章傳國，張豪臻，王波，謝仕強(qiáng)，韓建增

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

X80管線鋼為我國當(dāng)前管道輸送工程使用的最高等級(jí)管道用鋼，在西氣東輸二線/三線等重點(diǎn)管道工程均大規(guī)模應(yīng)用了Φ1 219 mm的X80管材，有力地支撐了我國300億m3年輸量長距離輸送管道的建設(shè)[1-5]。為進(jìn)一步提升大輸量管道服役安全，在中俄東線管道工程成功應(yīng)用Φ1 422 mm特大直徑厚壁X80管材基礎(chǔ)上[6-8]，提出了穿越段用Φ1 422 mm×38.5 mm特厚壁X80的需求。Φ1 422 mm直縫焊管需要采用寬4.5 m的特寬幅管線鋼板，寬度的增加顯著降低鋼板粗軋階段的單道次壓下率，從而給厚規(guī)格鋼板心部晶粒細(xì)化帶來困難，如何保證X80管線鋼寬厚板在低溫下仍具有高韌性是主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。已有研究[6-10]表明采用低溫加熱、合適的精軋壓下比可以改善厚規(guī)格管線鋼的低溫韌性，但關(guān)于冷卻制度對(duì)厚規(guī)格管線鋼性能影響的研究較少。

針對(duì)Φ1 422 mm焊管用38.5 mm特厚規(guī)格的X80管線鋼高強(qiáng)度、高韌性技術(shù)需求，在采用較高鈮成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開展軋制試驗(yàn)，研究了冷卻工藝對(duì)強(qiáng)度、韌性的影響規(guī)律；采用數(shù)值模擬仿真方法評(píng)估了UOE成型可制造性；以此為基礎(chǔ)完成Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格焊管試制。介紹了試制的X80焊管的關(guān)鍵性能結(jié)果。

1 冶金設(shè)計(jì)及鋼板試制

X80管線鋼主要采用低碳、鈮微合金化的成分設(shè)計(jì)，寶山鋼鐵股份有限公司常規(guī)30 mm及以下厚度規(guī)格的X80管線鋼的鈮含量通常為0.05%～0.06%。針對(duì)38.5 mm特厚規(guī)格管線鋼，成分設(shè)計(jì)上適當(dāng)增加鈮含量，以提升晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化效果；同時(shí)控制低的硫、磷含量，提高鋼質(zhì)純凈度；控制合適的碳當(dāng)量，獲得較好的焊接性。試制鋼經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、鋼包精煉爐+真空循環(huán)脫氣精煉爐（LF+RH）爐外精煉并連鑄成2 300 mm寬、360 mm特厚板坯，其主要化學(xué)成分見表1。試制板坯經(jīng)再加熱、再結(jié)晶區(qū)軋制及非再結(jié)晶區(qū)軋制，隨后采用三種不同冷卻工藝進(jìn)行冷卻（表2），制成寬4 500 mm、厚38.5 mm規(guī)格的X80寬幅特厚管線鋼板。

表1 X80鋼級(jí)38.5 mm特厚板坯主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 X80鋼級(jí)38.5 mm厚度試制板坯不同冷卻工藝

2 軋制鋼板組織性能

對(duì)試制的38.5 mm規(guī)格鋼板進(jìn)行橫向板狀拉伸、全尺寸夏比沖擊及橫向全厚度落錘撕裂（DWTT）性能檢驗(yàn)，并進(jìn)行組織分析。依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸、沖擊試驗(yàn)，依據(jù)SY/T 6476—2000《輸送鋼管落錘撕裂試驗(yàn)方法》進(jìn)行DWTT測(cè)試，采用Axio CamHR3光學(xué)顯微鏡和Hitachi S-4200場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行組織觀察及電子背散射衍射（EBSD）分析。

試制鋼板的典型力學(xué)性能結(jié)果見表3。隨著冷卻速率的降低、停冷溫度的上升，鋼的抗拉強(qiáng)度上升、屈強(qiáng)比下降、沖擊韌性呈下降趨勢(shì)，全厚度DWTT呈上升趨勢(shì)，而雙面減薄DWTT性能先升后降。試制鋼管的顯微組織如圖1～2所示，工藝1條件下1/4厚度位置生成以粗大的貝氏體為主的組織（圖1a），而厚度中心低冷速下生成相變產(chǎn)生大尺寸馬奧島（MA）和少量珠光體等脆性相；工藝2條件下，全厚度得到細(xì)化的均勻分布的貝氏體為主的顯微組織（圖1b、圖2b）；工藝3得到鐵素體及貝氏體組織，板厚1/2位置由于冷速低生成少量大尺寸的MA。進(jìn)一步采用電子背散射衍射方法分析了三種工藝下不同厚度部位的大角度晶界比例分布規(guī)律（圖3），可以看出，由工藝1到工藝3，厚度1/4和1/2位置的大角度晶界比例差異逐步減小，工藝2條件下大角度晶界比例最高。結(jié)合性能分析可知，均勻的顯微組織有利于獲得低的屈強(qiáng)比和高的全厚度DWTT性能，而心部高的大角度晶界比例有利于雙面減薄DWTT性能。

圖1 X80鋼級(jí)38.5 mm厚度試制鋼板厚度1/4位置處的顯微組織

圖2 X80鋼級(jí)38.5 mm厚度試制鋼板厚度1/2位置處的顯微組織

圖3 試制鋼板的晶粒位向差≥15°的大角度晶界比例

表3 X80鋼級(jí)38.5 mm厚度試制鋼板的力學(xué)性能

對(duì)厚規(guī)格鋼板冷卻而言，冷卻速率過大，全厚度方向冷卻越不均勻，相變組織會(huì)存在顯著差異[1]；若冷卻速率過低，則會(huì)導(dǎo)致生成粗大MA或珠光體組織。硬相組織和不均勻組織均對(duì)全厚度的DWTT性能不利。因此，對(duì)于厚規(guī)格管線鋼板需要采用適當(dāng)?shù)睦鋮s速率及終冷溫度，在得到細(xì)化的顯微組織同時(shí)提升全厚度的組織均勻性，可獲得良好的強(qiáng)度、韌性綜合性能。

3 UOE焊管試制及結(jié)果

Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格為迄今最大直徑、最大壁厚的X80級(jí)UOE焊管，對(duì)制管成型能力帶來挑戰(zhàn)，為此采用數(shù)值模擬仿真方法對(duì)成型能力進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上完成了鋼管試制。

UOE制管為一體成型方式，成型效率高，但設(shè)備成型負(fù)荷大。為評(píng)估UOE焊管生產(chǎn)線的成型能力，用MARC商業(yè)軟件建立了二維仿真模型。根據(jù)UOE生產(chǎn)線實(shí)際模具參數(shù)進(jìn)行建模，并設(shè)置兩種屈服強(qiáng)度鋼板性能參數(shù)、兩種目標(biāo)壓縮率作為輸入條件，模擬計(jì)算得到C、U、O等關(guān)鍵成型工序的單位載荷，具體見表4?？梢钥闯觯?qiáng)度560 MPa時(shí)各成型設(shè)備負(fù)荷均小于屈服強(qiáng)度600 MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果；屈服強(qiáng)度600 MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果均小于設(shè)備能力，但靠近設(shè)備能力上限。因此，UOE生產(chǎn)線具備Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格焊管的制管能力，采用低屈服強(qiáng)度的鋼板更有利于滿足制管成型要求。

表4 Φ1 422 mm×38.5 mm UOE焊管試制數(shù)值模擬仿真結(jié)果

采用試制的38.5 mm厚度管線鋼板，在UOE焊管生產(chǎn)線進(jìn)行了Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格X80焊管的試制。鋼板上線銑邊及C、U、O工藝成型后，經(jīng)過預(yù)焊并采用基于臨界熱輸入控制的四絲埋弧焊進(jìn)行內(nèi)、外焊接，隨后經(jīng)E擴(kuò)徑成型后，最終制成規(guī)格為Φ1 422 mm×38.5 mm特大直徑厚壁X80直縫埋弧焊管。試制焊管的拉伸性能及硬度見表5，取樣位置為管體180°，鋼管內(nèi)壁、中心、外壁的橫向圓棒拉伸強(qiáng)度均達(dá)到X80鋼級(jí)，不同部位強(qiáng)度差異在20 MPa以內(nèi)；硬度均低于285 HV10，各厚度位置性能相近?？梢钥闯龉荏w、焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性分別達(dá)到300 J、150 J及200 J以上，且外壁、中心、內(nèi)壁性能十分穩(wěn)定，具有高的低溫韌性。采用雙面減薄、全厚度兩種試樣形式進(jìn)行管體90°位置的DWTT性能檢驗(yàn)，-22℃時(shí)雙面減薄試樣的SA為96%，-5℃時(shí)全厚度試樣的SA為89%，在目標(biāo)試驗(yàn)溫度下，DWTT試樣斷口為異常斷口（圖4），依據(jù)SY/T 6476—2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，DWTT性能達(dá)到了API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定的85%技術(shù)要求，具有優(yōu)異的低溫抗動(dòng)態(tài)撕裂性能。因此，開發(fā)的Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格X80厚壁焊管具有優(yōu)異的綜合性能，可用于大輸量管道工程建設(shè)。

圖4 DWTT試樣斷口形貌

表5 Φ1 422 mm×38.5 mm X80焊管拉伸性能及硬度

4 結(jié)語

采用低碳、中鈮微合金化成分設(shè)計(jì)，結(jié)合適當(dāng)?shù)屠鋮s速率和低終冷溫度的冷卻制度，有利于38.5 mm厚規(guī)格X80管線鋼板獲得全厚度均勻的顯微組織、提高大角度晶界比例，有利于降低鋼板的屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比，提高抗動(dòng)態(tài)撕裂性能。

采用數(shù)值模擬仿真方法，分析兩種屈服強(qiáng)度的38.5 mm特厚規(guī)格X80鋼板C、U、O等關(guān)鍵成型階段的受力情況，屈服強(qiáng)度低的鋼板受力更小，現(xiàn)有的UOE生產(chǎn)線具備Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格焊管的成型能力。

試制的Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格UOE直縫埋弧焊管的強(qiáng)度、韌性及抗動(dòng)態(tài)撕裂性能均滿足API Spec 5L—2018規(guī)范對(duì)X80級(jí)別的要求，并具有全厚度的性能均勻性，可用于特大輸量管道工程建設(shè)。