寶鋼抗HIC管線鋼的研制與開發(fā)

1、寶鋼管線鋼的開發(fā)與應用1前言管線輸送具有高效、經(jīng)濟、安全、無污染等特點，是長距離運輸石油天然氣的有效工具。1948年以來，全球新建管線總長已超過16萬km,目前每年仍以2.2-3.2萬km的長度增加1。為提高輸送效率、降低能耗、減少投資和管線運營費用，長輸管線向高壓、大口徑發(fā)展已成趨勢。這樣采用高強度管線鋼將更經(jīng)濟，同時由于管線途經(jīng)的地理環(huán)境惡劣，對安全性要求高，需采用焊接方式制管和施工，因而對管線用鋼在強度、韌性、焊接性和抗腐蝕性等方面不斷提出更高的嚴格要求。隨著冶金技術的進步，工業(yè)性批量生產(chǎn)具有高強度、高韌性、良好焊接性及抗腐蝕性的微合金化管線鋼目前已成為現(xiàn)實3。這促進了管線工業(yè)的發(fā)展。寶

2、鋼經(jīng)過十多年管線鋼的開發(fā)和生產(chǎn)，已較好地掌握了高強度高韌性管線鋼板卷的微合金化成分設計、冶金工藝控制、生產(chǎn)質(zhì)量保證等關鍵技術。通過不斷的優(yōu)化、調(diào)整，已逐漸形成寶鋼X系列管線鋼的成分、工藝體系和生產(chǎn)質(zhì)量控制技術，實現(xiàn)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。產(chǎn)品滿足了國內(nèi)外市場需求，質(zhì)量穩(wěn)定，先后在我國西氣東輸工程、印度輸油管線、土耳其輸氣管線等一系列國內(nèi)外重大長輸管線工程中得到成功的應用。2寶鋼管線鋼開發(fā)的基本冶金特點(1)近代管線鋼發(fā)展的一個重要特點就是不斷降低碳含量，這可顯著地改善鋼的焊接性能，并有助于提高鋼的韌性和改善抗HIC性能。目前管線鋼的碳含量一般小于0.11%,對需更高韌性的管線鋼則采用碳小于0.06%

3、的超低碳貝氏體或針狀鐵素體鋼的碳含量設計。(2)晶粒細化是目前唯一能在提高材料強度同時提高韌性的重要強韌化機制。鑰作為現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要元素之一對晶鑿細化作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應變誘導析出阻礙形變奧氏體回復和再結(jié)晶，經(jīng)控制軋制和控制冷卻使精軋階段未再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉南嘧儺a(chǎn)物，可使鋼具有高強度和高韌性。(3)鈦是強的固氮元素，Ti/N化學計量比為3.42,利用0.02%左右鈦就可固定鋼中60X10-6以下的氮，在板坯連鑄時可形成細小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時奧氏體晶粒長大，有助于提高鋰在奧氏體中的固溶度

4、，同時對改善焊接熱影響區(qū)沖擊韌性有明顯作用。微鈦處理技術已廣泛地應用于管線鋼的生產(chǎn)。(4)隨著大口徑、高壓、厚壁管線的發(fā)展，對管線鋼提出更高的強度和韌性，管線鋼的組織特征也從以往的“鐵素體+珠光體”向“針狀鐵素體”或“鐵素體+貝氏體”組織轉(zhuǎn)變，這樣在成分設計上采用鋁的合金化。鑰是擴大丫相區(qū)、推遲丫-a相變時先析出鐵素體形成、促進針狀鐵素體形成的主要元素，對控制相變組織起重要作用，可通過組織相變強化進一步提高鋼的強度。(5)鈾具有較高的析出強化作用和較弱的晶粒細化作用，在花、鈾、鈦三種微合金元素復合使用時，銳可通過析出強化來提高鋼的強度。(6)現(xiàn)代冶煉技術的發(fā)展，特別是計算機技術的應用，可使鋼的

5、化學成分控制在很窄的范圍，且爐與爐之間的成分波動很小，同時盡可能地降低鋼中硫、磷等有害元素，并對夾雜物進行形態(tài)控制，這對保證管線鋼的性能穩(wěn)定、高韌性及良好的抗HIC性能奠定了基礎。(7)管線鋼板卷熱軋生產(chǎn)采用控軋控冷的熱機械處理技術，穩(wěn)定的軋制條件使管線鋼中微合金元素的作用得以充分發(fā)揮，并使批量生產(chǎn)的管線鋼具有穩(wěn)定的性能。通過合理的成分和工藝進行最終產(chǎn)品的組織控制，獲得管線鋼所需的性能。3寶鋼管線鋼的開發(fā)與應用3.1 高韌性管線鋼的開發(fā)與應用寶鋼在二期工程投產(chǎn)后，根據(jù)國際管線鋼的發(fā)展趨勢，結(jié)合當時中國石油天然氣“穩(wěn)定東部、開發(fā)西部”的戰(zhàn)略方針，進行高強度高韌性管線鋼的開發(fā)及試制。這一階段開發(fā)的

6、管線鋼都為厚度在10mmz下的熱軋板卷，主要解決管線鋼韌性不足的問題。研制的X60和X70管線鋼在保持原鋼種強度等級同時，具沖擊韌性大幅度提高，較原工藝生產(chǎn)的提高一倍以上(表1).開發(fā)研制的X52-X65高韌性管線鋼先后在我國塔里木沙漠油氣管線、陜西-北京輸氣管線、庫爾勒-鄱善輸油管線、澀北-蘭州輸氣管線、蘭州-成都-重慶成品油管線等我國重要長輸管線工程中得到成功的應用，解決了我國高等級管線用鋼長期依靠進口的問題。產(chǎn)品的綜合性能與當時進口的國際同類板卷相當(如表2)。并批量出口海外市場。表1寶鋼研制的高韌性管線鋼板卷力學性能。鋼級工藝(70.5/MPa(Tb/MPa650/%A/JX60445

7、-600540-68026-4136-73原工藝范圍平均值5406183551X60新工藝范圍470-580545-66031-40135-182平均值53160437162X70520-645595-70029-4147-81原工藝范圍平均值5606393462X70新工藝范圍530-605510-68032-37104-142平均值56563435122注：板卷厚度6.0-7.0mm；沖擊試驗溫度X60為-10C,X70為-30C。表2寶鋼X60板卷和進口板卷的性能比較。廠家統(tǒng)計值e/MPa(Tb/MPa650/%A(-30C)/JHV1C寶鋼平均值51659342163189最大值555

8、62551280208最小值47055035L_99166進口平均值51459437114198最大值55262941202208最小值47256323661813.2 X65高強度厚規(guī)格管線鋼的開發(fā)與應用。近年來管線鋼管向厚壁、大口徑方向發(fā)展，為滿足海外市場和我國未來管線工業(yè)發(fā)展需求，寶鋼從1997年起開始進行X65厚規(guī)格高強度管線鋼開發(fā)。通過16.5mm厚X65管線金剛板卷的試制，探索了寶鋼生產(chǎn)高鋼級厚規(guī)格X65管線鋼的生產(chǎn)可行性，積累了實際工藝數(shù)據(jù)。試制的X65管線鋼板卷和用其試制的？1422mM16.5mm焊管強度均滿足API5L規(guī)范中對X65鋼級的要求。通過成分和工藝的調(diào)整形成X65

9、高強度高韌性厚規(guī)格管線鋼板卷的生產(chǎn)控制技術，并應用于批量生產(chǎn)14.3mmM出口土耳其的X65管線鋼板卷。批量生產(chǎn)X65管線鋼板卷厚度從原來的10mmz下發(fā)展到14.5mm試生產(chǎn)厚度達16.5mm1997年以來寶鋼已累積生產(chǎn)了52萬tX65高強度高韌性管線鋼板卷，并先后應用于印度輸油管線、蘇丹輸油管線和土耳其輸氣管線等海外管線工程。表3是國外某一制管廠用寶鋼管線鋼板卷生產(chǎn)？1219.2mm<14.3mm厚規(guī)格大口徑X65高鋼級管線鋼焊管的管體性能統(tǒng)計結(jié)果，焊管具有高強度和高韌性，滿足用戶的技術條件要求。近年來寶鋼管線鋼的鋼級不斷地向高鋼級、厚規(guī)格發(fā)展。在X系列管線鋼的年產(chǎn)量中，X65高強度

10、高韌性管線鋼所占的比傷J逐年增加，1999年達83.4%。厚規(guī)格高強度X65管線鋼的開發(fā)和批量生產(chǎn)為寶鋼后來進行西氣東輸工程用管線鋼的開發(fā)和生產(chǎn)積累了經(jīng)驗。表3用寶鋼板卷生產(chǎn)？1219.2X14.3mm規(guī)格X65管線鋼管體性能(T0.5/MPa(Tb/MPa650/%A(0C)/J平均值51763339.2175最大值54265844.0276最小值48760937.0128力差114131.230技術條件>448>530>23.5>703.3 抗HIC管線鋼的開發(fā)與應用近年來天然氣的使用量增加，輸氣管線的發(fā)展速度已超過輸送石油等液體管線的速度10由于部分氣田的天然氣中

11、含有比例較高的H2s成分及水分，特別在輸送壓力較高時由于H2s的離解形成氫原子向鋼中滲透，氫原子在鋼中的夾雜物或組織不均勻處聚積，當氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞肿訒r因體積增大而產(chǎn)生氫誘裂紋，即HIC(HydrogenInducedCrack)。因而對輸送這類氣體的管線鋼通常要求具有抗HIC性能。具有抗HIC性能的管線鋼是管線鋼中性能要求等級最高的鋼種，產(chǎn)品要求具有超低的硫含量、夾雜物的形態(tài)控制、均勻的組織、低的硬度。對這類鋼種的成分工藝設計、冶煉和軋制的控制水平均提出高的要求。目前國際上實際使用的具有抗HIC性能管線鋼的最高鋼級已達X65為滿足管線工程的需求，促進企業(yè)的技術進步，近年來寶鋼對抗HIC管線鋼

12、進行了開發(fā)研究和工業(yè)性試制，研制的X52、X60和X65抗HIC管線鋼在具有高強度、高韌性的同時具有良好的抗HIC性能(表4)o為我國將建設的忠縣-武漢天然氣出川管線用鋼做好前期技術準備。進一步增加了產(chǎn)品的市場競爭能力。同時X65抗HIC管線鋼采用針狀鐵素體組織的研究結(jié)果對西氣東輸工程用針狀鐵素體型X70厚規(guī)格管線鋼的研制提供了基礎。表4研制的抗HIC管線鋼制管后的管體性能鋼級規(guī)格/mm(T0.5/MPa(Tb/MPa650/%A(-30C)/JNACETM0284-96母材HAZ【焊縫SolutionAX527508X11.942554644375239198無裂紋X607711X8.047

13、659841208180178無裂紋X657508X8.747959939388196192無裂紋3.4 X70針狀鐵素體型管線鋼的開發(fā)與應用西氣東輸管線工程貫穿我國東西，全長4000km,采用？1016mmH徑焊管，工作壓力10MPa選用具有高止裂性的針X鐵素體組織特征的X70管線鋼。針對西氣東輸用鋼的具體要求，寶鋼采用了超低碳含量、超低硫、NbV、Ti微合金化和控制組織的Mo合金化的成分，通過超低碳、超低硫、夾雜物形態(tài)控制的純凈鋼冶煉技術和控軋控冷熱機械處理技術的熱軋工藝，開發(fā)出具有高強度、高韌性和高止裂性的針狀鐵素體組織特征的X70管線鋼。表5和表6分別為研制的14.6mnff規(guī)格針狀鐵

14、素體型X70管線鋼和鐵素體+珠光體型X70管線鋼的成分和基本性能比較。以超低碳、含Mo設計的X70管線鋼具有典型的針狀鐵素體組織（圖1）,而碳含量相對較高的X70管線鋼則主要為等軸鐵素體和部分珠光體組織（圖2）。兩種成分管線鋼板卷的抗拉強度相近，均滿足制造X70大口徑螺旋焊管的強度要求，而針狀鐵素體鋼具有更低的碳含量、低的碳當量Ceq和低的冷裂紋指數(shù)Pcm,可使管線鋼具有良好的焊接性能。針狀鐵素體X70的Charpy沖擊功顯著高于鐵素體+貧珠光體的試驗鋼，在橫向DWT性能方面，針狀鐵素體X70管線鋼85%FATT明顯低于鐵素體+珠光體的鋼，表現(xiàn)出良好的抗低溫動態(tài)撕裂能力。這均對保證大口徑輸氣管

15、的止裂性能具有重要作用。表5兩種不同組織特征X70試驗鋼的化學成分CMnPS其他元素GqRm針狀鐵素體0.0371.580.0110.0007Nb,V,Ti,Cu,Ni0.370.15佚系體+珠光體0.0711.600.0160.0039Nb,V,Ti,Cu,Ni,Mo0.380.18注：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15:Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B表6兩種不同組織特征的X70試驗鋼的性能(WMPa(Tb/MPa650/%A(-20C)/J針狀鐵素體55262842320鐵素體+珠光體545

16、64042161圖4（a）為透射電鏡分析的針狀鐵素體X70管線鋼的精細結(jié)構(gòu)，其中含大量細小的析出相和高密度位錯，且位錯與析出相交互作用（圖4（b）。正是這種低碳高密度位錯組織使寶鋼開發(fā)的針狀鐵素體X70管線鋼板卷具有高強度和高韌性。經(jīng)3000t擴大批量的試生產(chǎn)穩(wěn)定了成分和工藝。2001年8月-2002年5月寶鋼已為西氣東輸管線工程提供了15萬t14.6mm厚的針狀鐵素體X70管線鋼板卷，用其制造的？1016X14.6mm焊管已應用于西氣東輸管線工程。4結(jié)論寶鋼通過對高強度高韌性管線鋼、具有抗HIC性能管線鋼和大口徑輸氣管線用厚規(guī)格的針狀鐵素體X70管線鋼的開發(fā)和生產(chǎn)，已較好地掌握了現(xiàn)代管線鋼的微合金化成分設計、冶金工藝控制、生產(chǎn)質(zhì)量保證關鍵技術。通過不斷的優(yōu)化、調(diào)整，已逐漸形成寶鋼X系列管線鋼板卷的成分、工藝體系和生產(chǎn)質(zhì)量控制技術。產(chǎn)品實現(xiàn)更新?lián)Q代，質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了國內(nèi)外市場需求，先后在我國西氣東輸工程、印度輸油管線、土耳其輸氣管線等一系列國內(nèi)外重大長輸管線工程中得到成功的應用。具有高止裂韌性的針狀鐵素體型X70管線鋼，其成分為（質(zhì)量百分比）：C0.0200.060、Mn1.451.75、Si0.1000.500、S<0.0020、P0.0040.012、Nb0.0500.080、Ti0.0050.025、V0.0100.060、M