26.4 mm厚规格X80HD2管线钢的开发

刘志刚（山钢股份济南分公司技术中心，山东济南250101）



26.4 mm厚规格X80HD2管线钢的开发

刘志刚
（山钢股份济南分公司技术中心，山东济南250101）

摘要：以低C高Mn为基础，添加Nb、Cr、Ni、Ti、Cu等合金进行合金体系设计，采用洁净钢冶金技术，通过强化并结合两阶段轧制和ACC多路径层流冷却工艺来保证钢板的强度和高韧性，开发了大应变X80HD2管线钢。钢板具有铁素体+贝氏体双相组织，横向屈服强度470～568 MP，抗拉强度660～760 MPa，屈强比0.65～0.79；纵向屈服强度455～540 MPa，抗拉强度660～727 MPa，屈强比0.64～0.77；Rt1.5/Rt0.5均＞1.13，Rt2.0/Rt1.0均＞1.06。各项强度指标满足标准要求，各项性能指标呈正态分布。结合新开发的制管工艺，使批量生产的X80HD2抗大变形焊管具有良好的强度、大的均匀伸长率和应力比等优点。关键词：管线钢；X80HD2；厚规格；大应变；双相组织；韧性

1　前　言

为了保证油气管道设计施工的顺利进行和应用管道的安全性、完整性，需要基于应变设计地区用管线钢板。该类钢管不但环向需要正常承压，轴向还要承受因地面变形等引起的拉伸、压缩、弯曲和变形的应力，需要保证在一定的轴向变形下管道的完整性。因此，所用的钢板除拥有一般管线钢的力学性能外，还要具备纵向拉伸的低屈强比、高均匀伸长率及高应力比，以实现较高的变形容量抵抗纵向屈曲，保证钢管不被破坏。基于应变设计地区用管线钢板不仅能有效地解决新建管道通过地面变形地段的建设难题，而且能为已建管道的完整性提供保障。

重大偏远地带工程对基于应变设计地区用管线钢具有大量的需求，济钢以此为契机，开展基于应变设计地区用X80HD2管线钢的开发，生产的大应变X80HD2管线钢板化学成分、机械性能稳定，屈强比低，均匀伸长率和应力比高，具有良好的成型性能、焊接性能、低温韧性和抗大变形能力，安全性能和现场适用性高，完全满足相关技术条件要求。

2　管线钢板的研制及生产

2.1生产工艺路线

根据钢板的技术要求，结合钢厂的装备条件，对钢板的生产工艺路线进行了设计。X80HD2管线钢生产工艺路线为：高炉铁水→KR铁水预处理→顶底复吹转炉→LF精炼炉外精炼→RH脱气→连铸→铸坯缓冷→检查精整→板坯加热炉外精炼→除鳞→粗轧→冷却待温→精轧→弛豫→预矫直→冷却矫直→缓冷。

为保证钢板低温韧性，轧制工艺设计粗轧阶段的开轧温度＜1 050℃，采用较厚的中间坯；精轧温度＜900℃，终轧温度确保在Ar3相变温度以上，并兼顾轧制过程中的板形的控制。开冷温度满足铁素体+贝氏体双相设计要求，开冷温度控制在奥氏体和铁素体两相区域。

2.2成分设计

基于应变设计地区用X80HD2管线钢管要求强度高、低温韧性好，还要具有低的屈强比、高的均匀伸长率，同时还要满足现场的焊接要求。因此，以低C高锰为基础，添加Nb、Cr、Ni、Ti、Cu等合金进行合金体系设计，通过析出强化、位错强化、固溶强化和沉淀强化并结合两阶段轧制和ACC多路径层流冷却工艺来保证钢板的强度和高韧性，借助钢板的超细化组织和相比例控制及软硬相间的协同作用保证钢板的抗变形性能。采用洁净钢冶金技术、优化的轧制工艺控制材料的组织，以达到X80HD2宽厚钢板高强度和良好韧性的合理匹配。试制钢板的化学成分见表1（炉号4801860）。

表1　试制X80HD2管线钢板化学成分（质量分数）%

钢板在低C高Mn加Nb、Cr、Mo、Ni等复合微合金的低成本成分设计基础上，采用相对低廉的Cr替代昂贵金属Mo以节约成本，具有较低的碳当量（Ceq=0.42%）和冷裂纹敏感指数（Pcm=0.18%），并结合超细晶粒控制工艺技术、多相组织控制技术，配合多冷却路径的TMCP生产工艺，解决了高强度钢的强度、韧性、塑性、焊接性能的兼容性难题。

3　钢板质量分析

3.1低倍检验

连铸过程控制稳定，铸坯内在质量良好，中心偏析控制在C类1.5以内，中心疏松控制在0.5级以内，无中心裂纹。良好的铸坯质量为后期钢板的优异性能奠定了基础，连铸坯（炉号4801860）横切面低倍硫印组织如图1所示。

3.2金相组织

X80HD2管线钢典型的金相组织如图2所示，钢板组织为明显的铁素体加贝氏体双相组织；铁素体含量约40%～55%，贝氏体组织含量45%～60%。晶粒尺寸细小，多数晶粒尺寸＜3 μm（见图3），晶界多为大角度晶界（见图4）。

图1　X80HD2连铸坯横切面低倍酸洗组织

图2　X80HD2钢板典型金相组织（炉号14S8-01861，批号14T-036669）

图3　X80HD2钢板晶粒尺寸统计

图4　X80HD2钢板晶界分布统计

3.3力学性能

图5为X80HD2钢板性能直方图，可以看出，钢板性能整体控制良好，横向屈服强度470～568 MPa，平均508 MPa，抗拉强度660～760 MPa，平均700 MPa，屈强比0.65～0.79，平均0.73；纵向屈服强度455～540 MPa，平均495 MPa，抗拉强度660～727 MPa，平均691 MPa，屈强比0.64～0.77，平均值0.71；应力比指标Rt1.5/Rt0.5均＞1.13，Rt2.0/Rt1.0均＞1.06。各项强度指标满足标准要求，各项性能指标呈正态分布，钢板各性能指标控制比较稳定。

3.4钢板韧性

图6是X80HD2管线钢在-20℃夏比冲击性能，图7是-15℃DWTT性能指标，可以看出，钢板夏比冲击功最大452 J，最小210 J，平均320 J，冲击试样冲击剪切面积最大值、最小值和平均值均为100%；落锤剪切面积最小值85%，最大值95%，平均值90%。X80HD2管线钢钢板各项韧性性能稳定，满足标准要求。

随着温度的降低，钢板的纵横向冲击韧性均下降，但即使降到-100℃，平均冲击功仍然保持了较高水平；钢板横纵向纤维断面率在-60℃仍然保持在95%以上（见图8）。X80HD2钢板试样冲击断口形貌见图9，落锤断口形貌见图10。

由图10可以看出，随温度降低，落锤性能降低，但在-20℃时落锤剪切面积仍然在85%以上，该断裂主要以韧性断裂为主，直到-40℃时落锤剪切面积才开始明显恶化，说明材料有很好的低温韧性。

4　X8OHD2管线钢管的性能分析

4.1时效前钢管性能

4.1.1横向拉伸性能

对其中30支钢管取横向圆棒试样进行了抽检，钢管横向屈服强度557～638 MPa，平均591 MPa；横向抗拉强度672～747 MPa，平均706 MPa，伸长率24%～31%，平均28%，屈强比0.80～0.91，平均0.84，横向拉伸性能统计见图11。

4.1.2纵向拉伸性能

管体纵向拉伸试样取自管体与焊缝成90°方向，试样宽度为38.1 mm，标距为50 mm，试验按ASTM A370标准要求进行。钢管均匀伸长率（UEL）为7.3%～10.7%，平均9.1%；Rt1.5/Rt0.5为1.101～1.214，平均1.143；屈服强度为510～587 MPa，平均546 MPa。性能统计见图12。

图5　X80HD2钢板性能直方图

图6　X80HD2钢板-20℃冲击功分布

图7　X80HD2钢板-15℃落锤性能分布

图8　钢板冲击功和剪切面积随温度的变化

图9　X80HD2钢板试样冲击剪切面积形貌

图10　X80HD2钢板试样DWTT系列温度断口形貌

图11　X80HD2钢管时效前横向拉伸性能

4.2时效后钢管性能

4.2.1纵向拉伸性能

母材在（200±5）℃下时效后取样进行板状纵向拉伸试验。均匀伸长率（UEL）为6.5%～9.2%，平均7.8%；屈服强度533～625 MPa，平均574 MPa；Rt1.5/Rt0.5为1.070～1.167，平均为1.100；Rt2.0/Rt1.0为1.044～1.086，平均为1.057。各项指标富余量合理，钢管时效后的纵向拉伸性能统计情况见图13。

图12　X80HD2钢管时效前纵向拉伸性能分布

图13　X80HD2钢管时效后纵向拉伸性能分布

4.2.2钢管韧性

钢管试样分别在20℃、0℃、-5、-10、-20、-40℃系列温度下进行DWTT试验，-40℃落锤撕裂面积：纵向可达到90%～95%，横向可达到65%～80%。钢管母材具有优良的低温韧性。系列温度下的落锤撕裂面积数据及曲线如图14所示。

图14　X80HD2钢管系列温度落锤试验

5　与国内外同类产品比较

济钢生产的X80HD2钢和日本JFE公司生产的板管主要性能对比见表2［1］。可看出，济钢X80HD2管线钢横向拉伸性能强度稍低，屈服强度比JFE产品低35 MPa左右，屈强比相近；时效前钢管纵向屈服强度低40 MPa左右，屈强比、应力比、均匀伸长率（UEL）优于JFE，时效后，屈服强度低40 MPa左右，屈强比、应力比优于JFE产品，UEL相近；母材夏比冲击韧性制管后JFE产品平均245 J，济钢平均282 J，济钢产品高约40 J。与采用JFE钢板所制钢管对比，济钢X80HD2管线钢管横向及纵向强度略低，屈强比、应力比、均匀伸长率、冲击韧性等均优于或接近JFE钢板。

表2　济钢生产的X80HD2和JFE生产板管主要性能对比

6　结　论

6.1济钢研发的X80HD2钢管线钢板化学成分、机械性能稳定，完全符合标准要求，屈强比低、均匀伸长率和应力比高，具有良好的成型性能、焊接性能和抗大变形能力。

6.2济钢批量生产的大应变X80HD2管线钢板经制管，符合中亚D线天然气管道工程基于应变设计地区用X80级管线钢相关标准的要求，符合西气东输三线天然气管道工程基于应变设计地区用X80级管线钢相关标准的要求。

6.3济钢已完全掌握了大应变X80HD2管线钢板的生产工艺技术，具备批量生产供货26.4 mm厚及以下规格基于应变设计地区天然气管道工程用大应变X80HD2管线钢板的能力。

参考文献：

［1］陈妍，毛艳丽.日本高强度管线钢的生产概述［J］.焊管，2009，32（3）：12-13.

Development of 26.4 mm Thick Specification X80HD2 Pipeline Steel

LIU Zhigang
（The Technology Center of Jinan Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstrraacctt:: Based on low C and high manganese content, Nb, Cr, Cu, Ni, Ti and other Alloying elements were added for design the alloy system. Using clean steel metallurgy technology alloy system, strengthening and combining with the two stage rolling and ACC multi path laminar cooling process to ensure the strength and toughness, the X80HD2 steel plate with the large strain was developed. The transverse yield strength of the steel plate with ferrite + bainite dual phase structure is 470-568 MPa, the transverse tensile strength is 660-760 MPa and the Rt0.5/Rmis 0.65-0.79. The longitudinal yield strength of the plate is 455-540 MPa, the longitudinal tensile strength is 660-727 MPa and the Rt0.5/Rmis 0.64-0.77, the Rt1.5/Rt0.5is more than 1.13 and the Rt2.0/Rt1.0is more than 1.06. All the intensity indexes meet the requirements of the Standard and the performance indexes show a normal distribution. Combing with the newly developed pipe manufacture process, the X80HD2 welding pipe with anti deformation property put into mass production have good strength and large uniform elongation and stress ratio.

Key worrddss:: pipeline steel; X80HD2; thick specification; large strain; double phase structure; toughness

作者简介：刘志刚，男，1981年生，2005年毕业于东北大学材料成型与控制工程专业。现为山钢股份济南分公司技术中心管线钢推进部部长，从事管线钢研究及开发工作。

收稿日期：2015-10-21

中图分类号：TG142.41；TF762

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2015）06-0009-05