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        鞍鋼厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板的研制

        2022-06-12 03:24:02黃國建黃明浩王楊董洋
        鞍鋼技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:針狀鞍鋼連鑄

        黃國建 ,黃明浩 ,王楊 ,董洋

        (1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009;2.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠,遼寧 鞍山 114021)

        現(xiàn)代管線鋼已成為低合金高強(qiáng)度鋼和微合金鋼領(lǐng)域內(nèi)最富有活力、最具研究成果的一個重要分支,具有高技術(shù)含量和高附加值。近年來,為降低天然氣管道建設(shè)和運(yùn)營成本,提高輸送效率,采用高鋼級、厚規(guī)格、大口徑高壓輸送已成為長距離油氣管道建設(shè)的主流趨勢[1-5]。目前L555M(X80)鋼級管道工程的管徑擴(kuò)大至1 422 mm,工作壓力提高至18 MPa,是全球應(yīng)用里程最長的高鋼級材料,而中國L555M(X80)鋼級管道的總里程居世界首位[5-7]。

        中俄東線輸氣管道工程是國家重要的能源戰(zhàn)略工程之一,北起黑龍江省黑河市,途經(jīng)吉林長嶺、河北永清,南至上海,管道全長約3 400 km,是我國目前口徑最大(1 422 mm)、壓力最高(12 MPa)、單管輸氣量(3.8×1010m3)國際最大的長輸管道工程。干線采用API L555M(X80M)鋼級,螺旋鋼管的最厚規(guī)格21.4 mm,化學(xué)成分要求嚴(yán)格,強(qiáng)度韌性匹配要求高,-20℃落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)的剪切面積均值85%以上,且具有較嚴(yán)格的環(huán)焊要求,技術(shù)難度極大。2018-2019年,鞍鋼采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚L555M管線鋼熱軋卷板,制成最大管徑1 422 mm規(guī)格螺旋埋弧焊鋼管,應(yīng)用于中國中俄東線輸氣管道工程。

        1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

        1.1 工程技術(shù)條件

        本產(chǎn)品工程技術(shù)條件涉及Q/SYGD 0503.1-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第1部分:X80級螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷技術(shù)條件》,Q/SYGD 0503.2-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第2部分:X80級螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》,01-GI001#EPL-DS-0103 《黑河-長嶺段干線線路鋼管數(shù)據(jù)單》。本工程21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板的化學(xué)成分要求見表1。

        表1 L555M管線鋼熱軋卷板化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical Compositions in Hot Rolled Coils for L555M Pipelines(Mass Fraction) %

        與美國石油協(xié)會API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)相比,Mn元素上限要求有所下降,Cr、Mo、Ni和Cu等合金元素上限要求明顯降低,且Cr、Mo、Ni同時提出下限要求。

        L555M管線鋼熱軋卷板的力學(xué)性能要求如表2所示。試樣取樣的方向要求與軋制方向成30°,根據(jù)相關(guān)研究[8],30°方向?yàn)椴牧蠌?qiáng)度最薄弱的方向,還需要同時滿足-20℃低溫韌性要求,特別是厚規(guī)格材料的DWTT性能保證難度極高。

        表2 L555M管線鋼熱軋卷板的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical Properties of Hot Rolled Coils for L555M Pipelines

        1.2 合金設(shè)計(jì)

        L555M管線鋼采用低碳高鈮的C-Mn-Mo-Cr-Nb合金體系設(shè)計(jì),適當(dāng)添加Ni、Cu,低冷裂紋敏感系數(shù)Pcm,綜合利用合金元素固溶、細(xì)晶、位錯、析出和相變等強(qiáng)化機(jī)制,組織形態(tài)為針狀鐵素體混合組織(AF+少量MA)。L555M管線鋼的主要化學(xué)成分目標(biāo)值見表3。

        表3 L555M管線鋼的主要化學(xué)成分目標(biāo)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Target Values of Main Chemical Compositions in L555M Pipelines(Mass Fraction) %

        C為碳化物形成元素,對提高強(qiáng)度效果明顯,但為了保證低溫韌性,采用低碳低冷裂紋敏感系數(shù)Pcm,碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.06%,Pcm不大于0.21%;Mn通過固溶強(qiáng)化方式提高強(qiáng)度,且有助于細(xì)化相變組織,但含量過高容易產(chǎn)生連鑄坯的中心偏析;Nb主要析出強(qiáng)化降低相變溫度,Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%,高鈮可延遲奧氏體再結(jié)晶,降低相變溫度,促進(jìn)針狀鐵素體組織和M-A島的形成[9-11];Mo、Cr、Ni等元素均在γ-α相變過程中對獲得針狀鐵素體組織起重要作用,并可改善低溫韌性。

        1.3 工藝設(shè)計(jì)

        L555M管線鋼熱軋卷板生產(chǎn)一般采用常規(guī)熱軋生產(chǎn)線,連鑄板坯厚度為230 mm或260 mm。而鞍鋼采用獨(dú)特的ASP生產(chǎn)工藝,連鑄坯厚度僅為170 mm。

        L555M管線鋼生產(chǎn)工藝上采用純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)、TMCP軋制技術(shù)和超快冷技術(shù),其主要工藝流程:鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(RH+LF+鈣處理)→連鑄→加熱→軋制→超快冷+層流冷卻→卷取。

        冶煉連鑄:采用純凈鋼冶煉工藝,經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉和爐外精煉,使S、P、O、H、N等雜質(zhì)元素達(dá)到較低水平,夾雜物球化并做到細(xì)小彌散,連鑄過程投入動態(tài)輕壓下,控制中心偏析,鑄坯厚度為170 mm。

        軋制冷卻:在2150ASP機(jī)組,采用TMCP技術(shù)和超快冷+層流技術(shù)結(jié)合。由于連鑄坯厚度僅為170 mm,總壓縮比在8以下,必須實(shí)現(xiàn)全流程控制才能最終保證高強(qiáng)度和良好低溫韌性。粗軋保證單道次變形量大于20%,精軋保證大的累積變形量,軋后采用超快冷+層流方式,獲得細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織。

        2 組織和性能

        2.1 卷板的微觀組織

        在萊卡DMI5000M型光學(xué)金相顯微鏡下觀察21.4 mm厚L555M管線鋼,典型金相組織見圖1。其微觀組織為針狀鐵素體為主的混合組織,含有少量MA島,微觀組織均勻細(xì)小,晶粒度評級達(dá)12級,帶狀組織輕微,夾雜物完全球化,可保證L555M管線鋼同時具有高強(qiáng)度和良好的低溫?cái)嗔秧g性。

        圖1 L555M典型金相組織Fig.1 Typical Metallographic Structures of L555M

        在Tecnai G220型分析型透射電鏡下,采用復(fù)型法觀察L555M熱軋卷板碳氮化物第二相粒子,第二相粒子析出相和EDS分析見圖2。觀察表明,試樣中普遍分布有(Nb,Ti)(C,N)的第二相粒子,大部分尺寸在40~100 nm,彌散分布于基體中。這些微小的析出相具有阻止奧氏體晶粒長大和抑制奧氏體再結(jié)晶的作用,可有效細(xì)化晶粒,對提高管線鋼強(qiáng)度和韌性具有明顯作用。

        圖2 第二相粒子析出相和EDS分析Fig.2 Precipitated Phase by Second Phase Particles and Analysis Results by EDS

        在Tecnai G220型透射電鏡下,采用薄膜法對L555M熱軋卷板的微觀組織進(jìn)行觀察,L555M管線鋼的TEM組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過觀察可以看出,L555M管線鋼組織類型為針狀鐵素體,具有明顯M/A組織,且基體組織上位錯密度較高。

        圖3 L555M管線鋼的TEM組織結(jié)構(gòu)Fig.3 TEM Microstructures of L555M Pipeline Steel

        2.2 卷板的力學(xué)性能

        在2150ASP生產(chǎn)線批量生產(chǎn)中俄東線工程用21.4 mm×1 550 mm×Cmm規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板,其主要力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)見表4。統(tǒng)計(jì)表明,L555M卷板拉伸性能和硬度適中,低溫?cái)嗔秧g性良好,指標(biāo)穩(wěn)定,完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表4 L555M管線鋼卷板的主要力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics on Main Mechanical Properties of Steel Coils for L555M Pipelines

        2.3 卷板系列溫度斷裂韌性

        對21.4 mm厚L555M卷板進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗(yàn),結(jié)果見圖4。

        圖4 系列溫度夏比沖擊結(jié)果Fig.4 Results of Charpy Impact Tests at Different Temperatures

        由圖4可知,卷板-60~0℃范圍內(nèi)的沖擊功波動較小,且卷板-60℃沖擊功在330 J以上,低溫沖擊性能良好。對卷板進(jìn)行系列溫度DWTT試驗(yàn),結(jié)果見圖5。

        由圖5可知,卷板-25~0℃范圍內(nèi),DWTT的剪切面積值都在90%以上,-20℃開始有所降低,卷板整體低溫韌性良好。

        圖5 系列溫度DWTT結(jié)果Fig.5 Results of DWTT Tests at Different Temperatures

        2.4 鋼管環(huán)焊工藝適應(yīng)性評價

        2018年,中國石油天然氣管道科學(xué)研究院對鞍鋼股份/遼陽鋼管單爐試制和千噸試制的D1 422 mm×21.4 mm L555M螺旋縫鋼管進(jìn)行鋼管環(huán)焊工藝適應(yīng)性評價,評價結(jié)論如下:

        (1)手工焊結(jié)論:鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品焊條電弧焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (2)半自動焊結(jié)論:鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品藥芯焊絲氣體保護(hù)焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (3)全自動焊結(jié)論:鞍鋼股份/遼陽鋼管批量試制L555M螺旋縫鋼管樣品實(shí)心焊絲自動焊環(huán)焊接頭各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3 應(yīng)用情況

        2018年,鞍鋼采用獨(dú)特的ASP生產(chǎn)工藝,采用170 mm中薄板坯研制成功21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板。2019年,采用低碳高鈮C-Mn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設(shè)計(jì)、純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)和TMCP技術(shù),在鞍鋼2150ASP生產(chǎn)線批量生產(chǎn)出21.4 mm厚規(guī)格L555M管線鋼熱軋卷板,在鋼管廠制成1 422 mm管徑螺旋埋弧焊鋼管,卷板和鋼管通過第三方評價,產(chǎn)品完全滿足工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用于中俄東線管道工程。

        4 結(jié)語

        鞍鋼2150ASP生產(chǎn)大管徑厚規(guī)格L555M管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用取得突破性進(jìn)展,制成螺旋埋弧焊管應(yīng)用于國家重大管道工程,最大管徑為1 422 mm、最厚規(guī)格為21.4 mm,標(biāo)志著中國高鋼級螺旋焊管用管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用跨入國際領(lǐng)先水平。

        鞍鋼厚規(guī)格L555M管線鋼采用低碳高鈮CMn-Mo-Cr-Nb系針狀鐵素體組織設(shè)計(jì),低冷裂紋敏感系數(shù),適當(dāng)添加Ni、Cu等元素。鞍鋼ASP生產(chǎn)工藝獨(dú)特,采用純凈鋼冶煉連鑄技術(shù)、TMCP技術(shù),綜合利用固溶、細(xì)晶、位錯、析出和相變等強(qiáng)化機(jī)制,成功開發(fā)出厚規(guī)格、大口徑、高輸送壓力用21.4 mm厚X80M熱軋卷板,產(chǎn)品最終組織為細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織,具有高強(qiáng)度、良好的低溫韌性和焊接性能,-60℃的沖擊功值大于330 J,-20℃的DWTT的剪切面積大于90%,產(chǎn)品應(yīng)用于中俄東線管道工程。

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