過固溶強化方式提高強度，且有助于細化相變組織，但含量過高容易產生連鑄坯的中心偏析；Nb主要析出強化降低相變溫度，Nb的質量分數大于0.06%，高鈮可延遲奧氏體再結晶，降低相變溫度，促進針狀鐵素體組織和M-A島的形成［9-11］；Mo、Cr、Ni等元素均在γ－α相變過程中對獲得針狀鐵素體組織起重要作用，并可改善低溫韌性。

1.3 工藝設計

L555M管線鋼熱軋卷板生產一般采用常規熱軋生產線，連鑄板坯厚度為230 mm或260 mm。而鞍鋼采用獨特的ASP生產工藝，連鑄坯厚度僅為170 mm。

L555M管線鋼生產工藝上采用純凈鋼冶煉連鑄技術、TMCP軋制技術和超快冷技術，其主要工藝流程：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉（RH＋LF+鈣處理）→連鑄→加熱→軋制→超快冷+層流冷卻→卷取。

冶煉連鑄：采用純凈鋼冶煉工藝，經轉爐冶煉和爐外精煉，使S、P、O、H、N等雜質元素達到較低水平，夾雜物球化并做到細小彌散，連鑄過程投入動態輕壓下，控制中心偏析，鑄坯厚度為170 mm。

軋制冷卻：在2150ASP機組，采用TMCP技術和超快冷+層流技術結合。由于連鑄坯厚度僅為170 mm，總壓縮比在8以下，必須實現全流程控制才能最終保證高強度和良好低溫韌性。粗軋保證單道次變形量大于20%，精軋保證大的累積變形量，軋后采用超快冷+層流方式，獲得細小均勻的針狀鐵素體組織。

2 組織和性能

2.1 卷板的微觀組織

在萊卡DMI5000M型光學金相顯微鏡下觀察21.4 mm厚L555M管線鋼，典型金相組織見圖1。其微觀組織為針狀鐵素體為主的混合組織，含有少量MA島，微觀組織均勻細小，晶粒度評級達12級，帶狀組織輕微，夾雜物完全球化，可保證L555M管線鋼同時具有高強度和良好的低溫斷裂韌性。

圖1 L555M典型金相組織Fig.1 Typical Metallographic Structures of L555M

在Tecnai G220型分析型透射電鏡下，采用復型法觀察L555M熱軋卷板碳氮化物第二相粒子，第二相粒子析出相和EDS分析見圖2。觀察表明，試樣中普遍分布有（Nb，Ti）（C，N）的第二相粒子，大部分尺寸在40～100 nm，彌散分布于基體中。這些微小的析出相具有阻止奧氏體晶粒長大和抑制奧氏體再結晶的作用，可有效細化晶粒，對提高管線鋼強度和韌性具有明顯作用。

圖2 第二相粒子析出相和EDS分析Fig.2 Precipitated Phase by Second Phase Particles and Analysis Results by EDS

在Tecnai G220型透射電鏡下，采用薄膜法對L555M熱軋卷板的微觀組織進行觀察，L555M管線鋼的TEM組織結構如圖3所示。通過觀察可以看出，L555M管線鋼組織類型為針狀鐵素體，具有明顯M/A組織，且基體組織上位錯密度較高。

圖3 L555M管線鋼的TEM組織結構Fig.3 TEM Microstructures of L555M Pipeline Steel

2.2 卷板的力學性能

在2150ASP生產線批量生產中俄東線工程用21.4 mm×1 550 mm×Cmm規格L555M管線鋼熱軋卷板，其主要力學性能統計見表4。統計表明，L555M卷板拉伸性能和硬度適中，低溫斷裂韌性良好，指標穩定，完全滿足標準要求。

表4 L555M管線鋼卷板的主要力學性能統計Table 4 Statistics on Main Mechanical Properties of Steel Coils for L555M Pipelines

2.3 卷板系列溫度斷裂韌性

對21.4 mm厚L555M卷板進行系列溫度夏比沖擊試驗，結果見圖4。

圖4 系列溫度夏比沖擊結果Fig.4 Results of Charpy Impact Tests at Different Temperatures

由圖4可知，卷板-60～0℃范圍內的沖擊功波動較小，且卷板-60℃沖擊功在330 J以上，低溫沖擊性能良好。對卷板進行系列溫度DWTT試驗，結果見圖5。

由圖5可知，卷板-25～0℃范圍內，DWTT的剪切面積值都在90%以上，-20℃開始有所降低，卷板整體低溫韌性良好。

圖5 系列溫度DWTT結果Fig.5 Results of DWTT Tests at Different Temperatures

2.4 鋼管環焊工藝適應性評價

2018年，中國石油天然氣管道科學研究院對鞍鋼股份/遼陽鋼管單爐試制和千噸試制的D1 422 mm×21.4 mm L555M螺旋縫鋼管進行鋼管環焊工藝適應性評價，評價結論如下：

（1）手工焊結論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品焊條電弧焊環焊接頭各項性能均滿足標準要求。

（2）半自動焊結論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品藥芯焊絲氣體保護焊環焊接頭各項性能均滿足標準要求。

（3）全自動焊結論：鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品實心焊絲自動焊環焊接頭各項性能均滿足標準要求。

3 應用情況

2018年，鞍鋼采用獨特的ASP生產工藝，采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚規格L555M管線鋼熱軋卷板。2019年，采用低碳高鈮C-Mn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設計、純凈鋼冶煉連鑄技術和TMCP技術，在鞍鋼2150ASP生產線批量生產出21.4 mm厚規格L555M管線鋼熱軋卷板，在鋼管廠制成1 422 mm管徑螺旋埋弧焊鋼管，卷板和鋼管通過第三方評價，產品完全滿足工程技術標準，應用于中俄東線管道工程。

4 結語

鞍鋼2150ASP生產大管徑厚規格L555M管線鋼的開發與應用取得突破性進展，制成螺旋埋弧焊管應用于國家重大管道工程，最大管徑為1 422 mm、最厚規格為21.4 mm，標志著中國高鋼級螺旋焊管用管線鋼的開發與應用跨入國際領先水平。

鞍鋼厚規格L555M管線鋼采用低碳高鈮CMn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設計，低冷裂紋敏感系數，適當添加Ni、Cu等元素。鞍鋼ASP生產工藝獨特，采用純凈鋼冶煉連鑄技術、TMCP技術，綜合利用固溶、細晶、位錯、析出和相變等強化機制，成功開發出厚規格、大口徑、高輸送壓力用21.4 mm厚X80M熱軋卷板，產品最終組織為細小均勻的針狀鐵素體組織，具有高強度、良好的低溫韌性和焊接性能，-60℃的沖擊功值大于330 J，-20℃的DWTT的剪切面積大于90%，產品應用于中俄東線管道工程。