#07X80管線鋼及鋼管在中國的研制與應用

1、X80管線鋼和鋼管在中國的研制與應用孔君華1, 鄭磊2, 黃國建3, 鄭琳1, 丁曉軍4, 王曉香5, 馮耀榮6 1武漢鋼鐵（集團）公司,湖北武漢，4300802 寶山鋼鐵集團公司, 上海, 2019003 鞍山鋼鐵集團公司, 遼寧鞍山, 114021 4寶雞石油鋼管有限公司,陜西寶雞, 7210085華北石油鋼管有限公司, 河北青縣, 0626506中國石油天然氣集團公司管材研究所, 陜西西安，710065摘要 近十年來中國天然氣需求量大幅度增長，輸送能力有了長足發(fā)展，天然氣輸送用管線鋼級從X60迅速提高到了X80。2005年中國首條X80鋼級管道應用工程在冀寧線上建成。武鋼、寶鋼、鞍鋼為工

2、程提供X80管線板卷和鋼板，寶雞、華北及巨龍鋼管公司為工程完成制管。本文介紹了X80鋼級的熱軋板卷、鋼板以及直徑為 F1016mmSSAW、LSAW焊接鋼管的研制、生產(chǎn)情況與綜合性能。評價結果顯示，研制開發(fā)的X80管線鋼具有高強度、高韌性、良好的焊接性、一定的抗HIC、SSC性能，能完全滿足API 5L及中石油X80應用工程的標準要求。2005年已現(xiàn)場順利焊接施工8km，此舉表明中國X80管線鋼和管線鋼管生產(chǎn)應用技術已走向成熟。關鍵詞：管線鋼；鋼管；X80；研制；應用；性能1前言從我國油氣生產(chǎn)和消費結構以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略來看，長距離、大口徑、高壓力、耐腐蝕是我國油氣管道發(fā)展的必然趨勢。1995

3、年X60管線鋼首次應用于陜京管線，2000年X70即在澀-寧-蘭管線上建成試驗段，中國管線鋼的鋼級在短短五年內已迅速從X60提高到X70。更高級別管線鋼的研制已成為中國油氣管線發(fā)展的迫切需要。提高管線鋼級，可節(jié)約建設成本。近年來，在世界范圍內管線工程均以X70管線鋼為主，X80也已批量用于管線建設中，而且X100和更高鋼級的管線鋼也在開發(fā)和試用推廣。管線鋼級的提高，要求同時提高鋼材韌性，此外，還要提高管材的抗HIC性能。因為油氣輸送管道會隨著鋼級增高、輸送壓力大，導致H2S的分壓值升高，從而使管線鋼抗HIC能力成為一個關鍵問題。 17.5和15.3mm厚X80卷板及18.4mm厚X80平板先后

4、在中國研制成功。2005年3月，制成的鋼管已在冀寧聯(lián)絡線上順利鋪設了一條8公里長的應用工程段。2 X80熱軋板卷及寬厚板在中國的研制與生產(chǎn)2.1 X80熱軋板卷及寬厚板的機械性能要求表 1 X80鋼的拉伸、硬度要求類型取樣方向拉伸試驗硬度試驗Rt0.5/MPaRm/MPaA/%Rt0.5/Rm卷板300 580-690625API 5L0.92275HV10平板橫向560-670625API 5L0.92注：鋼廠需同時保證制管后鋼管屈服強度不低于555 MPa。 表 2 X80鋼斷裂韌性要求類型取樣方向20夏比沖擊試驗15DWTTAkv/JSA/%SA/%單個平均單個平均單個平均卷板300 1

5、7022080907085平板橫向170220809070852.2 X80鋼的化學成分設計 為了獲得高強度、高韌性和良好的焊接性，X80鋼的化學成分設計以低碳-錳-鈮微合金化為基礎，再適量添加銅、鎳、鉬等合金元素。由于熱連軋過程中軋制速度高，過程溫度難以控制，因此X80卷板較平板需要添加更高含量的鈮元素，以獲得更高的奧氏體再結晶溫度。厚板另需添加0.20-0.40%鉬，以抑制先共析鐵素體和珠光體轉變，彌補板厚中心冷卻速度的不足。 X80鋼化學成分的設計如表3。低的Pcm值表明該鋼具有良好的焊接性能。 表3 X80鋼的化學成分 Wt %類型(C)(Si)(Mn)(P)(S)(Nb)(V)(Ti

6、)(Fe)Pcm*卷板0.050.281.850.0120.0010.07/0.012Balence0.19寬厚板0.040.271.700.0100.0010.050.040.02Balence0.17注: (1)鋼中另加入了合金元素Mo, Cu, Ni等。(2)*Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B2.3 X80熱軋卷板的生產(chǎn)工藝煉鋼：(1)采用潔凈鋼冶煉技術，控制夾雜物形態(tài)和有害殘余元素S、As的含量。利用轉爐頂?shù)讖秃洗禑挘蜖t外精煉等技術進行脫碳、脫硫、脫氣和成分微調，并通過喂Ca-Si線進行夾雜物變性處理，保證鋼質的高純凈度。保證

7、S 控制在0.002wt% ，P 0.015wt%, N 0.006wt%以下。 (2) 采用連鑄軟壓下技術，盡量提高鋼的成分和組織的均勻性。軋制：采用兩階段控制軋制。（1）鋼錠再熱時，嚴格控制加熱溫度，既保證合金元素充分固溶，又要防止奧氏體晶粒粗化；(2)粗軋階段，保證在奧氏體再結晶溫度以上進行多道次大變形量軋制，可以使奧氏體晶粒充分破碎。(3)精軋階段控制總的壓下率和終軋溫度，以獲得X80鋼良好的性能。（4）采用軋后強制加速冷卻方法，使變形奧氏體發(fā)生針狀鐵素體轉變，此時變形的晶界和滑移帶為針狀形成提供了大量形核位置，使針狀晶粒細化，強韌性提高。2.4 15.3mm 厚X80卷板的機械性能

8、表4，5和圖1為X80卷板的實際性能試驗結果。表4 不同方向X80卷板的拉伸試驗結果取樣方向Rt0.5/MPaRm/MPaA50/%Rt0.5/ Rm縱向58569538.00.8457070038.00.8130060070542.00.8561071041.00.86橫向65074037.00.8865074037.50.88如圖1所示, 當試驗溫度降至 100時，沖擊功急劇下降。圖1 系列試驗溫度下X80 卷板的沖擊功表5 系列溫度下X80卷板的DWTT試驗結果溫度/縱向,SA%300, SA%橫向, SA%單個平均單個平均單個平均2010010010010010010010010010

9、00100100100959796999798-15100100100929593.5988993.5-30989898989596.5596461.5-40979696.5837378503743.5FATT85-40-36-192.5 18.4mm 厚X80寬厚板的機械性能 表6 X80寬厚板的拉伸性能取樣方向Rt0.5/MPaRm/MPaA50/%R t0.5/ Rm橫向62468639.80.9161768538.80.90縱向60270039.00.8660467239.00.90表7 系列溫度下X80寬厚板的夏比沖擊功溫度/沖擊功,J橫向縱向203133030333320-2034

10、8315-40322313-60302317ETT50-60-60表8 系列溫度下X80寬厚板的DWTT試驗結果溫度/橫向, SA%縱向, SA%單個平均單個平均2010010010010010010001009196100100100-5959595100100100-15909090100100100-40606060908588-50641942547364-60101010555FATT85-19-402.6 X80鋼的顯微組織2.6.1 光學和電鏡觀察結果 如圖2.2(a), X80鋼的組織為針狀鐵素體加少量彌散分布的M-A島狀組織。因島狀組織細小、分布均勻，不會對韌性造成不良影響。

11、圖2.2(b)、(c)顯示了針狀鐵素體亞結構和位錯的典型特征，因此有效晶粒尺寸非常小。(a)20m0.2m(c)1m（b） (a)光學觀察結果; (b)針狀鐵素體TEM照片; (c) 針狀鐵素體的高密度位錯圖2 X80鋼的顯微組織2.6.2粗軋出口溫度RT2對X80鋼組織的影響圖3顯示了X80鋼經(jīng)不同RT2溫度后所得到的最終組織。圖3(a)組織為多邊形鐵素體、準多邊形鐵素體，且晶粒尺寸不均勻。圖3(b)則為均勻的針狀鐵素體組織，此種組織可以獲得更高的強韌性。(b)20m(a)20m圖3 X80 鋼的金相組織: (a) RT2=950; (b) RT2=980 2.6.3 終軋和卷取溫度對 X8

12、0卷板組織的影響圖4 對比了兩種工藝條件下X80鋼的組織3。(b)20m(a)20m (b): FT7： 800, CT：540圖4 X80板卷的光學觀察照片 (a): FT7：850, CT： 590;當降低熱軋板卷的終軋和卷取溫度時，可以得到更細小、均勻的針狀鐵素體組織，提高鋼的細晶強化效果。同時M島狀組織也因細小彌散而對韌性的惡化作用大大降低，基體的強韌性提高。3 X80鋼管在中國的研制與應用2000年首先在中國研制X80鋼級ERW焊管，2003年武鋼成功研制并生產(chǎn)出17.5mm厚X80板卷，制成1016mm SSAW焊管。對于冀寧聯(lián)絡線上的X80應用工程，所采用螺旋管的壁厚為15.3m

13、m，由寶雞和華油鋼管廠生產(chǎn)；直縫管的壁厚為18.4mm，由巨龍鋼管生產(chǎn)。3.1 X80鋼管的技術要求表9 X80鋼管的力學性能要求 取樣方向拉伸試驗DWTT at 5硬度試驗Rt0.5/MPaRm/MPaA/%Rt0.5/RmSA/%HV10單個平均橫 向555-690625210.928090275 表10 X80鋼管的夏比沖擊試驗要求 20夏比沖擊試驗管體橫向焊縫中心和HAZAkv/JSA/%Akv/JSA/%單個平均單個平均單個平均單個平均1502008090609030403.2 15.31016(mm) X80 SSAW焊管的研制制管前通過對入廠鋼卷進行各項質量檢查和檢驗表明，鋼卷符

14、合制管質量要求。3.2.1 X80級SSAW焊管的機械性能統(tǒng)計寶雞鋼管廠采用武鋼X80卷板生產(chǎn)的SSAW焊管的機械性能試驗結果如表11和圖57。表11 X80 SSAW 焊管的拉伸性能統(tǒng)計結果頻數(shù)類別取樣部位Rt0.5/MPaRm/MPaA50/%Rt0.5/ RmN=32最小管體橫向56569831.50.82焊 縫-736-最大管體橫向65576437.80.91焊 縫-790-平均管體橫向61973235.10.85焊 縫-766-圖57為夏比沖擊功統(tǒng)計結果 (試驗溫度: 200C)。圖5 管體橫向沖擊功統(tǒng)計結果圖6 焊縫中心沖擊功統(tǒng)計結果圖7 HAZ沖擊功統(tǒng)計結果系列溫度沖擊脆性轉變曲

15、線如圖8和9，DWTT脆性轉變曲線如10。管體橫向的FATT85(DWTT) 為 28，結果顯示X80級SSAW焊管具有良好的低溫韌性，能滿足X80鋼管對抗裂能力的要求。圖8 沖擊功-溫度曲線圖9 沖擊斷口纖維率-溫度曲線圖10 DWTT斷口纖維率-溫度曲線3.2.2 包辛格效應 對比X80 SSAW焊管與卷板相應部位的屈服強度，可知此時包辛格效應并不明顯。表12 X80 SSAW焊管與卷板的屈服強度對比 取樣部位卷 尾卷 中卷 頭Rt0.5, MPa鋼卷300 584 585 599585 595 591605 597 609管體橫向589 587 593585 601 597594 598

16、 590Rt0.5, MPa-12+9-10+16-19+13.2.3 冷彎和硬度試驗 冷彎試驗結果如表表13所示。 表13 冷彎試驗彎曲方向彎軸/mm彎角/結果正彎90180未裂反彎 90180未裂焊接接頭硬度試驗點分布如圖11，表14顯示硬度最大值不超過275HV10 。圖11 硬度試驗點分布圖注1：abHAZ與未加熱區(qū)界線 2：cdHAZ與焊接金屬界線表14 硬度試驗結果管號123456789101112131430055224322223521623322121923825123225325323224530055726021821923723321921825124923226225

17、42272603.2.4 靜水壓試驗依據(jù)標準要求，對生產(chǎn)的X80鋼管應逐根進行靜水壓試驗，試驗壓力為管材95%規(guī)定屈服強度最小值，即15.8MPa，穩(wěn)壓時間20s，壓力波動小于0.5MPa，檢驗結果全部合格。圖12為X80鋼管的靜水壓試驗曲線。 圖12 靜水壓試驗曲線3.2.5 靜水壓爆破試驗測試數(shù)據(jù)：試驗實測壓力值：Ps=20.23MPa, Pb=22.56MPa, Pk=20.95MPa 管體換算強度值：s=672MPa, b=749MPa, k=696MPa爆口形貌：試驗失效起爆點位于焊縫附近，斷口呈100%韌斷，為正常失效破壞。周長伸長率如表15。爆口形貌見圖13。 表15 爆破管的周

18、向延伸 (mm)測點1000200030004000500060007000800090001000011000原始周長31953195319531963196319631963196319631963196爆破后周長jBurst33733607370434253411339033623350333833313278周長伸長率率5.5712.9015.937.176.736.075.194.824.444.222.57 圖13 爆破管近景3.2.6 X80鋼管HIC和SSC試驗17.5mm厚1016 mmX80鋼管進行硫化氫應力腐蝕性能試驗，試驗標準為NACE TM 0177-96，試驗溶液為

19、B溶液。試驗結果如表1618。表16 HIC 試驗結果取樣位置試樣號CLR/%CTR/%CSR/%管 體110002100031000平均000焊 縫120002200032000平均000HIC試驗結果顯示X80管體和焊縫具有良好的抗HIC性。SSC試驗結果顯示：鋼管管體和焊縫的應力腐蝕門檻值Rth0.90Rt0.5，抗硫化氫應力腐蝕性能優(yōu)良。表17 X80鋼管焊縫H2S恒負荷拉伸試驗結果試樣號直徑/mm應力水平試驗時間/h斷 否14.880.60Rt0.5720否24.980.72Rt0.5720否34.980.80Rt0.5720否44.980.80Rt0.5720否54.950.90R

20、t0.5720否65.000.90Rt0.5720否表 18 X80鋼管管體H2S恒負荷拉伸試驗結果 試樣號直徑/mm應力水平試驗時間/h斷 否64.930.50Rt0.5720否74.950.60Rt0.5720否84.940.72Rt0.5720否94.980.72Rt0,5720否104.850.80Rt0,5720否114.950.80Rt0.5720否124.970.90Rt0.5720否134.870.90Rt0.5720否3.3 18.41016（mm）X80直縫埋弧焊管的研制 3.3.1 X80 直縫埋弧焊管的機械性能 5如表19、20所示。表19 X80 LSAW鋼管的機械性

21、能統(tǒng)計結果類別拉伸試驗硬度管體焊縫HV10Rt0.5/MpaRm/MpaRt0.5/ RmA/%Rm /Mpa最大6257000.8942725251最小5756750.8334690201平均5986910.8639707222標準要求55569062521625150平均200單個60平均90單個80平均90單個30平均40單個70平均85圖14 DWTT系列溫度試驗結果3.3.2 冷彎和硬度試驗 試驗結果表明符合X80技術標準要求。3.3.3 靜水壓爆破試驗 靜水壓爆破試驗實測壓力值高于管體強度換算值，試驗失效起爆點距離焊縫200mm。3.4 X80螺旋焊管和直縫焊管在中國的應用2005

22、年3月，F(xiàn)1016mm X80螺旋焊管和直縫焊管被首次成功鋪設于位于河北省景縣境內的X80應用工程，作為冀寧管線聯(lián)絡線的一部分。武鋼、寶鋼為工程提供板卷，鞍鋼提供寬厚板，寶雞、華油和巨龍鋼管廠分別完成螺旋和直縫管的制管工作。整個試驗段長8公里。圖15 為該工程開工的情況。 圖15 國內首條X80管線鋼應用工程的開工與建設4 結 論(1) 合適的成分設計與TMCP工藝可以獲得高強度，高韌性，良好的焊接性和一定抗HIC、SSC性能的X80鋼。(2) X80鋼卷300方向與對應鋼管管體橫向的FATT85(DWTT) 分別為36和28。該結果表明該鋼具有良好的斷裂韌性，能滿足大口徑、高壓輸氣管線對該級別鋼低溫韌性的要求。(3) F1016mmX80螺旋焊管和直縫焊管的各項性能完全符合中石油X80輸氣管線的標準要求。螺旋焊管的包辛格效應不明顯。 (4) 中國首條X80應用工程的建成表明，該級別管線鋼和鋼管已可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并逐步成熟。 致謝本課題為中國“十五”重大技術裝備國產(chǎn)化項目。作者感謝周桂峰博士、郭斌教授、劉昌明、劉小國等同志提供的一切幫助。作者也同時感謝中國石油天然氣集團公司對項目的大力支持。參考文獻1 Yutaka