微合金化在正火态管线用无缝钢管中的应用

徐永康，刘耀恒

（1. 中国石油塔里木油田分公司物资采办事业部，新疆 库尔勒 841000；

2. 宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

集输管线在油气田日常的开采作业中有重要的作用，按其使用环境可分为陆上集输管线管和海底集输管线管两类，所用的管材按制造方式也可分为无缝钢管和焊接钢管。其中，管线用无缝钢管根据交货状态可分为N 系列（控轧态或正火态交货）及Q系列（调质态交货）。N 系列产品具有生产流程相对简单，焊接区域组织性能较母材差异小等优点，通常在X60 及以下钢级中大多采用N 系列产品。

在钢中，质量分数约低于0.1%，但对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金元素，称为微合金元素；Nb、V、Ti 是钢中最为重要的微合金元素。在钢中添加微量的Nb、V、Ti，可保证钢在碳当量较低的情况下，通过其碳、氮化物质点（尺寸小于5 nm）的弥散析出及Nb、V、Ti 的固溶，细化晶粒，极大地提高钢的强度和韧性，使钢具有良好的力学性能及可焊性。因此，微合金化的应用对钢的品种开发，生产高质量、高附加值产品（如船板、管线钢）等有重要作用［1-2］。同时，由于无缝钢管的轧管过程与板材成型过程差异较大，因此其钢种设计及工艺与板材存在较大差异，本文将对微合金化在N 系列正火态管线用无缝钢管产品上的应用进行研究。

1 化学成分要求

目前，国际上关于管线用无缝钢管最为通用的标准为API Spec 5L—2012《管线钢管规范》，其对典型钢级（X52N）正火态交货管线用无缝钢管的化学成分、力学性能要求见表1~2［3］。

表1 X52N 钢级正火态管线用无缝钢管的化学成分要求（质量分数） %

表2 X52N 钢级正火态管线用无缝钢管的力学性能要求

2 试验方法

2.1 钢种设计

采用50 kg 真空炉冶炼钢坯，以C-Mn 钢为基础，在标准范围内，选取含有不同微合金元素的钢种，以考察不同微合金化对其性能的影响。不同微合金元素钢种的化学成分设计见表3。

表3 不同微合金元素钢种的化学成分（质量分数） %

2.2 试验工艺

试验钢种采用50 kg 真空感应炉冶炼，锻造成120 mm 厚方锭后，采用模拟钢管穿孔—连轧—定径3 道次变形的热轧工艺，轧成20 mm 厚板坯，将板坯分段后，进行正火热处理，并对轧态及正火态的性能进行检测。

2.3 性能检验

拉伸性能按照GB/T 228—2010《金属材料 拉伸试验》标准进行检测，采用圆棒拉伸试样。冲击性能按照GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准进行检测，采用10 mm×10 mm×55 mm尺寸V 型缺口试样，检测温度0 ℃。

3 试验结果与分析

3.1 微合金元素对性能及组织影响分析

N1~N6 正火态钢的力学性能见表4，金相组织如图1 所示，N4 正火态钢中析出质点分析如图2所示。

从图1~2 可以看出：在N1、N2、N3、N4 正火态钢碳当量近似的情况下，与未加入微合金元素的钢（N1）相比，加入微合金元素的钢（N2、N3、N4）的强度明显较高，晶粒明显变细，晶粒度高1~2级。这是因为微合金元素Nb、V、Ti 均为强碳化物形成元素，它们的碳、氮化物通常以弥散的质点形式分布在钢中，在加热时能对奥氏体晶界起固定作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，从而起到细化晶粒的作用［1，4-6］。同时，其碳、氮化物的析出起到沉淀强化的效果。利用透射电镜（TEM）及能量过滤成像等手段对N4 钢中的析出质点进行分析，发现其主要是V（C，N）以及TiN 颗粒，如图2 所示。

表4 N1~N6 正火态钢的力学性能

图1 N1~N6 正火态钢的金相组织

N2、N3 轧态钢的金相组织如图3 所示。从图3 可以看出：N3 轧态钢的轧态晶粒明显比N2 轧态钢的更细小。这是因为N3 轧态钢中添加了Nb 元素，Nb 元素通常在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比Fe 原子尺寸大，易在位错线上偏聚，可对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，因而对轧制过程中的奥氏体形变再结晶具有强烈的阻止作用，从而抑制晶粒的长大［7-8］。

与N3 正火态钢相比，N4 正火态钢的强度及冲击韧性均有一定降低。这是因为Ti 与N 的亲和力较V 更强，钢中的N 优先与Ti 结合，Ti 与N 的理想化学配比为3.42，按理想状态计算N4 正火态钢中仅Ti 就可以固定约41×10-6的氮原子，与钒结合的氮原子已所剩无几，氮与钛的优先结合影响了钒的析出强化效果。同时，在N4 正火钢的微观组织中发现了少量颗粒较大（50~80 nm）的TiN 颗粒，如图4 所示。在钢受到应力作用时，TiN 大颗粒存在位置易成为应力集中点，从而引起钢的冲击韧性尤其是低温冲击韧性的下降［9-10］。文献［11］研究了非调质钢中加钛脱氧后钢液中夹杂物形貌、组成和尺寸分布等，认为对炼钢过程钢液温度及凝固过程的控制，可有效减少TiN 大颗粒的生成，从而避免钢的冲击韧性特别是低温冲击韧性下降。

图2 N4 正火态钢中析出质点分析

图3 N2、N3 轧态钢的金相组织

图4 N4 正火态钢金相组织中的TiN 颗粒

3.2 C、N 元素对微合金化作用分析

从N3、N5、N6 正火态钢的力学性能（表1）可以看出：N 含量增加，可明显提升钢的强度；与N3 正火态钢相比，N5 正火态钢的成分体系中增加了0.010%的氮含量，使得其屈服强度约提高80 MPa，这与文献［12］的研究结果是比较接近的。从N3、N5、N6 正火态钢的金相组织（图1c、e、f）可以看出：N5 正火态钢的晶粒较N3 正火态钢更为细小，晶粒内点状析出物也明显更多，这说明增加氮元素后促进了V（C、N）的弥散析出，同时提高了细晶强化和析出强化的效果［13］。

N6 正火态钢采用低C 高Mn 的方式设计，在与N3、N5 正火态钢碳当量相当的情况下，N6 正火态钢的强度较N3 正火态钢低，而冲击韧性明显提高。从金相组织来看，N6 正火态钢较N3 正火态钢组织中的珠光体含量明显减少，组织内点状析出物较少，这说明碳含量的减少除了可减少珠光体含量外，还有抑制钒的析出强化效果。研究表明，碳含量的降低有利于钢韧性的提高，主要原因是减小了晶格畸变和珠光体含量［5，10］。

4 大生产试验情况

根据上述研究结果，采用C-Mn-V-（N）微合金化设计以及低C 高Mn 设计，分别生产了1 炉X60N 钢级及1 炉A 333-6 低温管线用无缝钢管，其化学成分（质量分数）及性能见表5~6。

从表5 可以看出：生产的钢管达到了相关标准要求，其强韧性匹配良好。

表5 X60N 钢级及A 333-6 低温管线用无缝钢管的化学成分（质量分数）

5 结 论

（1） 微合金元素V、Nb、Ti 的加入，可以有效细化晶粒和产生析出强化效果，其中V 的析出强化效果最为明显，Nb 对轧态组织的细化效果最佳，Ti 由于容易形成大颗粒析出物，对冲击韧性有可能产生影响。

（2） 提高氮元素含量可有效提高V 的析出强化和细晶强化效果，降低碳含量可有效提高冲击韧性，但同等碳当量下强度会有一定程度的降低。

（3） 采用微合金化钢种生产正火态管线用无缝钢管，相比添加其他合金元素，有强韧性较高、碳当量较低、焊接区域性能更佳等优点。

［1］ 韩孝永. 铌、钒、钛在微合金钢中的作用［J］. 宽厚板，2006，12（1）：39-41.

［2］ Lagneborg R，Siwecki T，Zajac S，et al. The role of vanadium in microalloyed steels［J］. Scandinavian Journal of Metallurgy，1999，28（5）：186-241.

［3］ American Petroleum Institute. API Spec 5L—2012 Specification for line pipe［S］. 2012.

［4］ Fawakhry A El. 钒钛微合金钢的析出特征［J］. 钢铁钒钛，1999，13（3）：66-70，51.

［5］ 董荐瑞. 微合金非调质钢［M］. 北京：冶金工业出版社，2000.

［6］ 王淑华，荆海鸥，邢琳. 晶内铁素体型微合金非调质钢的显微组织和力学性能［J］. 机械工程材料，2008，32（12）：44-46，54.

［7］ Sage A M. Effect of vanadium，nitrogen and aluminium on the mechanical properties of reinforcing bar steels［J］.Metals Technology，1976（2）：65-70.

［8］ Zajac S，Lagneborg R，Siwechi T. The role of nitrogen in microalloyed steels［C］//Proc. Int. conf. Microalloying’95，1995：321-340.

［9］ 蒋克，陶佑卿. 微合金碳氮化物形貌、结构及化学组成的研究［J］. 钢铁研究，1990（1）：43-47.

［10］ 张永权，杨才福，柳书平. 经济型建筑用Ⅲ级钢筋的研究［J］. 钢铁，2000，35（1）：43-46.

［11］ 宋波，毛璟红，王福明，等. 非调质钢中钛脱氧产物析出行为［J］.北京科技大学学报，2006，28（3）：242-247.

［12］ 杨才福，张永权. 钒氮微合金化技术在HSLA钢中的应用［J］钢铁，2002，37（11）：42-47.

［13］ Glodowski R J，Korchynsky M，Baner ji S K. Physical metallurgy applications and enhanced machinability of microllyoed V-Ti-N forging steels［C］//SAE Internationa Congress and Exposition，1998.

［14］ ASTM A 333/A 333M—2004a Standard specification for seamless and welded steel pipe for Low-temperature service［S］.2004.