黃電源，張業(yè)圣

（衡陽華菱鋼管有限公司技術(shù)中心，湖南 衡陽 421001）

隨著世界能源格局的變化，以及我國對(duì)石油、天然氣開采與應(yīng)用力度的加大，高鋼級(jí)管線鋼得以快速發(fā)展。雖然國內(nèi)X70鋼級(jí)鋼板及焊接管線鋼的生產(chǎn)已趨于成熟，但對(duì)于服役環(huán)境惡劣的地區(qū)，焊接鋼管并不能滿足實(shí)際需要；因此，高鋼級(jí)管線用無縫鋼管應(yīng)運(yùn)而生。目前，大直徑厚壁高鋼級(jí)管線用無縫鋼管在國內(nèi)一直是研發(fā)生產(chǎn)難點(diǎn)。

針對(duì)客戶的技術(shù)要求，衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）在生產(chǎn)X65鋼級(jí)及小直徑X70鋼級(jí)管線用無縫鋼管的基礎(chǔ)上，利用Φ720 mm周期軋管機(jī)組及在線熱處理設(shè)備，進(jìn)行了Φ406.4 mm×23.8 mm規(guī)格X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的研制，成功開發(fā)了具有高強(qiáng)度、高韌性以及良好耐蝕性的大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管。

1 化學(xué)成分

X70QS鋼級(jí)管線鋼屬于高鋼級(jí)抗酸性管線鋼，不僅具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性，而且具有良好的耐腐蝕性。因此，綜合考慮X70QS鋼級(jí)管線鋼的技術(shù)要求，并結(jié)合華菱衡鋼的生產(chǎn)實(shí)際，采取以低碳-錳-鈮系為基礎(chǔ)，再適量添加釩、鈦等微合金化元素的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)嚴(yán)格控制鋼中磷、硫、氮、氫、氧等雜質(zhì)元素含量。

低碳（≤0.1%）有助于改善鋼的沖擊韌性、塑性等。較低的碳含量可減輕鋼在凝固時(shí)的偏析程度，對(duì)改善組織均勻性、提高抗氫致開裂（HIC）能力具有積極作用［1］。

錳不僅具有固溶強(qiáng)化作用，還可以推遲鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變，有利于形成細(xì)晶粒組織。

鈮通過其溶質(zhì)拖曳作用和形成碳化物、氮化物，顯著延遲奧氏體再結(jié)晶，提高奧氏體再結(jié)晶溫度。

釩、鈦在熱加工過程中能影響奧氏體晶粒，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。同時(shí)，在軋制過程中，釩、鈦會(huì)在鐵素體基體上析出彌散分布的不可變形的碳氮化物質(zhì)點(diǎn)而使強(qiáng)度增加［2］。

鉬可擴(kuò)大γ相區(qū)，抑制多邊形鐵素體形成，促進(jìn)針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，提高鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性。

Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。從表1可看出：X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的碳含量（ ∧0.10%）低，適量的錳和鉬，鈮、鈦復(fù)合微合金化，雜質(zhì)元素硫、磷含量都比較低，純凈度較高，完全滿足API Spec 5L—2013《管線鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X70QS鋼級(jí)的技術(shù)條件要求［3］。

表1 Φ406.4 mm×23.8 mm X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 熱處理工藝

X70QS鋼級(jí)無縫鋼管屬于高鋼級(jí)抗腐蝕產(chǎn)品，在生產(chǎn)中應(yīng)采用淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，使產(chǎn)品性能達(dá)到API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)與客戶要求。依據(jù)X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的化學(xué)成分及熱處理工藝?yán)碚摴剑ˋc3=854-180C-14Mn+44Si-17.8Ni-1.7Cr）［4］，確定 X70QS 鋼級(jí)管線用無縫鋼管的Ac3溫度為835℃，從而設(shè)計(jì)出X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管在線水淬熱處理工藝方案。通過利用定徑變形后的余熱以及控制水淬過程的冷卻［5-6］，對(duì)鋼管進(jìn)行在線淬火，從而直接獲得理想、均勻的微觀組織。

在線淬火的具體實(shí)施工藝方案為：鋼管在Φ720 mm周期軋管機(jī)組熱軋生產(chǎn)后在冷床緩慢冷卻到520℃，隨后再進(jìn)入加熱爐進(jìn)行奧氏體化。如果加熱溫度過低，則材料內(nèi)還存在未溶解的碳化物，奧氏體組織不均勻，奧氏體中固溶的碳和合金元素含量偏低，淬火后的強(qiáng)度會(huì)偏低；如果加熱溫度過高，則奧氏體晶粒粗大［4］。因此，根據(jù)Ac3溫度以及試驗(yàn)鋼管出爐后的溫降情況，選擇其加熱溫度為920℃，保溫60 min。鋼管沿運(yùn)輸輥道出步進(jìn)爐后，用手提式測溫儀跟蹤測試鋼管溫度。在定徑變形時(shí)，鋼管的溫度為860℃，變形量為10%。定徑變形完成之后快速水淬，從而確保鋼管入水溫度不低于Ac3，冷卻速度大于40℃/s。其中，水淬方式采用內(nèi)噴外淋，內(nèi)噴水量為3 200 m3/h，外淋水量1 600 m3/h。X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的在線熱處理工藝流程如圖1所示。

圖1 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的在線熱處理工藝流程

為了進(jìn)一步分析在線淬火對(duì)X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的影響，試驗(yàn)同時(shí)也進(jìn)行了離線淬火熱處理工藝，鋼管從室溫加熱到920℃、保溫60 min，之后鋼管沿運(yùn)輸輥道出步進(jìn)爐到淬火槽，采用手提式測溫儀測定鋼管入水淬火溫度為860℃，水淬方式為內(nèi)噴外淋。X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的離線熱處理工藝流程如圖2所示。

隨后，對(duì)兩種淬火工藝生產(chǎn)的X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管在560℃進(jìn)行回火處理，在爐保溫90 min。按API Spec 5L—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，并切取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察不同熱處理工藝對(duì)應(yīng)的微觀組織。

圖2 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的離線熱處理工藝流程

3 組織與性能

3.1 微觀組織

圖3所示為X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管在線淬火后的微觀組織，表層和心部的淬火組織均為典型的針狀鐵素體組織，晶粒度為10級(jí)。X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管離線淬火后的微觀組織如圖4所示，表層組織為針狀鐵素體，但心部為珠光體和多邊形鐵素體組織。

圖3 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管在線淬火后的微觀組織

圖4 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管離線淬火后的微觀組織

在線淬火和離線淬火的表層冷卻速度完全大于臨界冷卻速度［7］；因此，X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管經(jīng)淬火后的表面均能形成針狀鐵素體組織。但對(duì)比圖3（a）和圖4（a），在線淬火方式產(chǎn)生的針狀鐵素體數(shù)量更多，并且尺寸更細(xì)小。其主要原因是：在線淬火過程中，奧氏體晶粒經(jīng)過定徑變形后，單位體積內(nèi)的有效晶界面積增加，貝氏體形核位置增多，從而提高針狀鐵素體形核的有效晶界面積［8］，提高針狀鐵素體的形核率，最終細(xì)化針狀鐵素體晶粒。

對(duì)于大直徑厚壁管線用無縫鋼管的熱處理，由于熱傳導(dǎo)的阻礙，鋼管從表層到心部的實(shí)際冷卻速率不相同，表層的冷卻速率快，心部的冷卻速率較慢。當(dāng)無應(yīng)變（定徑變形）時(shí)，冷卻速率是影響碳原子擴(kuò)散的主要因素［9］；因此，當(dāng)鋼管心部的冷卻速率低于臨界冷卻速率時(shí)，心部只能得到多邊形鐵素體+珠光體組織，如圖4（b）所示。

文獻(xiàn)［10］指出：在相同冷卻速率下，存在變形時(shí)的Bs比無應(yīng)變時(shí)高30～80℃；因此變形對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變起到了明顯的促進(jìn)作用，而針狀鐵素體從本質(zhì)上是屬于低碳鋼的一種貝氏體組織。同時(shí)，在線熱處理過程中的定徑變形所引起的形變能促進(jìn)奧氏體晶粒變形和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，使晶界處的原子混亂度增大，從而增大晶界能，促進(jìn)貝氏體的轉(zhuǎn)變［11］。因此，相比離線淬火，經(jīng)在線淬火后的X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管，其心部更容易形成針狀鐵素體，如圖 3（b）所示。

3.2 力學(xué)性能

對(duì)于大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管，離線熱處理所得到的表層和心部組織相差較大，其內(nèi)、中、外硬度值差異較大，導(dǎo)致鋼管性能不均，從而影響鋼管的力學(xué)性能。而X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管在線熱處理得到的屈服強(qiáng)度、硬度和低溫（-20℃）沖擊值明顯提高，并且均勻性較好，管體橫向沖擊試樣斷口剪切面積為100%，X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的力學(xué)性能如圖5所示，其硬度見表2。其主要原因是：在線熱處理后，X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的表層和心部均是針狀鐵素體組織，以及位于晶界的細(xì)小彌散貝氏體粒。針狀鐵素體組織相當(dāng)于短纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。短纖維具有使裂紋偏轉(zhuǎn)反射的作用，而位于晶界的貝氏體?？梢允棺冃沃械奈诲e(cuò)釘扎，從而使材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高［12］。同時(shí)，針狀鐵素體具有較高的韌性，裂紋在擴(kuò)展過程中不斷受到彼此咬合、互相交錯(cuò)分布的針狀鐵素體的阻礙，呈波浪起伏狀擴(kuò)展，所以裂紋擴(kuò)展速度降低。

圖5 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的力學(xué)性能（試驗(yàn)溫度-20℃，取橫向10 mm×10 mm試樣）

表2 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的硬度HV10

因此，利用在線熱處理生產(chǎn)工藝能極大地提高大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的強(qiáng)度和韌性，使產(chǎn)品獲得良好的綜合性能。

3.3 耐腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)

將在線熱處理工藝生產(chǎn)的大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管試樣送中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）以及 HIC 試驗(yàn)［13］。

3.3.1 SSC試驗(yàn)

SSC試驗(yàn)采用 NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕》標(biāo)準(zhǔn)A溶液，即5%NaCl+0.5%CH3COOH溶液，試驗(yàn)前pH值為2.6~2.8。將試樣置于密閉容器中，保持常溫（25±3）℃、常壓。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)容器內(nèi)連續(xù)通入H2S氣體，出氣口維持較低的通氣速率（每分鐘幾個(gè)氣泡），從而保持H2S的濃度及容器內(nèi)微小的正壓，阻止空氣通過小的縫隙泄漏進(jìn)入試驗(yàn)容器。經(jīng)過720 h試驗(yàn)后，再以100 mL/min的速率通氮?dú)馀懦鼿2S氣體，取出試驗(yàn)試樣。

圖6所示為X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的SSC四點(diǎn)彎曲試樣形貌。試樣在10倍放大鏡下觀察均未產(chǎn)生裂紋。

圖6 X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的SSC四點(diǎn)彎曲試樣形貌

X70QS鋼級(jí)在線熱處理得到的針狀體素體組織更為細(xì)小均勻，得到更多能承受氫壓的晶粒，使得X70QS鋼級(jí)管線鋼的臨界應(yīng)力顯著提高，從而大幅度提高其抗SSC性能。因此，通過在線熱處理技術(shù)，大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管能獲得優(yōu)良的抗SSC性能。

3.3.2 HIC試驗(yàn)

按NACE TM 0284—2003《管道、壓力容器抗氫致開裂鋼性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行HIC試驗(yàn)。96 h試驗(yàn)后，試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡等缺陷；在放大100倍的情況下觀察試樣剖面形貌，無HIC裂紋產(chǎn)生，裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）均為0。

HIC試驗(yàn)說明采用在線熱處理生產(chǎn)的X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管具有良好的抗HIC能力。

4 結(jié) 論

（1）采用新型的在線熱處理生產(chǎn)工藝，成功研制和批量生產(chǎn)出適用于酸性環(huán)境下長距離油氣輸送的大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管。利用軋制后的再加熱+定徑工藝的在線淬火熱處理方式，鋼管的表層和心部均能獲得針狀鐵素體組織，極大地改善了大直徑厚壁X70QS鋼級(jí)管線用無縫鋼管的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)良、均勻的綜合性能。

（2）與傳統(tǒng)的離線熱處理相比，在線熱處理工藝省去了再加熱奧氏體化過程，簡化了生產(chǎn)工藝，降低了能耗，提升了產(chǎn)品的市場競爭力。

［1］李吶，李晨光，湯智濤，等.抗H2S腐蝕管線管的開發(fā)［J］.鋼管，2005，34（5）：13-17.

［2］楊王玥，齊俊杰，孫祖慶，等.低碳鋼形變強(qiáng)化相變的特征［J］.金屬學(xué)報(bào)，2004，40（2）：135-140.

［3］ API Spec 5L—2013 管線鋼管［S］.2013.

［4］徐天兵，方劍，彭國良.X70鋼級(jí)熱軋無縫管線鋼熱處理工藝研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2006，27（1）：31-33.

［5］殷光虹.鋼管在線加速冷卻技術(shù)開發(fā)［J］.寶鋼技術(shù)，2006（3）：1-4.

［6］陶學(xué)智，趙永恒，劉東升，等.鋼管在線水淬熱處理工藝［J］.鋼管，2006，35（2）：21-24.

［7］周榮鋒，楊王玥，周榮，等.C-Mn鋼過冷奧氏體形變過程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線分析［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2004，25（6）：60-64.

［8］黃原定，楊王玥，胡安民，等.形變條件下過冷奧氏體組織轉(zhuǎn)變特征［J］.金屬熱處理學(xué)報(bào)，2000，21（4）：29-34.

［9］齊俊杰，楊王玥，孫祖慶.低碳鋼過冷奧氏體形變過程中的組織及取向變化［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38（6）：629-634.

［10］張紅梅，王宏斌，劉振宇，等.X70微合金管線鋼組織中針狀鐵素體細(xì)化機(jī)制的研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2006，27（6）：99-102.

［11］楊景紅，劉清友，孫冬柏，等.冷速及變形對(duì)X70級(jí)管線鋼相變及組織的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2008，29（5）：59-63.

［12］田景，楊王玥，孫祖慶.工藝參數(shù)對(duì)低碳鋼形變強(qiáng)化相變的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2005，26（5）：62-67.

［13］王亞男，王春懷，唐繼權(quán)，等.X65管線鋼抗H2S腐蝕的試驗(yàn)研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，25（5）：420-423.