陳小偉,嵇 峰,白學(xué)偉,張 花,王 旭
(1.渤海裝備巨龍鋼管有限公司,河北 青縣 062658;2.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司,南京 210061)
為滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的天然氣需求,近年來,我國(guó)陸續(xù)建成了西氣東輸二線、三線等X80 鋼級(jí)Φ1 219 mm、單管年輸氣量300 億m3的天然氣管道。然而,這些被稱為我國(guó)第二代的大直徑天然氣管道,仍不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)天然氣輸送的需求[1-2]。2012年,中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司啟動(dòng)了第三代大輸量管道用鋼管的研發(fā),其中X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm 鋼管的制作技術(shù)方案最具可行性而備受重視[3-4]。2014年5月,中俄雙方有關(guān)企業(yè)簽署了總價(jià)值超過4 000 億美元、年供氣量380 億m3、期限長(zhǎng)達(dá)30年的中俄東線天然氣購(gòu)銷合同。為滿足合同的要求,我國(guó)在中俄東線項(xiàng)目中首次計(jì)劃采用 X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm 鋼管。與 X80 鋼級(jí)Φ1 219 mm 鋼管相比,中俄東線鋼管直徑和壁厚更大。中俄東線創(chuàng)造了我國(guó)管道之最,在世界管道史上是一個(gè)標(biāo)志性工程,僅有俄羅斯已建的巴浦年柯沃—烏恰管道參數(shù)與中俄東線接近[5]。
管徑和壁厚同時(shí)增加帶來了技術(shù)方面的巨大挑戰(zhàn)。板寬和厚度增加,鋼板制造過程軋制壓縮比降低,影響晶粒細(xì)化效果;厚度增加后還會(huì)引起心部冷卻速度降低以及厚度方向的冷卻均勻性,這些都會(huì)對(duì)鋼板的性能產(chǎn)生不利影響,尤其是要保證-15 ℃下鋼板的剪切面積達(dá)到平均值85%的要求難度很大。另外,鋼板板型、鋼管幾何尺寸和焊接質(zhì)量等控制都面臨巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)國(guó)內(nèi)鋼廠、管廠的共同攻關(guān),攻克了上述關(guān)鍵技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了中俄東線X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×25.7 mm/30.8 mm 寬厚板及直縫埋弧焊管的批量生產(chǎn)供貨,X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm×30.8 mm 鋼管的整體性能穩(wěn)定性及合格率均超出了預(yù)期。
筆者僅對(duì)中俄東線項(xiàng)目產(chǎn)品中難度最大的壁厚為30.8 mm 鋼管的性能進(jìn)行研究分析,重點(diǎn)對(duì)4 個(gè)不同廠家生產(chǎn)的壁厚為30.8 mm 鋼板及所制X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm×30.8 mm 鋼管的理化性能進(jìn)行了研究分析。
中俄東線汲取了西氣東輸二線、三線X80項(xiàng)目因技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)化學(xué)成分范圍規(guī)定較為寬泛、各廠家合金設(shè)計(jì)方面存在較大差異,從而造成性能波動(dòng)較大的問題的經(jīng)驗(yàn),在制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),對(duì)成分范圍進(jìn)行更加嚴(yán)格的限定,對(duì)Mo、Ni 元素的下限進(jìn)行了限制[6]。
表1為4個(gè)廠家(分別編號(hào) A鋼、B 鋼、C鋼和D 鋼)生產(chǎn)的壁厚為30.8 mm 鋼板的化學(xué)成分。由表1可以看出,4 個(gè)廠家對(duì)壁厚為30.8 mm鋼板的設(shè)計(jì)思路一致,即超低C 以及 Mn、Mo、Ni、Cr 合金化。只是具體的合金含量稍有差別,其中 A 鋼具有最高的 Mn、Mo、Ni、Cr 含量,但其Cu 含量低于其他幾家;A 鋼和C 鋼具有較高的 V+Nb+Ti 含量,而 B 鋼和 D 鋼 V+Nb+Ti 含量較低。這些合金元素設(shè)計(jì)均在當(dāng)前X80 鋼合金設(shè)計(jì)的合理范圍內(nèi),與各家的制造工藝相匹配,均可獲得性能優(yōu)異的鋼板。
表1 4個(gè)廠家生產(chǎn)的厚度為30.8 mm 鋼板的化學(xué)成分
根據(jù)到貨數(shù)量及爐批數(shù),對(duì)鋼板的性能進(jìn)行抽檢,表2為4 個(gè)廠家生產(chǎn)的壁厚30.8 mm 鋼板拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。因抽檢的數(shù)量較少,最少的抽取了4 個(gè)爐批,最多的抽取了20 個(gè)爐批,因此數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的代表性可能存在一些偏差,但仍然能夠基本反映該鋼廠原料的拉伸性能。
由表2可以看出,盡管各廠家對(duì)鋼板性能的控制水平不同,但整體上各鋼廠鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的實(shí)際范圍要比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的小得多。不同鋼廠強(qiáng)度控制區(qū)間存在較大的差異,各具特點(diǎn)。B 鋼屈服強(qiáng)度最高,其他幾家屈服強(qiáng)度基本接近;A 鋼抗拉強(qiáng)度最低,C 鋼抗拉強(qiáng)度最高,其余兩家基本接近。強(qiáng)度的差異主要由于各廠家鋼板軋制及冷卻參數(shù)的差異造成。
采用相同JCOE 工藝進(jìn)行鋼管生產(chǎn),其中可能對(duì)材料性能變化產(chǎn)生影響的擴(kuò)徑率波動(dòng)控制在0.2%以內(nèi)。制管后按爐抽樣對(duì)鋼管進(jìn)行拉伸性能檢驗(yàn)。表3為4 種鋼板制管后鋼管拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果,圖1為制管前鋼板、制管后鋼管拉伸性能的變化規(guī)律。由表3可以看出,中俄東線 X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm×30.8 mm 鋼管具有優(yōu)異的拉伸性能。鋼管整體屈服強(qiáng)度為560~660 MPa,均值為 613 MPa;抗拉強(qiáng)度為 635~750 MPa,均值為690MPa;屈強(qiáng)比為0.83 ~0.93,均值為0.887,具有較低的屈強(qiáng)比。
表2 4個(gè)廠家生產(chǎn)的厚度為30.8 mm 鋼板拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果
從圖1可以看出,制管后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度的變化,但原材料不同制管過程中的變化規(guī)律也不同。就屈服強(qiáng)度而言,A 鋼、C 鋼和D 鋼制管后屈服強(qiáng)度上升最多,上升82 MPa,B 鋼制管后屈服強(qiáng)度上升最少,上升17 MPa。制管后抗拉強(qiáng)度變化較小,其中A鋼制管后抗拉強(qiáng)度變化最大,平均升高22 MPa;而D 鋼制管后抗拉強(qiáng)度平均下降8 MPa。從屈強(qiáng)比來看,X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm×30.8 mm 鋼管整體具有較低的屈強(qiáng)比。
制管后屈服強(qiáng)度升高的主要原因是材料加工硬化的結(jié)果,由此可見不同鋼板加工硬化能力存在較大的差異,主要是B 鋼和其他3 種鋼的加工硬化能力差異較大。一般認(rèn)為,加工硬化不會(huì)對(duì)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生大的影響。制管后抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的變化主要是由于試樣形式的差異造成的,鋼板拉伸試驗(yàn)采用矩形全厚度試樣,而鋼管采用Φ12.7 mm 的圓棒試樣,取樣位置及不同材料自身壁厚方向的強(qiáng)度差造成了試驗(yàn)結(jié)果的差異[7-8]。
表3 4 種鋼板制管后鋼管拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果
圖1 制管前鋼板、制管后鋼管拉伸性能變化規(guī)律
DWTT 性能是 X80 鋼級(jí) Φ1 422 mm×30.8 mm鋼管開發(fā)的關(guān)鍵難點(diǎn),涉及到成分設(shè)計(jì)和軋制工藝等關(guān)鍵技術(shù)。在初期剪切面積出現(xiàn)偏低的問題,通過攻關(guān)改進(jìn),最終解決了這個(gè)難題,生產(chǎn)的厚度為30.8 mm 鋼板的DWTT 性能均達(dá)到了要求。表4是4 種厚度為30.8 mm 鋼板的DWTT 性能試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)各廠家的實(shí)際情況,試驗(yàn)條件稍有差異。其中,-20 ℃全壁厚試樣試驗(yàn)條件最為苛刻,隨著溫度的升高或采用減薄試驗(yàn),試驗(yàn)條件有所改善[9-11]。從總體上看,各廠家提供的厚度為30.8 mm 鋼板的剪切面積均達(dá)到了要求。
表4 4種鋼板的DWTT 試驗(yàn)結(jié)果
表5是制管后鋼管DWTT 試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)條件相同,試樣單面減薄至19 mm,在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度 (-5 ℃)的基礎(chǔ)上降低 17 ℃。圖2為制管后鋼管的剪切面積分布情況。結(jié)果表明,壁厚為30.8 mm 鋼管具有優(yōu)良的DWTT 性能,剪切面積單值均在80%以上,平均值均在92%以上,整體水平超出預(yù)期,均具有較大的余量。
圖3為制管前、后剪切面積變化規(guī)律。由圖3可以看出,從鋼板到鋼管剪切面積具有4%~7%的富余量,制管后的DWTT 性能與鋼板的DWTT性能保持了較好的一致性,即鋼板剪切面積越好,制管后鋼管的剪切面積越好,其中C 鋼制管后DWTT 性能最優(yōu)。
表5 4 種鋼板制管后鋼管的DWTT 試驗(yàn)結(jié)果 (-5 ℃)
圖2 制管后鋼管剪切面積分布情況 (-5 ℃)
圖3 制管前鋼板、制管后鋼管剪切面積的變化規(guī)律
在制管過程中,對(duì)部分鋼管進(jìn)行了系列溫度DWTT 試驗(yàn)。溫度分別為-15 ℃和-30 ℃時(shí)鋼管的 DWTT 試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可以看出,-15 ℃條件下,鋼管的剪切面積單值均不小于70%、兩個(gè)試樣平均值大于85% (標(biāo)準(zhǔn)要求)。尤其是C 鋼制管后,-15 ℃剪切面積平均值達(dá)95%。-30 ℃條件下鋼管剪切面積明顯降低,單值出現(xiàn)較大的波動(dòng)。但C 鋼和 D 鋼表現(xiàn)出了較好的低溫 DWTT 性能,尤其是C 鋼,單值最低也達(dá)到了62%,平均值達(dá)到了86%。
表6 制管后鋼管系列溫度DWTT 試驗(yàn)結(jié)果
沖擊功是衡量鋼管止裂性能的關(guān)鍵指標(biāo),中俄東線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壁厚為30.8 mm 鋼管-10 ℃母材夏比沖擊功單值不應(yīng)低于140 J,3 個(gè)試樣平均值不應(yīng)低于180 J;焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊功單值不應(yīng)低于60 J,3 個(gè)試樣平均值不應(yīng)低于80 J。表7為鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果。由表7可以看出,鋼管夏比沖擊功均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4為鋼管母材夏比沖擊系列溫度試驗(yàn)結(jié)果。由圖4也可以看出,鋼管仍具有良好的夏比沖擊韌性。焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
表7 鋼管夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果
圖4 鋼管母材夏比沖擊系列溫度試驗(yàn)結(jié)果
從上述鋼管理化性能的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,幾種不同X80 鋼制成的鋼管均符合中俄東線鋼管標(biāo)準(zhǔn)的要求,具有優(yōu)良的性能,尤其是夏比沖擊性能及DWTT 性能等均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求,超出了預(yù)期的效果。但通過對(duì)比可以看出,各鋼板及所制鋼管的力學(xué)性能存在一定的差異,這可能與產(chǎn)品的制造工藝有關(guān)。
一般情況下,影響產(chǎn)品性能差異的關(guān)鍵因素是合金元素和制造工藝,主要表現(xiàn)為材料的顯微組織,顯微組織對(duì)性能起決定性的影響。而且不同性能之間是否存在相關(guān)性,如降低強(qiáng)度是否意味著DWTT 性能的改善等也需要關(guān)注。
從表1可以看出,A 鋼中合金元素Mo、Ni添加量較多外,其余3 種鋼板合金元素的差異很小。但從拉伸性能結(jié)果看,A 鋼拉伸強(qiáng)度最低,并沒有因?yàn)楹辖鹪睾康奶岣叨箯?qiáng)度提高;B 鋼、C 鋼板合金元素含量最接近,但抗拉強(qiáng)度相差約 30 MPa??梢?,對(duì)于 X80 鋼,合金元素已經(jīng)不是強(qiáng)度差異的決定因素。
從夏比沖擊和DWTT 試驗(yàn)結(jié)果看,合金元素的添加或減少并未對(duì)DWTT 和夏比沖擊性能產(chǎn)生直接的影響。另外,從焊接熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果來看,A 鋼、C 鋼制管后熱影響區(qū)沖擊功值較高,且結(jié)果基本相當(dāng),但其在Mo、Ni、Cu 元素添加上存在較大的差異,無法證明Mo、Ni 的添加是否更有利于熱影響區(qū)的韌性。而A鋼、C 鋼與 B 鋼、D 鋼在 Nb+V+Ti 總量上的差異,似乎可以表明較多的Nb+V+Ti 總量更有利于熱影響區(qū)的夏比沖擊性能。
圖5~圖8為4 種鋼典型的顯微組織形貌。A鋼的顯微組織以針狀鐵素體+粒狀貝氏體為主,其特征是表層塊狀鐵素體含量較多,尺寸較小,心部鐵素體以長(zhǎng)條狀為主,尺寸較大,板條上分布著少量點(diǎn)狀或小島狀的MA 組元。B 鋼的顯微組織主要為粒狀貝氏體組織,無論是表層還是心部,沒有明顯的塊狀或長(zhǎng)條狀鐵素體。表層組織中,MA 組元以點(diǎn)狀為主,細(xì)小、彌散地分布在鐵素體基體上,心部組織中鐵素體基體尺寸明顯增加,MA 組元由點(diǎn)狀變?yōu)閸u狀,由于尺寸增加,數(shù)量減少。C 鋼的顯微組織為典型的針狀鐵素體,另有少量粒狀貝氏體。與 A 鋼相比,C 鋼中針狀鐵素體尺寸更細(xì)小,分布均勻,碳氮化物、MA 組元等彌散分布在針狀鐵素體之間,使其表現(xiàn)為更加細(xì)小的晶粒尺寸,心部和表層組織的晶粒尺寸差異不大。同時(shí),C 鋼中的粒狀貝氏體組織也十分細(xì)小,分布均勻,未見大尺寸的島狀MA 組元。D 鋼顯微組織與C 鋼類似,表層為典型的針狀鐵素體組織,心部為針狀鐵素體和一定量的塊狀鐵素體,其針狀鐵素體的形態(tài)、尺寸與C 鋼接近,分布均勻。
圖5 A鋼顯微組織形貌
圖6 B鋼顯微組織形貌
圖7 C鋼顯微組織形貌
圖8 D鋼顯微組織形貌
管線鋼中針狀鐵素體是在稍高于貝氏體轉(zhuǎn)變溫度形成的一類細(xì)小組織,兼有切變轉(zhuǎn)變和擴(kuò)散轉(zhuǎn)變的特點(diǎn),其特征是組織內(nèi)位錯(cuò)密度高,晶粒細(xì)小,晶間第二相細(xì)小,分布彌散均勻,具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性以及較強(qiáng)的加工硬化能力[12-13]。粒狀貝氏體是在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度的最上部形成的組織,轉(zhuǎn)變溫度低于針狀鐵素體,其主要以切變轉(zhuǎn)變?yōu)橹?,第二相離子形成位于貝氏體鐵素體中間或邊界。其鐵素體基體主要以轉(zhuǎn)變前原始奧氏體為基礎(chǔ),因此鐵素體基體尺寸遠(yuǎn)大于針狀鐵素體。對(duì)于粒狀貝氏體組織,第二相離子或MA 的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布對(duì)其力學(xué)性能將產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)?shù)诙嚯x子或MA 組元以點(diǎn)狀或短桿狀彌散分布于鐵素體基體上時(shí),可起到分割鐵素體的作用,類似細(xì)化晶粒的作用,提高強(qiáng)度,改善韌性。當(dāng)?shù)诙嚯x子或MA 組元以較大尺寸的島狀分布于鐵素體基體上時(shí),不僅對(duì)鐵素體基體的切割作用減弱,其尖角還可能成為起裂源,其組織的韌性大大降低。塊狀或多邊形鐵素體是在高于針狀鐵素體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間形成的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變組織,其晶粒尺寸較大,晶內(nèi)位錯(cuò)密度較低,對(duì)管線鋼的強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度影響較大,對(duì)塑性有一定的改善作用。
2.2.1 顯微組織對(duì)拉伸性的影響
從上述分析可以看出,4 種鋼在顯微組織上存在一定的差異,A 鋼、C 鋼和D 鋼主要以針狀鐵素體為主,B 鋼主要以粒狀貝氏體為主。從對(duì)應(yīng)的鋼板強(qiáng)度來看,A 鋼、C 鋼和D 鋼具有相對(duì)較低的屈服強(qiáng)度,而B 鋼具有較高的屈服強(qiáng)度。經(jīng)過制管后,由于加工硬化作用,鋼管屈服強(qiáng)度均不同程度有所升高,其中 A 鋼、C 鋼和 D 鋼屈服強(qiáng)度升高較多,在 70~80 MPa;而 B 鋼制管后屈服強(qiáng)度僅升高了17 MPa??梢?,針狀鐵素體組織的應(yīng)變強(qiáng)化能力要顯著高于粒狀貝氏體組織。A 鋼具有最低的抗拉強(qiáng)度,B 鋼和 D 鋼居中,C 鋼抗拉強(qiáng)度最高。但制管后,A 鋼、B 鋼和D 鋼平均抗拉強(qiáng)度基本趨同,C 鋼的抗拉強(qiáng)度仍然最高。其中A 鋼制管后抗拉強(qiáng)度平均升高了 22 MPa,B 鋼平均升高了 11 MPa,D 鋼平均降低了 8 MPa,而 C 鋼保持不變。一般認(rèn)為,抗拉強(qiáng)度基本不受制管過程加工硬化的影響。筆者曾研究過X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×22 mm 管線鋼管制管過程鋼板抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律及其影響因素,結(jié)果表明,鋼管圓棒試樣獲得的抗拉強(qiáng)度通常要高于矩形試樣獲得的抗拉強(qiáng)度,其原因與取樣位置、厚度方向的組織、合金元素尤其是C 元素含量有關(guān)。
2.2.2 顯微組織對(duì)DWTT 的影響
從鋼管的DWTT 試驗(yàn)結(jié)果看,C 鋼制管后具有最高的剪切面積,平均值達(dá)97%;A 鋼和D 鋼制管后剪切面積平均值相同,均為95%;B 鋼制管后剪切面積平均值稍低于其他3 種鋼,均值為92%。研究表明,管線鋼剪切面積主要與材料組織中大角度晶界比例和奧氏體晶粒的細(xì)化程度有關(guān),而這些從材料的顯微組織中或可見端倪。原始奧氏體晶粒越細(xì)小,越有利于形成針狀鐵素體或塊狀鐵素體組織,且形成的二次組織越細(xì)?。辉紛W氏體晶粒尺寸越大,越有利于形成粒狀貝氏體組織。從DWTT 結(jié)果和顯微組織來看,細(xì)小針狀鐵素體或多邊形鐵素體組織更有利于獲得優(yōu)異的 DWTT 性能,且組織越細(xì)小,DWTT 性能越好[14];針狀鐵素體以及含有一定量的塊狀鐵素體組織也具有較好的DWTT 性能;這類組織的共同特點(diǎn)是無明顯的原奧氏體痕跡或可見的原奧氏體尺寸較??;而粒狀貝氏體組織,DWTT 性能相對(duì)較低,高硬度粗大的M/A 組織帶會(huì)嚴(yán)重惡化DWTT 性能[15]。這類組織的特點(diǎn)是鐵素體基體較大,可能源于原奧氏體晶粒尺寸較大。檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的部分剪切面積偏低的鋼板,其組織類型均為粗大的粒狀貝氏體組織。
從鋼管自身的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與剪切面積看不出明顯的規(guī)律,但拉伸試樣的斷后伸長(zhǎng)率和剪切面積之間存在比較明顯的規(guī)律,如圖9所示。整體來看,斷后伸長(zhǎng)率越大,剪切面積越大。剪切面積與拉伸試樣的斷后伸長(zhǎng)率本身都是材料塑性水平體現(xiàn),因此兩者間應(yīng)存在一定的關(guān)系。
圖9 剪切面積與拉伸試樣斷后伸長(zhǎng)率的關(guān)系
(1)數(shù)萬(wàn)噸批量生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,中俄東線 X80 鋼級(jí)厚度 30.8 mm 鋼板及 Φ1 422 mm×30.8 mm 鋼管具有優(yōu)良的理化性能。鋼管的屈服強(qiáng)度在100 MPa 以內(nèi)波動(dòng),抗拉強(qiáng)度在115 MPa以內(nèi)波動(dòng);鋼管母材-10 ℃夏比沖擊功平均值達(dá)300 J 以上,-5 ℃剪切面積率平均值達(dá)92%以上,均高于標(biāo)準(zhǔn)要求,具有優(yōu)良的抗延性斷裂性能。
(2)顯微組織對(duì)鋼管制造過程中的強(qiáng)度變化影響較大。具有針狀鐵素體型組織的X80 鋼具有較高的加工硬化能力,制管后屈服強(qiáng)度升高約70~80 MPa;而具有粒狀貝氏體型組織的X80 鋼加工硬化能力較弱,制管后屈服強(qiáng)度升高約20 MPa。
(3)顯微組織對(duì)鋼管的DWTT 性能有重要影響。具有細(xì)小鐵素體型組織的X80 鋼DWTT性能優(yōu)于具有粒狀貝氏體組織的X80 鋼,當(dāng)粒狀貝氏體組織粗大時(shí),DWTT 性能進(jìn)一步惡化。
(4)鋼管拉伸試驗(yàn)斷后伸長(zhǎng)率與鋼管剪切面積存在正向關(guān)系,總體看,斷后伸長(zhǎng)率越高,則剪切面積越高。