X80管线钢的成份及工艺设计要点

X80管线钢的成份及工艺设计要点以及关键参数的选择依据X80是高强度管线钢的美国分类型号。其最小屈服值（MPa）为555；这一概念属于材料力学范畴的概念，屈服值是指材料拉伸时在屈服阶段的应力值，屈服应力是指屈服阶段到劲缩阶段的临界值。其化学性能兼下边的链接。简介师磊-1529**0765**221近十年来中国天然气需求量大幅度增长，输送能力有了长足发展，天然气输送用管线钢级从X60迅速提高到了X80。2005年中国首条X80钢级管道应用工程在冀宁线上建成。武钢、宝钢、鞍钢为工程提供X80管线板卷和钢板，宝鸡、华北及巨龙钢管公司为工程完成制管。早期的管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能，对化学成分没有严格的规定。自60年代开始，随着输油、气管道输送压力和管径的增大，开始采用低合金高强钢（HSLA）,主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分：CW0.2%,合金元素W3〜5%。随着管线钢的进一步发展，到60年代末70年代初，美国石油组织在API5LX和API5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65m种钢。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.1-0.14%,在钢中加入《0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年，API标准又相继增加了X70和X80钢，而后又开发了X100管线钢，碳含量降到0.01-0.04%,碳当量相应地降到0.35以下，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。“六五”期间，我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线敷设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。成分化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSCrNiTiNbVMo0.0630.281.830.0110.00060.030.030.0160.0610.0590.22应用领域石油天然气管道一、 开发背景早期管线用钢基本组织形态为铁素体和少量珠光体，其显著特征为微合金化和降低含碳量。通过控制轧制、降碳，充分利用微合金元素在高温变形过程中抑制奥氏体再结晶效果细化晶粒，从而获得良好的强韧性和焊接性，其典型成分代表为C-Mn-Nb-Mo系。随着形变热控制技术(ThermoMechanicalControlProcess,简称TMCP)工艺研究的发展，又开发出针状铁素体管线钢。其特点是在控制轧制的基础上，通过轧后加速冷却，在稍高于上贝氏体温度范围获得了具有高密度位错的、非等轴状铁素体组织，其含碳量更低。针状铁素体管线用钢充分利用了TMCP工艺最新的研究成果-晶粒细化、相变强化和微合金化碳氮化物析出强化、位错亚结构强化，从而提高强化效果，且低温韧性亦能保持在较高的值。为开发、利用恶劣气候环境地方的能源，通过进一步的控制轧制和控制冷却工艺制度研究，合理添加一定量的微合金元素，改变连续冷却相变曲线，开发出以低碳、超低碳贝氏体组织为特征的管线用钢，屈服强度高达到700〜800Mpa,低温韧性、焊接性、耐蚀性等性能更优异。贝氏体温度范围形成的非等轴贝氏体组织(针状铁素体)中具有高密度位错，针状铁素体钢综合利用了晶粒细化强化、微合金化元素的析出强化以及位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650Mpa,-60℃的冲击韧性可达80J。对针状铁素体的进一步研究主要体现在超低碳贝氏体钢的开发与研究上。超低碳贝氏体钢通过对C、Mn、Nb、Mo、B、Ti等成分的最佳配合，实现在较宽的冷却速度范围获得完全的贝氏体组织。在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，超低碳贝氏体钢的屈服强度可达到700〜800MPa。传统的铁素体-珠光体型管线钢，又称少珠光体型钢，是二十世纪七十年代初发展完善的第一代管线钢。由于该类钢在保证高韧性和良好的焊接性能条件下，强度极限水平为500〜550MPa,因此主要用于X70及以下级别的管线钢。针状铁素体型管线钢则是二十世纪八十年代后期发展完善的第二代管线钢。传统轧制技术生产的X70管线钢的组织是在多边形铁素体的基体上分布着少量贝氏体或岛状马氏体，对X70级管线钢通过合理的成分设计并结合控轧控冷工艺，可使其获得针状铁素体组织，从而能够使其具有高强度、高韧性、良好的焊接性等优良性能。X80管线钢的典型组织为针状铁素体或低碳贝氏体，而X100、X120管线钢的组织通常为贝氏体+马氏体双相组织。针状铁素体是X80钢的典型组织。这种钢具有比铁素体-珠光体型钢更好的焊接性能（PcmS0.20%）,抗氢致裂（HI。性能和相当高的冲击韧性（夏比冲击功250-450J左右），是现代高压输气管线专用钢种。铁素体-珠光体型管线钢的延性断裂止裂是通过在管道上间隔一定距离放置止裂环来实现的，而用高韧性的针状铁素体型管线钢建造的管道可以充分满足对延性断裂的止裂要求。随着管线钢强度级别的提高，钢的强化由通常的细晶强化、固溶强化发展为包括沉淀强化、位错强化和第二相析出强化在内的多种强化方式。二、合金元素在管线钢中的作用•碳在管线钢中，对于碳元素，需要一分为二来看。一方面，众所周知，降低碳含量，有利于提升其焊接性、低温韧性、减少偏析和增加抗腐蚀性。另一方面，碳元素在控制轧制过程中与微合金元素结合形成细小的微合金碳化物、碳氮化物，有利于钢材产生细晶强化、析出强化等，提升其强韧性。因此，X80、X100和X120级管线钢碳含量应在0.06%以下为宜。•锰锰是管线用高强度低合金贝氏体钢中的基本合金元素。Mn有固溶强化作用，还可以降低Y-a相变温度，进而细化铁素体晶粒。研究表明添加1.0%〜1.5%Mn，y-a相变温度降低50℃，可细化铁素体晶粒并可保持多边形铁素体生成；当添加1.5%〜2.0%Mn时，可获得针状铁素体组织。Mn还可以提高韧性、降低韧脆转变温度，所以早期的管线钢以C-Mn为主。通常提高Mn/C比对屈服强度和冲击韧性有益。但与碳、磷元素类似，锰在钢中也易形成偏析带，从而造成钢的组织和硬度不均匀，对抗硫化氢性能不利。根据产品冷却速度、规格和所要求的性能水平，锰添加量在1.1%〜1.2%的范围，但对于抗硫化氢用管线钢，锰含量应进行限制。•铌钒钛等铌是生产X65〜X120级管线钢的主要微合金化元素，V和Ti也是常用的微合金元素。在TMCP过程中，一方面未溶解的微合金碳氮化物通过钉扎晶界的机制而明显阻止奥氏体晶粒的粗化过程，另一方面应变诱导沉淀析出的微合金碳氮化物还可通过钉扎晶界和亚晶界的作用而显著地延迟或阻止形变奥氏体的再结晶，以及抑制再结晶后晶粒长大从而获得细小的相变组织。在以上两种阻碍作用中，Nb、Ti的作用较明显，而V的作用相对较弱，并且在奥氏体化温度下没有溶解的沉淀相对再结晶的发展不起作用，但可以抑制再结晶完成以后晶粒的长大。在一般低氮含量的(<0.007%汁情况下，VC在Y-Fe中的溶解度积比NbC要高得多，900℃以上时V(C,N)可完全溶于Y-Fe中，因此钒的主要作用是在y/a转变过程中的相间析出以及在铁素体中的析出强化。虽然在钢中V的细化晶粒作用不如Nb,但其析出强化的作用却大于Nb。因此，在微合金钢中单独V微合金化的情况是少见的，复合添加V特别有效。氮含量高伫0.02%)的情况下，VN在奥氏体和铁素体中的溶解度NbC几乎低两个数量级，事实上VN在奥氏体中的溶解度和NbC相当。与Nb(C,N)类似，轧制过程由诱导析出的VN抑制奥氏体再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒的作用。由此可认为，与其他微合金元素相比，钒是唯一既可控制在y-a过程中析出，又可在铁素体中析出的元素，它在微合金钢中有很大潜在用途。研究表明，一方面轧后冷却过程中利用Nb和V的碳化物、氮化物和碳氮化物的析出，与TMCP工艺相结合，可以获得比常规轧制的低合金高强度钢具有更为细小的铁素体贝氏体组织，且Nb是促进贝氏体形成的元素，有利于贝氏体或针状铁素体的形成；但另一方面业80级贝氏体管线钢中，添加Nb会促进M/A岛的生成，降低HAZ的韧性，因此一般Nb的含量应控制在0.01%〜0.05%;V可补充Nb析出强化的不足，还可以改善钢材焊后韧性，管线钢中一般控制V在0.03%〜0.05%；此外，在管线钢中，往往还通过加入化学当量比的钛含量来固定氮，以增强铌元素对奥氏体调节和相变的影响，得到更多的贝氏体组织或促进针状铁素体的形成。硼和钼Mo和B都是贝氏体形成元素，加入微量B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移，同时使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在低碳的情况下也能在一个较大的冷却范围内获得贝氏体组织。需要注意的是，由于B的上述作用是基于其在奥氏体晶界的偏聚，从而阻止等轴铁素体在晶界上优先形核。而当B以氧化物或氮化物状态存在时，反而可能促进铁素体形核。为了防止B与氧和氮形成化合物，一方面冶炼时必须精确控制B含量，另一方面必须在钢中添加适量的Al来脱氧，同时添加Ti来固氮；Mo能够降低相变温度、抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体的转变、贝氏体相变及微合金碳化物形核，并能提高Nb(C,N)的沉淀强化效果。早期为获得针状铁素体，多用高Mn和Mo,导致Ceq和Pcm偏高，一定程度上降低了管线钢的焊接性能。后来为改善焊接性能开发出了Nb-Mo-Ti-V系钢，即降低Mn和Mo含量，通过添加V来弥补强度损失、通过TiN细化晶粒改善韧性。通常X80管线钢中Mo含量在0.1%.-0。3%比较理想。随着Mo含量增加，并结合控轧急冷工艺，Nb-Mo类钢还可以获得X100钢级。此时的组织由珠光体贝氏体转变为单一的内含贝氏体型铁素体和均匀分布的M/A岛的贝氏体。可见通过添加适量的硼、钼，在超低碳的情况下，在TMCP过程中，能在较宽冷却范围内得到贝氏体组织，可以获得X80乃至X100的强度级别，但Mo和B可能会有损钢的韧性。三、X80管线钢成分设计X80化学成分要求化学元素CSiMnPSAlHO目标成分0.0450.181.8<0.010<0.0010.025<2ppm<20ppm判定成分0.035〜0.0600.10〜0.251.75〜1.85<0.012<0.0020.020-0.035<3ppm<20ppmX80化学成分要求化学元素VNbTiNMoNiCu目标成分0.040.060.016<35ppm0.260.250.2判定成分0.035〜0.0450.055〜0.0650.012-0.020<50ppm0.24-0.280.20〜0.300.15〜0.25由于石油、天然气资源通常位于边远、环境恶劣的地区，为了提高输送效率增加输送工作压力大，要求管线钢具有高强度、高韧性、抗氢致开裂以及良好的可焊接性能。这就决定了管线钢向着高等级、高性能要求方向发展。根据合金元素在管线钢中的作用机理及图1,最终X80管线钢化学成份如下表所示：表1.X80管线钢化学成份Tab.1ChemicalcompositionofX80pipelinesteel

昱芝xnst患昱芝xnst患JSSI三洋君&1君a\yNickei图1、合金元素对强度增量的影响Figl.Theinfluenceofalloyelementsonstrengthincrement按照表1中的化学成份，其Acl、Ac3、Bs及Ms的经验公式计算结果为:1=723+25 -7 1=723+25 -7 +15 -15+40+50=724℃TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3=908-223.7+438.5+30.49+37.92-34.4 -23 -200(-0.54+0.06 )=933℃\o"CurrentDocument"=830-270-90 -37 -83 =625℃\o"CurrentDocument"=561-474-33 -17 -21 =471℃管线钢高强度来源于晶粒细化、位错强化、固溶强化、析出强化，因此以上化学成份设计综合考虑了上述强化手段。成份设计焊接性能评测：个碳当量+ ++ +(r+ +)+(+节一5一-^5-)=0.435,Ceq<0.5个裂纹敏感系数=+i+(r+n+u)+i+°+ +5=0.177,Pcm<0.2Cm30 601510

S工.f-S工.f-32口屿图2.碳当量和热输入对X70管线钢HAZ硬度的影响Fig2.EffectofcarbonequivalentandheatinputonHAZhardnessofX70pipeline

steel碳当量（Pcm）和热输入对硬度的影响如图2所示。低的热输入造成冷速更快使硬度更高，这对海洋管线建设是个特定的难题，因为在加工过程中当热输入低至0.4KJ/mm时根部焊缝会沉积。碳当量公式是经验公式，可以计算出每个元素对硬度或淬透性的影响以及氢致延迟断裂的风险。图3.用JmatPro模拟的X80管线钢设计成份的平衡相图Fig3.EquilibriumphasediagramofdesignelementsforX80pipelinesteelsimulatedbyJmatPro从平衡相图看，所设计的X80管线钢在室温是纯铁素体组织.四、冶炼工艺冶炼工艺流程:铁水脱硫预处理一转炉一LF炉精炼一RH炉精炼一连铸冶炼成分控制碳含量:X80管线钢采用低碳成分设计，钢中的碳含量要求W0.060%,控制措施为：转炉采用低碳控制，终点碳含量W0.040%；出钢合金化采用低碳或无碳合金，减少增碳量，将出钢过程的增碳量控制在W0.005%；LF精炼控制加热和底吹氩气工艺，并调整精炼渣的成分，在LF炉脱硫过程中控制碳增量，使碳增量控制在0.015%以内，冶炼成品平均碳含量可以控制在0.060%以内，满足了X80管线钢冶炼要求。磷含量:X80管线钢成分设计要求磷含量W100ppm,钢中磷含量的控制措施为:转炉冶炼采用双渣工艺，终渣碱度3.0〜4.0,炉渣中FeO控制在20%左右，保证转炉终点磷含量控制在W75ppm；出钢采用挡渣操作，下渣量控制在W8kg/t钢，使回磷量控制在15Ppm以内。成品磷含量可以控制在0.010%以内，满足了X80管线钢冶炼要求。硫含量:X80管线钢为对硫含量要求严格，成分设计要求硫含量W20Ppm，钢中硫含量的控制措施为：采用铁水脱硫预处理工艺，脱后的硫含量W0.0050%,去除脱硫顶渣；转炉冶炼使用优质原辅料，转炉终点硫含量控制在0.007%以内；LF精炼采用合理的底吹工艺，保证终渣碱度R>6.0,氧化性(FeO+MnO)<1.5%,LF炉脱硫率达到75%。成品硫含量可以控制在20ppm以内，满足了X80管线钢冶炼要求。氮含量:X80管线钢要求钢中的氮含量W35ppm,钢中氮含量的控制措施为：通过控制脱氧工艺、出钢操作，减少出钢增氮量；LF精炼埋弧操作减少增氮，并采用干燥合金和辅料；RH脱气工艺，氮的去除率达到12%〜20%；连铸保护浇铸，增氮量控制在2.5ppm以内。成品氮含量可以控制在40ppm以内，满足了X80管线钢冶炼要求。氢含量:X80管线钢要求钢中的氢含量W2.0ppm,钢中氢含量的控制措施为：精炼过程中保证所使用渣料和合金料干燥，要求水分含量W0.5%,减少带入钢中的氢含量；采用RH真空精炼进行真空脱气处理，RH真空精炼真空度控制在W1mbar时，随着真空处理时间的延长钢中氢含量在不断降低，RH真空处理时间三10min,钢中的氢含量控制在W2.0ppm,满足X80管线钢冶炼要求。钢水纯净度控制X80管线钢对钢中的非金属夹杂物要求极为严格，为了满足产品对夹杂物的要求，冶炼过程中要求钢具有较高的洁净度，钢液的洁净度以钢中的T[O]含量衡量，夹杂物的控制措施：转炉冶炼控制终点氧含量，采用强脱氧工艺，LF精炼控制底吹工艺，精炼过程控制精炼渣成分吸附大颗粒夹杂物；控制合理的RH真空处理时间，真空结束向钢包中喂Ca线，对夹杂物进行变性处理；同时对钢水进行软吹操作，保证夹杂物的充分上浮、去除；连铸做好保护浇铸防止钢液二次氧化。五、热轧控轧控冷工艺时间.0.图4XSO管线钢控轧空冷」二艺Fig4.TheprocessofX80pipelinesteelcontrolledrollingandcoolingX80管线钢板加热后经高压水除鳞，进入炉卷轧机，轧制工艺中重要的技术参数除了道次变形量控制等主要参数外，第一阶段的开轧温度与终轧温度、第二阶段的开轧温度、卷取炉温度、第二阶段终轧温度、轧后冷却速率、终冷温度、卷取温度等也是重要的技术参量，其中两个阶段的开、终轧温度、第二阶段的总变形量以及轧后冷却速率与终冷温度是决定X80管线钢卷最终性能的关键参数。第一阶段开轧温度的确定主要依据连铸坯在加热炉的温度，以及随后从加热炉运行到炉卷轧机轧制前进行高压水除鳞中的温降。根据生产现场实践，这一过程中总的温降大约在80〜100℃左右，因此可以确定开轧温度为1100〜1120℃。第一阶段终轧温度的确定最主要的参考因素是再结晶终止温度即终轧温度须高于奥氏体完全再结晶的最低温度，使之发生完全再结晶过程，同时综合考虑设备负荷、生产效率等因素。由于第一阶段需使之发生完全再结晶过程，因此，第一阶段的终轧温度需要高于完全再结晶的最低温度，即高于1065℃。第二阶段开轧温度与终轧温度的确定则须确保奥氏体不发生再结晶，尤其是不能发生部分再结晶过程，以避免产生大小不均匀的奥氏体晶粒，造成最终室温组织的不均匀甚至产生混晶，对随后的晶粒细化、均匀化以及钢的强韧化都是不利的。因此，第二阶段开轧温度须低于X80管线钢的再结晶终止温度，即低于1065℃，同时必须在奥氏体单相区开轧。根据设计成分测得Acl和Ac3分别为724℃和933℃，故第二阶段开轧温度须在933℃-1065℃之间。提高开轧温度可以显著减小待温时间，对提高生产节奏、降低生产成本有利，但开轧温度过低，一方面轧机等设备负荷大，另一方面难以保证终轧温度及入水温度。综合考虑以上结果，第二阶段开轧温度确定为990℃。钢卷轧制的最后阶段，轧件长度往往超过100米，为了保证轧件头尾温度均匀，采取轧件进卷取炉保温，最后几道次采用卷轧方式。考虑到第二阶段轧制过程中的温度变化，确定卷取炉温度约为900℃，而终轧温度确定为800℃。轧后冷却速率与终冷温度决定铁素体的类型与转变程度，同时对组织粗细也有影响。管线钢理想的组织为充分细化、无明显方向性的针状铁素体，同时保留少量多边形铁素体对保证管线钢的韧性指标有一定作用，而针状铁素体的形成需在一定的冷却速率条件下。六、小结随着管道输送压力的提高，要求增加钢管壁厚。壁厚增加势必带来钢管重量的增加。在此条件下，提高管线钢级是减小壁厚，节约钢材，降低管线建设成本的有效途径。高钢级、大管径已经成为管线钢发展的方向。X80钢的成分设计采用低