張哲平，王立志，史慶志，侯 強(qiáng)

（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

X80Q鋼級(jí)無縫管線管的工藝研究

張哲平1，王立志1，史慶志2，侯 強(qiáng)2

（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司管加工部，天津300301；2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

根據(jù)PSL2 X80Q技術(shù)指標(biāo)的要求，選用鋼種10MnVNbMo，在連續(xù)大生產(chǎn)條件下進(jìn)行試制。對(duì)不同熱處理制度處理后的管材的力學(xué)性能、金相組織進(jìn)行分析，確定淬火溫度950℃，回火溫度670℃，保溫30 min的工藝最佳，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求比較理想；且通過對(duì)低溫沖擊功的分析，為-80℃下的管線管開發(fā)和服役研究提供技術(shù)支撐。

熱處理；力學(xué)性能；組織；無縫鋼管

1 引言

隨著世界海洋油氣資源勘探和開采力度的不斷加大，海洋工程、海洋裝備等空前迅猛發(fā)展起來，相應(yīng)地21世紀(jì)應(yīng)用于深海油氣的輸送管線、開采平臺(tái)用管、化工廠內(nèi)存儲(chǔ)管等苛刻的技術(shù)要求也變得迫切起來[1]。具有適當(dāng)強(qiáng)度、較好的低溫韌性、良好的焊接性能、滿足用戶等一系列要求的管線管產(chǎn)品需求急劇增加，使得從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化到工業(yè)連續(xù)性大生產(chǎn)迫在眉睫。PSL2 X80Q鋼級(jí)管線管是我公司最近研發(fā)的低溫高沖擊功管線用鋼，不僅可承受高壓及長距離輸送輸氣能力，還適用于海上嚴(yán)苛條件下服役。本文選用鋼種10MnVNbMo試驗(yàn)研發(fā)PSL2 X80Q鋼級(jí)管線管，通過在連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)爐上試制后，對(duì)其力學(xué)性能、金相組織等進(jìn)行分析，選定了適用于連續(xù)大生產(chǎn)的熱處理工藝制度。

2 生產(chǎn)工藝制定

2．1 鋼種選擇

鋼種采用10MnVNbMo，研發(fā)PSL2 X80Q，重點(diǎn)考慮并要求Mo元素，其不僅能夠提高壁厚鋼管的淬透性，更能使鋼管在較高的溫度下生成回火貝氏體組織，從而更加有效地消除殘余應(yīng)力，提高塑性[2]。具體成分含量如表1所示。

表1 PSL2 X80Q化學(xué)成分 w/%

本次試驗(yàn)鋼種的選擇，兼顧到了后續(xù)在熱處理工序熱處理爐加熱均勻性及高溫回火的穩(wěn)定性對(duì)性能的影響。

2．2 技術(shù)要求

根據(jù)SPEC API 5L（45th）和DNV規(guī)范等使用條件的要求，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求[3]如表2所示。通過合理地成分設(shè)計(jì)及熱處理工藝制定，達(dá)到在較低溫度下，獲得較高沖擊功的目的，同時(shí)產(chǎn)品具有良好的焊接性能和抗HIC、SSC性能。

2．3 工藝流程

表2 PSL2 X80Q技術(shù)指標(biāo)

海綿鐵+鐵水+優(yōu)質(zhì)廢鋼→EAFLF→VD→CCM→冷卻→管坯檢驗(yàn)→管坯加熱→穿孔→連軋→定徑→冷卻鋸切→探傷檢驗(yàn)→熱處理→矯直→尺寸檢驗(yàn)→探傷檢驗(yàn)→取樣分析→機(jī)加工→水壓檢驗(yàn)→成品包裝。

2．4 工藝制定

選定需要熱處理的鋼管原料，取樣后在DT1000型淬火膨脹儀上進(jìn)行該鋼種的CCT曲線測(cè)定。此鋼種奧氏體化溫度為940℃，AC3溫度為894℃，為保證組織的充分轉(zhuǎn)變及均勻化，故將熱處理制度中的淬火溫度設(shè)定為950℃。

該鋼種的馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)為422℃，完全奧氏體化的前提下，在淬火冷卻速度超出200℃/s時(shí)，組織能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體，有利于提高強(qiáng)度；在淬火冷卻速度超出50℃/s時(shí)，組織會(huì)出現(xiàn)貝氏體，有利于提高韌性；在淬火冷卻速度繼續(xù)降低，當(dāng)?shù)陀?0℃/s，高于3℃/s時(shí)，組織會(huì)出現(xiàn)鐵素體，初步確定未經(jīng)過熱處理的鋼管原料組織為M+B+F的組合體。結(jié)合連續(xù)大生產(chǎn)的實(shí)際情況，初步選定3種回火溫度，分別為650、670、680℃，如表3所示。

表3 3種熱處理工藝制度

3 結(jié)果與討論

連續(xù)大生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)選取50支鋼管為一個(gè)試驗(yàn)批次，按照上述三種熱處理工藝制度，且操作人員監(jiān)控工藝時(shí)溫度控制在±2℃內(nèi)，確保設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。生產(chǎn)結(jié)束后每組各取2個(gè)試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

3．1 拉伸及硬度試驗(yàn)

如表4所示拉伸和硬度等性能，除在650℃回火時(shí)兩個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度超出指標(biāo)要求，抗拉性能接近上線外，其它所有指標(biāo)都滿足要求，且670℃和680℃回火時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度性能處于中限，具有指導(dǎo)意義。

表4 拉伸及硬度試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，此鋼種三種不同回火溫度得到的屈強(qiáng)比均值在0．88左右，延伸率23%以上，這標(biāo)明該鋼種高溫回火的熱處理制度，性能比較穩(wěn)定，可控性較強(qiáng)，還可以有效地去除因淬火產(chǎn)生的應(yīng)力殘留，得到回火索氏體的組織，以獲得良好的綜合機(jī)械性能。在670℃和680℃回火時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的變化不大，而在650℃進(jìn)行回火時(shí)，鋼種表現(xiàn)為硬度較高接近上限，屈服、抗拉較大幅度的提升,且已經(jīng)高出X80鋼級(jí)要求。

3．2 夏比沖擊試驗(yàn)

選擇670℃回火制度下的試樣2-1進(jìn)行了橫向和縱向夏比沖擊功試驗(yàn)，試樣尺寸均為10 mm× 10 mm，溫度分別為20、0、-20、-40、-60、-80℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

從圖1、圖2可以看出，該工藝制度下的橫、縱向沖擊功數(shù)值都在150 J以上，在設(shè)計(jì)-40℃時(shí)，縱向沖擊功可以達(dá)到200 J以上，橫向沖擊功也在150 J以上，超技術(shù)指標(biāo)62 J要求一倍以上，這標(biāo)明該鋼種的韌性指標(biāo)良好。再者，從20℃的沖擊功數(shù)值可以看出此鋼種的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)高于20℃，尤其在低溫時(shí)使用安全可以得到更好保證。同時(shí)進(jìn)行了-60℃和-80℃低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均在150 J以上，為后續(xù)更低溫管線管的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

3．3 組織分析

選擇670℃回火制度下的試樣2-1進(jìn)行了500倍和1 000倍金相組織觀察，照片見圖3，圖4。組織均為S回+B回+F少，晶粒度8．0級(jí)以上，夾雜0．5級(jí)以下，為性能的均勻、穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 橫向沖擊功試驗(yàn)

圖2 縱向沖擊功試驗(yàn)

4 結(jié)論

（1）采用10MnVNbMo鋼試驗(yàn)研發(fā)PSL2 X80Q鋼級(jí)管線管，連續(xù)大生產(chǎn)條件下的熱處理工藝制度可以選為淬火溫度950℃，回火溫度670℃，保溫30 min，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)比較理想。

（2）通過對(duì)低溫沖擊功的分析，為-80℃下的管道管開發(fā)和服役研究提供技術(shù)支撐。

圖3 金相組織照片（500X）

圖4 金相組織照片（1 000X）

[1]楊才福，蘇航．高性能船舶及海洋工程用鋼的開發(fā)[J]．北京：鋼鐵，2012，47（12）：1-8．

[2]夏立芳．金屬熱處理工藝學(xué)[M]．哈爾濱：工業(yè)大學(xué)出版社，1996．

[3] Specification for Line Pipe．API SPECIFICATION 5L FORTYFIFTH EDITION[S]．

Process Study on X80Q Graded Seamless Pipe for Pipeline Application

ZHANG Zhe-ping,WANG Li-zhi,SHI Qing-zhi and HOU Qiang
(Machining Department and Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

According to the requirements by PSL2 X80Q technical indices,10MnVNbMo grade was selected for continuous production．Its mechanical properties and metallographic structure with different heat treatment systems were analyzed．All technical indices were satisfactory with 950℃ quenching temperature,670℃tempering temperature and 30 minutes'temperature maintaining．Through analyzing low temperature impact energy,the paper can provide technical support for the development and service study of pipe for-80℃pipeline application．

heat treatment;mechanical property;structure;seamless pipe

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．011

2013-09-14

2013-10-11

張哲平（1974—），女，碩士，主要從事金屬材料研究與應(yīng)用方面的工作。