王 波，謝仕強(qiáng)

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

X70M厚板管線鋼及管線管質(zhì)量控制

王 波，謝仕強(qiáng)

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

為了滿足管線鋼用戶對(duì)X70M厚板管線鋼及管線管在夾雜物、板坯偏析、強(qiáng)度波動(dòng)范圍和DWTT性能等方面越來越嚴(yán)苛的要求，采用產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(APQP)方法和一貫制質(zhì)量管理模式，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，識(shí)別關(guān)鍵工序控制點(diǎn)并加強(qiáng)過程穩(wěn)定性控制。結(jié)果表明，該方法明顯提高了X70M厚板管線鋼和大直徑焊管的性能穩(wěn)定性和質(zhì)量水平，生產(chǎn)的鋼板及加工后的鋼管均能滿足用戶的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

X70M；厚板管線鋼；管線管；質(zhì)量控制；夾雜物；偏析

最近10多年來，全世界每年新建管道約4.5×104km。到2012年底，全世界建成管道約280×104km[1]；到2015年底，我國(guó)建成管道約15×104km[2]。據(jù)估算，2030年石油和天然氣需求量將在2005年的基礎(chǔ)上提高約50％[3]，相應(yīng)地每年管道需求量約為5×104km。其中，大直徑直縫埋弧焊管主要用于陸地和海洋油氣、煤、礦漿等介質(zhì)的輸送。相對(duì)螺旋焊管，其主要用于安全設(shè)計(jì)系數(shù)高的地區(qū)。在國(guó)內(nèi)外管線市場(chǎng)上，目前應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最高的鋼級(jí)為X70M管線鋼。

隨著世界管線鋼生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高和管線工程的服役、施工條件的惡化，不僅對(duì)管線管的性能指標(biāo)、穩(wěn)定性和質(zhì)量要求逐步提高，并且用戶對(duì)管線鋼的主要生產(chǎn)工序的過程穩(wěn)定性提出了明確和嚴(yán)格的要求，提高了對(duì)管線鋼生產(chǎn)的質(zhì)量控制要求。

1 寶鋼2014年X70M厚板管線鋼生產(chǎn)概況及主要技術(shù)要求

2014年寶鋼厚板管線鋼以出口和供應(yīng)寶鋼UOE生產(chǎn)線為主，出口項(xiàng)目鋼級(jí)主要為X70M，總量為22.7萬t，項(xiàng)目概況見表1。

同常規(guī)的技術(shù)要求比較，國(guó)外用戶對(duì)成分上下限、碳當(dāng)量波動(dòng)范圍提出了嚴(yán)格要求，加嚴(yán)了橫縱向強(qiáng)度波動(dòng)范圍、屈強(qiáng)比、DWTT、硬度、夾雜物等性能指標(biāo)要求，并增加了板坯偏析等過程控制要求，主要變化見表2。

表1 寶鋼2014年出口X70M厚板管線鋼概況

表2 常規(guī)和出口項(xiàng)目技術(shù)要求對(duì)比

2 一貫制工藝方案及質(zhì)量控制措施

2.1 主要生產(chǎn)工藝流程

寶鋼厚板管線鋼主要生產(chǎn)流程如下：鐵水預(yù)處理→寶鋼300t轉(zhuǎn)爐→LF+RH精煉→板坯連鑄→厚板控軋→DQ+ACC加速冷卻→探傷→定尺→形合→材合→出廠。

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(APQP)應(yīng)用及一貫制生產(chǎn)工藝方案

受市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)影響，需采用低成本的成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)路徑；由于合同的技術(shù)要求高，必須有效識(shí)別關(guān)鍵工序和提高過程的穩(wěn)定性。常規(guī)的工藝設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制方法已不能滿足這些項(xiàng)目的需求。

產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(以下簡(jiǎn)稱APQP)方法應(yīng)用不僅致力于能夠提供合格的產(chǎn)品，更關(guān)注建立足以信賴的質(zhì)量策劃過程和基于設(shè)計(jì)和制造過程的“風(fēng)險(xiǎn)”控制[4]。通過APQP方法在寶鋼汽車板等產(chǎn)品上的成功應(yīng)用[5-6]，驗(yàn)證了APQP在實(shí)現(xiàn)批量、穩(wěn)定、低成本制造鋼鐵產(chǎn)品方面的有效性。為了滿足管線合同的特殊要求，有必要全過程應(yīng)用APQP方法。

同時(shí)，寶鋼作為管線鋼一貫制生產(chǎn)企業(yè)，本身具有一條供貨業(yè)績(jī)超過150萬t的UOE大直徑直縫焊管生產(chǎn)線，且厚板管線鋼供貨業(yè)績(jī)超過100萬t，充分了解不同制管方式的板管性能變化趨勢(shì)及不同類型用戶對(duì)板材的潛在要求。寶鋼堅(jiān)持一貫制質(zhì)量管理模式，充分考慮煉鋼、軋制、制管全流程對(duì)產(chǎn)品及不同工序的相互影響。

結(jié)合管線鋼一貫制質(zhì)量管理和APQP質(zhì)量策劃方法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)驗(yàn)證階段入手，通過過程流程分析、編制過程失效模式及后果分析(PFMEA)，最終建立了控制計(jì)劃，全面明確了質(zhì)量控制要求和措施。

2.2.1 過程流程分析

從鐵水預(yù)處理到成品出廠完整的流程見表3，其中特別關(guān)注鋼水精煉、連鑄、軋制和加速冷卻過程及其子過程，明確其過程功能、過程特性，并采用因果圖分析方法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等角度分析和揭示每個(gè)生產(chǎn)過程的變差(波動(dòng))來源，便于后續(xù)采取措施控制過程波動(dòng)，從而提升最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

表3 RH精煉過程流程分析

2.2.2 過程失效模式及后果分析

通過PFMEA可以將用戶合同要求的屈強(qiáng)比、DWTT、夾雜物等產(chǎn)品特性和成分波動(dòng)、軋制道次、軋制溫度、冷卻溫度范圍等生產(chǎn)過程特性進(jìn)行全面的關(guān)聯(lián)性分析；同時(shí)PFMEA關(guān)注本工序失效對(duì)下一工序和最終產(chǎn)品的雙重影響；從過程失效的后果嚴(yán)重度S、發(fā)生頻度O和探測(cè)度D來判定風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)，確定改進(jìn)優(yōu)先級(jí)；通過制定和驗(yàn)證過程改進(jìn)措施，以消除或減少失效發(fā)生的機(jī)會(huì)。表4是對(duì)連鑄過程結(jié)晶器夾雜物上浮功能做潛在失效分析，制定改進(jìn)措施并驗(yàn)證效果。

表4 連鑄結(jié)晶器PFMEA分析

2.2.3 建立控制計(jì)劃(CP)

控制計(jì)劃包含全過程全子工序的控制要點(diǎn)，表5是厚板精軋控溫軋制控制計(jì)劃，表5中對(duì)負(fù)荷控制參數(shù)、軋機(jī)側(cè)噴水、開軋溫度等過程做了詳細(xì)規(guī)定，并明確規(guī)定了超出過程規(guī)范后應(yīng)采取的反應(yīng)措施?？刂朴?jì)劃可最大程度減少過程和產(chǎn)品變差，同時(shí)識(shí)別特性并利于采取措施優(yōu)先滿足最關(guān)鍵的特性，達(dá)到成本和用戶滿意雙贏。

2.2.4 一貫制工藝方案

厚板成分設(shè)計(jì)見表6，軋制工藝見表7。成分采用Nb-Cr系，根據(jù)項(xiàng)目特殊要求適當(dāng)添加Mo、V等合金，以進(jìn)一步降低相變溫度和細(xì)化晶粒[7]；第二階段終軋溫度控制在Ar3溫度以上30℃，綜合考慮強(qiáng)韌性匹配及板形控制，采用較大冷速冷卻到400～600℃。

表6 低成本低屈強(qiáng)比X70M厚板成分設(shè)計(jì)

表7 低成本X70M厚板軋制工藝設(shè)計(jì) ％

2.3 質(zhì)量控制措施

在APQP方法全面分析過程控制要求的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵過程參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)控制，通過提升工序保障能力提升最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

2.3.1 煉鋼工序過程控制

成分控制采用單渣法降低P含量。2014年寶鋼生產(chǎn)的X70M厚板P含量均值較2013年降低0.001 3％，均值降至0.007 5％。為嚴(yán)格控制碳當(dāng)量，各工序動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)控制C、Mn及其他合金含量，最終實(shí)現(xiàn)單個(gè)規(guī)格Ceq波動(dòng)范圍僅0.03％。

通過PFMEA分析，綜合考慮板坯中心偏析控制要求，制定夾雜物控制措施：工序處理方面優(yōu)化喂鈣絲量至300～500m/爐[8]，延長(zhǎng)2min的RH高真空處理時(shí)間，嚴(yán)格控制中間包回轉(zhuǎn)臺(tái)鎮(zhèn)靜時(shí)間[9]；設(shè)備和輔料方面優(yōu)化中間包密封性，優(yōu)化滑板機(jī)構(gòu)防止吸氣，優(yōu)化中間包覆蓋劑種類及用量，優(yōu)化浸入式水口內(nèi)壁材質(zhì)。嚴(yán)格按照控制計(jì)劃對(duì)異常過程和異常材料進(jìn)行單獨(dú)管理。

板坯中心偏析控制：設(shè)定合理的過熱度，制定煉鋼全流程溫度范圍和各工序處理時(shí)間表以提升過熱度命中率和穩(wěn)定性，2014年板坯過熱度命中率提升至98.7％；加強(qiáng)鑄機(jī)狀態(tài)維護(hù)，輥縫狀況確認(rèn)；結(jié)合鑄機(jī)設(shè)備狀況和拉速設(shè)定，穩(wěn)定發(fā)揮輕壓下功能[10]。2014年全年生產(chǎn)的X70M板坯中心偏析控制在2級(jí)(曼能斯曼圖譜)或以下，如圖1所示。

圖1 板坯中心偏析示意圖

2.3.2 厚板工序過程控制

強(qiáng)度等性能指標(biāo)的波動(dòng)由兩方面構(gòu)成，即板內(nèi)波動(dòng)+板間波動(dòng)，需要嚴(yán)格控制厚板參數(shù)的板間波動(dòng)和同板溫度均勻性。

寶鋼5m寬厚板軋機(jī)采用兩階段軋制，粗軋階段按照鋼板規(guī)格固定軋制道次和各道次壓下量分配率；動(dòng)態(tài)優(yōu)化中間坯厚度，20mm以上采用4.5～5.0 t(t為成品厚度)，20mm 以下采用 4.0～4.5 t；精軋階段通過道次優(yōu)化和軋制速度匹配提升終軋溫度穩(wěn)定性，終軋溫度波動(dòng)穩(wěn)定在±20℃；優(yōu)化DQ(噴射冷卻)+ACC(層流冷卻)冷卻模型中冷卻水組數(shù)、水量、鋼板走速等參數(shù)，終冷溫度波動(dòng)穩(wěn)定在±30℃，板內(nèi)終冷溫度波動(dòng)降低20℃，如圖2所示。對(duì)比不同溫度均勻性水平鋼板的拉伸性能后，發(fā)現(xiàn)同板強(qiáng)度波動(dòng)隨之明顯下降。

圖2 25.8mm×4 540mm×26m鋼板全板面終冷溫度均勻性示意圖

3 產(chǎn)品實(shí)物性能

3.1 鋼板夾雜物水平

對(duì)2014年寶鋼X70M管線鋼進(jìn)行夾雜物試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。試樣1 719組，100％滿足用戶高標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 X70M管線鋼夾雜物實(shí)績(jī)

3.2 鋼板和鋼管拉伸性能

X70M鋼板和用戶反饋的鋼管橫縱向屈服強(qiáng)度完全滿足波動(dòng)范圍小于100MPa的要求，屈強(qiáng)比滿足不高于0.90(5％試批上限為0.92)的要求。以15.88mm規(guī)格厚板為例，鋼板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分布如圖3所示，制管后管體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分布如圖4所示。從圖3和圖4可以看出，鋼板和管體橫縱向屈服強(qiáng)度分布在500～600MPa，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)控制在60～80MPa。

圖3 X70M鋼板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分布

圖4 X70M鋼板制管后管體屈服和抗拉強(qiáng)度分布

3.3 厚板DWTT性能

在低合金成分設(shè)計(jì)下，25.45mm X70M厚板-10℃下DWTT性能實(shí)際測(cè)量值如圖5所示(數(shù)據(jù)量385組)。由圖5可以看出，DWTT均值為94％，且100％滿足用戶剪切面積比單/均值不低于80％/90％的要求。

圖5 25.45mm X70M厚板DWTT實(shí)績(jī)分布

4 結(jié) 論

(1)用戶對(duì)厚板管線鋼及大直徑直縫埋弧焊管的成分波動(dòng)、性能指標(biāo)、性能穩(wěn)定性和過程穩(wěn)定性的要求逐年提高，應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(APQP)方法和一貫制全流程質(zhì)量管理方法是滿足用戶嚴(yán)格要求的有效途徑之一。通過過程流程圖分析和PFMEA方法可全面識(shí)別和確定關(guān)鍵過程控制要求；各工序嚴(yán)格執(zhí)行控制計(jì)劃，并且通過對(duì)本工序過程異常的及時(shí)處置和下工序聯(lián)動(dòng)，提升過程及產(chǎn)品穩(wěn)定性。

(2)通過煉鋼多工序聯(lián)動(dòng)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，有利于成分、碳當(dāng)量的精準(zhǔn)控制；提升拉速、過熱度穩(wěn)定性、降低P含量等措施可穩(wěn)定控制板坯中心偏析不高于2級(jí)(曼能斯曼圖譜)。

(3)通過優(yōu)化并固定軋制道次、各道次壓下量、軋制速度，優(yōu)化冷卻模式、冷卻水組數(shù)、水量和鋼板走速等冷卻模型參數(shù)，可有效降低板內(nèi)和板間溫度差異，從而有效降低鋼板和鋼管性能波動(dòng)。

致謝：本工作在開展過程中得到了張備、沈燕、吳扣根、陳樂軍、張潔晶、徐國(guó)棟、焦四海、王笑波、俞慧、孔偉、肖桂林、王廣科、張敏文、謝仕強(qiáng)、黃衛(wèi)峰、朱砂、張華等同志的大力協(xié)助，在此表示真摯的感謝。

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Quality Control of X70M Thick Plate Pipeline Steel and Line Pipe

WANG Bo,XIE Shiqiang
(Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

In order to meet the more and more strict requirements of pipeline steel usersin X70M thick plate pipeline steel and line pipein inclusions,segregation of slab,the intensity fluctuation range,DWTT performance and other aspects,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.adopted advanced product quality planning(APQP)method and integrated quality management mode,to optimize production process,identify key control process and strengthen the stability of process control.The above measures obviously increased the performance stability and internal quality of X70M thick plate pipeline steel and large diameter welded pipe,the plates and steel pipes after processing also meet the users’high standard requirements.

X70M;thick plate pipeline steel;line pipe;quality control;inclusions;segregation

TG113.25

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.005

王 波(1983—)，寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部厚板管理室產(chǎn)品主管，主要從事厚板產(chǎn)品質(zhì)量管理工作。

2016-08-07

汪翰云