X80M钢级φ1 219 mm×33 mm管线钢管的开发

张志明，韩秀林，姜金星，武占芳，刘宏博，刘鉴卫，赵 彪

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津 300457；2.南京钢铁股份有限公司，南京210001）

X80M钢级φ1 219 mm×33 mm管线钢管的开发

张志明1，韩秀林1，姜金星2，武占芳1，刘宏博1，刘鉴卫1，赵 彪1

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津 300457；2.南京钢铁股份有限公司，南京210001）

通过对X80M钢级φ1 219 mm×33 mm大壁厚管线钢管千吨级的试制，总结了大壁厚管线钢管开发的技术特点。采用超低C，控Mn，Nb和Ti微合金化成分设计和轻压下、热机械控制工艺（TMCP）超快冷等工艺控制措施，国内首次批量开发出了X80M钢级33 mm大壁厚管线钢。其母材微观组织为细小针状铁素体加弥散粒状贝氏体。通过制管后检测，母材及焊缝的拉伸性能、冲击韧性和止裂性能等完全满足陕京四线工程的要求。

焊管；X80M钢；大壁厚；热机械控制工艺（TMCP）；微观组织

根据西气东输三线中段及陕京四线工程的设计要求，渤海装备巨龙钢管公司和南京钢铁股份有限公司联合完成X80M钢级φ1 219 mm×33 mm管线钢管的开发及千吨级试制。该管线技术标准要求高，特别是陕京四线工程，经过位于温带干旱、半干旱、干燥草原地带的西部地区。亦穿过温带半干旱大陆性季风气候的东部地区。线路所经地区的极端最低气温-39.3℃，对油气输送管线钢管的可靠性、强度、韧性均提出了更高要求。X80M钢级φ1219mm×33mm管线钢管的成功开发，将为西三线中段、陕京四线工程以及将来的中俄管线工程建设提供技术支持[1]。

1 材 料

1.1 成分设计

根据φ1 219 mm×33 mm大壁厚管线钢管的力学性能特点，采用低C，控Mn，Nb和Ti微合金化的成分设计，并加入Ni，Cr和Cu等合金元素。微合金化的重要目的是提高再结晶终止温度，细化晶粒，强化组织，同时微合金元素的碳氮化物在高密度位错及亚结构上析出，会产生明显的析出强化效应[2]。为获得良好的焊接性能和低温韧性，w（C）严格控制在0.06%以下[3]，加人适当的Mn以达到所要求的强度，加入适量的Ni，Cu和Cr等合金元素降低合金化成本。在炼钢过程中，采用钙处理和洁净钢冶炼技术，严格控制钢中的S，P，N和O等夹杂物，连铸全过程保护浇铸，防止发生钢水增氮及二次氧化现象。φ1 219 mm×33 mm大壁厚管线钢管的化学成分设计见表1。

表1 φ1 219 mm×33 mm管线钢管的化学成分 %

1.2 钢板工艺控制

工艺技术路线为：铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH→连铸。铁水预处理采用Mg粉+CaO作为脱硫剂，铁水预处理后除清脱硫渣，预处理温度≥1 250℃，有效控制硫化夹杂物含量。优化转炉出钢吹氩工艺，防止液面裸露吸气和二次氧化，有效控制内生夹杂物的含量。LF炉精炼，RH高真空度≤0.3 kPa，保持时间≥20 min。该设计大大减少了氧化带来的夹杂物。真空结束后对钢水进行夹杂物变性钙处理，将串簇状的Al2O3夹杂转变为球形铝钙酸盐，特别是低熔点易上浮的12CaO·Al2O3，即包围MnS+CaS的复合夹杂物，它的熔点较高，轧制时不延伸，消除了MnS的不利影响，提高了钢材质量。

保护浇铸，防止发生钢水增氮及二次氧化现象，减少了钢坯内部内生夹杂。使用自动加渣设备添加管线钢专用保护渣，添加均匀，结晶器液面不“露红”，结晶器液面稳定。大包长水口的浸入深度控制在110～160 mm，做好保护浇注及中间包密封工作，采用反铸坯鼓肚波动及反表面波模块的结晶器液面控制技术，使稳定生产时刻的结晶器液面波动控制在±2 mm以内，防止卷渣，减少了外来夹杂物的含量。

优化的TMCP工艺技术方案出钢温度控制在1 100～1 200℃，加热时间≥200 min，粗轧开轧温度控制在1 000～1 080℃；精轧开轧温度控制在800～880℃；终轧温度控制在750～820℃，保证粗轧最后道次压下率≥15%，入水温度控制在700～780℃，终冷温度≤450℃，冷却速度为15～25℃/s。通过对上述工艺严格控制，获得均匀细化的针状铁素体组织，其中包括贝氏体、准多边形铁素体、多边形铁素体、M/A岛和退化珠光体等[4-8]。

1.3 钢管工艺控制

1.3.1 厚壁钢管焊接缺陷产生机理及控制

初期生产时焊接缺陷发生率较高，焊接一次合格率不到80%，远低于普通管线钢管焊接质量（≥93%）。经统计分析，大壁厚钢管夹渣缺陷占缺陷总量的80%以上，夹渣缺陷在焊缝中所处位置如图1所示。

图1 夹渣缺陷在焊缝中的位置

通过对比焊缝宏观形貌，夹渣大多出现在熔深较大或根部较宽的焊缝根部，较大的熔深以及较宽的焊缝根部增加了焊接时液态金属在熔池中的流动阻力，加之焊缝根部的熔合线处温度过低，熔渣上浮困难，最终形成了夹渣缺陷[9-10]。

1.3.2 焊接参数优化

解决厚壁钢管夹渣的关键是解决内焊根部冷却过快以及整个熔池冷却较快的问题。为了确保焊接热影响区的力学性能，不能只靠提高焊接热输入来提高熔池液态停留时间。还要从以下两方面入手：①一丝采用较大的焊接电流；②采用较小的焊丝间距以及合理的坡口设计等。通过以上方面的改进，较好地解决了上述问题。焊接坡口优化设计见表2。

表2 X80钢级φ1 219 mm×33 mm钢管焊接坡口设计

2 钢板/钢管性能分析

2.1 拉伸性能

综合考虑陕京四线和西气东输三线的钢管技术要求，结合钢管厂的生产经验以及制管过程中的包辛格效应、加工硬化等方面的影响，X80M钢板/钢管的力学性能按表3内协议要求进行控制，最终为获得具有强度高、低温夏比冲击韧性好、特别是止裂韧性均值达85%的管线钢管产品打下基础。

表3 X80M大壁厚管线焊接钢板/钢管力学性能要求

取钢板横向拉伸试样8组，拉伸试验结果如图2所示。从图2（a）可以看出，钢板的横向拉伸性能满足钢板协议的指标要求，屈服强度分布在540～590MPa， 屈强比≤0.88。 图2（b）为管体横向拉伸试验结果，管体各项拉伸性能均满足标准要求，屈服强度分布在575～665 MPa，屈强比满足标准（≤0.93）要求。焊缝的横向拉伸强度符合标准要求（≥625 MPa）且高于管体，满足技术要求。

图2 X80M管线钢板和钢管的拉伸试验结果

2.2 冲击韧性

图3 钢管夏比冲击试验结果

图3为近50组样本平均化后的冲击试验结果，单值和均值都较高，完全满足陕京四线-10℃时单个数值≥160 J，平均值≥210 J的苛刻要求。母材剪切面积均达到了100%，管体表现出了优良的低温韧性。焊缝和热影响区在-10℃的冲击韧性结果也都满足陕京四线-10℃时焊缝和热影响区单个数值≥65 J，平均值≥90 J的严格要求。

2.3 DWT性能

对于壁厚大于25.4 mm以上钢管止裂韧性的检验，一般根据工程应用状况，由供需双方协商确定，本次对钢管做横向系列温度落锤试验，试验结果如图4所示。从图4可以看出，试验温度为-10℃以上基本满足均值85%的要求，-40℃钢管的剪切面积在75%以上，止裂性能较好。

图4 钢管系列温度DWT试验结果

2.4 母材/焊缝组织分析

焊缝、钢管母材的显微组织和扫描电镜照片如图5所示。从图5可以看出，所试制钢板的组织以针状铁素体为主，在钢板表面由于入水温度较低出现了一些多边形铁素体组织。组织整体上均匀细化，扫描电镜结果显示，组织中的M/A岛颗粒尺寸细化，形状规则，分布弥散。

图5 焊缝、钢管母材的显微组织和扫描电镜照片

2.5 硬度

对焊缝从壁厚中心、热影响区到母材的硬度进行检测，检测结果如图6所示。从图6可以看出，试制钢管焊缝的维氏硬度主要分布在240～250HV10，热影响区主要分布在205～225HV10，距离热影响区2mm的基体硬度略有10HV10的上升，基材硬度值约225HV10，满足标准对管线钢的硬度要求。

图6 试制钢管的硬度检测结果

3 结 论

（1）采用低C低S设计，“铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸”工艺，夹杂物尺寸、数量、形态控制较好，达到了高纯净度钢冶炼水平。

（2）连铸过程经过动态轻压下技术配合安置在扇形段前区的辊式电磁搅拌器，有效控制铸坯内部及表面质量，改善铸坯中心偏析及中心疏松，抑制铸坯中间裂纹发生，X80M管线钢铸坯中心偏析不大于C1.0级，中心疏松不大于0.5级，没有发现中间裂纹、角裂、三角区裂纹、针状及蜂窝状气孔。

（3）采用低C，控Mn，Nb和Ti微合金化的成分设计以及TMCP工艺控制，开发的φ1219mm×33 mm规格X80M管线钢管为贝氏体+块状铁素体+少量先共析铁素体多相组织，钢板性能达到高强度、高韧性和优良低温止裂能。

（4） 优化 φ1 219 mm×33 mm规格 X80M 管线钢制管及焊接工艺，采用多丝低线能量焊接和低扩径率控制，使钢管的缺陷控制和各项力学性能完全符合西气东输三线和陕京四线X80直缝埋弧焊管技术条件的各项要求。

［1］王晓香.2012年以来我国焊管行业的发展形势及几点建议[J].焊管， 2014， 37（4）： 5－13.

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［10］高惠临.管线钢与管线钢管[M].北京：中国石化出版社.2012.

Development of X80M Steel Grade φ1 219 mm×33 mmPipeline Steel Pipe

ZHANG Zhiming1， HAN Xiuling1， JIANG Jinxin2， WU Zhanfang1， LIU Hongbo1， LIU Jianwei1， ZHAO Biao1
（1.CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Tianjin 300457， China；2.Nanjing Iron&Steel Co.,Ltd.,Nanjing 210001，China)

Through kiloton trial production for X80M φ1 219 mm×33 mm pipeline steel pipe,it summarized the technical characteristics of line pipe with heavy wall thickness.By the use of ultra-low C,control Mn,Nb,Ti micro-alloying composition design and soft reduction,TMCP ultrafast cold and other control measures,the X80 pipeline steel with 33 mm thickness was developed firstly in China domestic.The microstructure of base metal consists of small timber acicular ferrite and diffuse granular bainite.Through the detection,the tensile properties,impact toughness of base metal and?weld,crack arrest performance fully meet the rigorous requirements of NO.4 Shaanxi Beijing pipeline project.

welded pipe;X80M steel； heavy wall thickness； thermo mechanical control process(TMCP)； microstructure

TE973

B

1001－3938（2015）09-0032-05

张志明（1980—），男，工程师，主要从事管线钢管焊接和质量管理工作。

2014-12-26

李红丽