低温管线钢DWTT 性能影响因素研究

孙磊磊， 屈献永， 郑 磊

（宝山钢铁股份有限公司 中央研究院， 上海201900）

0 前 言

随着全球能源消耗加剧， 石油天然气能源的开采已经向极地、 冻土、 深海、 荒漠等环境恶劣区域延伸， 因此， 油气长输管道工程对管线钢管提出了更高的要求， 例如低温、 大应变、 厚壁、高强度等[1-4]。

据美国地质调查局研究， 北极地区可能蕴含地球上剩余的30%天然气和13%石油储备[5-7]，对未来能源开发极具吸引力。 目前， 阿拉斯加、 加拿大北部、 格陵兰岛、 挪威和俄罗斯部分的巴伦支海区域以及俄罗斯西部等地区的能源开发活动正在日益增加， 将成为未来管道建设的热点地区。 这些区域的地面外输管线和海洋立管管线暴露在外界环境中， 承受极低的服役温度， 对这些管线钢管提出了非常严苛的低温韧性要求[8-9]， 少数工程的设计试验温度甚至低至-45 ℃。 落锤撕裂试验 （DWTT） 作为检验管线钢低温抗动态撕裂性能的关键指标， 满足该指标是制造低温服役管线钢管的重要技术难点， 当管线钢厚度增加时， 满足低温DWTT 性能的难度会显著增加。 近年来， 研究人员针对成分、 工艺、 组织类型对管线钢DWTT 性能的影响进行了诸多研究[10-13]， 但对-45 ℃及以下极低温的DWTT 性能研究较少。

本研究在实验室冶炼、 轧制条件下研究了化学成分、 卷取温度、 冷却速度等因素对管线钢热轧板卷低温DWTT 性能的影响， 通过成分和工艺的匹配， 合理控制显微组织， 获得了均匀、 细化的高韧性铁素体和针状铁素体组织， 并基于研究成果开发了Φ508 mm×11.13 mm 的-45 ℃超低温服役X56 钢级HFW 管线钢管。

1 试验方法

试验设计了5 种管线钢的成分， 主要化学成分见表1。 表1 中， 1#和2#成分w（C）=0.065%， 前者含Mo， 后者含Mo+Ni； 3#～5#成分w（C）=0.042%，3#成分含Mo， 4#成分含Mo+Ni， 5#成分含Cr+Ni。

利用实验室500 kg 真空中频感应炉冶炼以上5 种成分的试验钢， 浇铸成锭， 进行轧制试验， 轧钢坯料厚度为250 mm， 轧制成15 mm 厚的钢板， 工艺设计参数见表2。 对轧制的试验钢进行显微组织和DWTT 性能分析， 研究成分和工艺的影响， 其中， 1A、 2A、 3A、 4A、 5A 用于对比成分的影响； 1A、 1B、 2A、 2B 用于对比w（C）=0.065%试验钢卷取温度的影响； 3A、 3B、4A、 4B 用于对比w（C）=0.042%试验钢卷取温度的影响； 1B、 1C、 2B、 2C 用于对比冷却速度的影响。

表1 设计的5 种管线钢主要化学成分

表2 试验钢轧制工艺参数

2 试验结果及讨论

2.1 化学成分对DWTT 性能的影响

图1 为卷取温度为530 ℃时5 种试验钢的金相组织。 图1 中w（C）=0.065%的1A 和2A 试验钢的组织中基本不含多边形铁素体， 1A 成分中添加Mo， 组织中含有晶粒尺寸较大的准多边形铁素体； 2A 成分中添加Mo 和Ni， 准多边形铁素体有所减少和细化。 w（C）=0.042%的3A 试验钢添加Mo 元素， 组织以粒状贝氏体为主， 多边形铁素体含量较少； 4A 试验钢同时添加Mo和Ni， 组织以细小的多边形铁素体为主； 5A 试验钢添加了Cr 和Ni， 组织为多边形铁素体和少量珠光体， 说明Cr 元素抑制珠光体析出的效果弱于Mo 元素。

图1 卷取温度为530 ℃时5 种试验钢的金相组织

图2 为卷取温度为530 ℃时5 种试验钢的系列温度DWTT 转变曲线。 图2 中w（C）=0.065%试验钢的DWTT 性能整体上低于w（C）=0.042%的试验钢， 而添加了Ni 元素的2A 优于未加Ni 的1A 钢。w（C）=0.042%成分体系中， 同时添加Mo 和Ni 元素的4A 试验钢的DWTT 性能最优， 添加Cr 和Ni 的5A 试验钢次之， 未加Ni 元素的3A 试验钢的DWTT 性能最低。

图2 卷取温度为530 ℃时5 种试验钢的系列温度DWTT 转变曲线

结合金相组织和DWTT 性能分析可见， w（C）=0.065%、 不含Ni 成分的试验钢形成了尺寸较大的准多边形铁素体， 且不含多边形铁素体， 表现出了最低的DWTT 性能； 添加Ni 元素减少了准多边形铁素体的含量， 提高了DWTT 性能。 在w（C）=0.042%成分体系中， 含Mo 不含Ni 的成分多边形铁素体含量较少， DWTT 性能最低； 添加Ni元素后， 组织以多边形铁素体为主， 表现出了最佳的DWTT 性能； 而添加Cr 和Ni 的试验钢由于Cr 元素抑制珠光体的效果弱于Mo， 导致其DWTT 性能低于添加Mo 和Ni 的试验钢。

2.2 卷取温度对DWTT 性能的影响

图3 为w（C）=0.065%成分体系中不同卷取温度试验钢的金相组织。 1A 和1B 为1#成分在卷取温度为530 ℃和450 ℃下的试验钢， 2A 和2B为2#成分在卷取温度为530 ℃和450 ℃下的试验钢。 由图3 可以看出， 随着卷取温度的降低，组织得到有效地细化， 准多边形铁素体被有效抑制， 形成了以多边形铁素体为主的组织。

图4 为w（C）=0.065%成分体系中不同卷取温度试验钢系列温度DWTT 转变曲线。 由图4 可以看出， DWTT 性能由高到低依次为2B、 1B、 2A、1A。 降低卷取温度有效提高了试验钢的DWTT 性能， 而且从1B 和2A 的对比可以看出， 低卷取温度、 不加Ni 的1B 试验钢DWTT 性能优于高卷取温度、 添加Ni 的2A 试验钢。 可见， 卷取温度的作用超过了添加Ni 元素的作用， 在同样卷取温度下， 添加Ni 元素可进一步提高DWTT 性能。

图3 w（C）=0.065%成分体系中不同卷取温度试验钢的金相组织

图4 w（C）=0.065%成分体系中不同卷取温度试验钢系列温度DWTT 转变曲线

图5 为w（C）=0.042%成分体系中不同卷取温度试验钢的金相组织。 3A、 3B 为3#成分在卷取温度为530 ℃和450 ℃下的试验钢， 4A、 4B 为4#成分在卷取温度为530 ℃和450 ℃下的试验钢。 由图5可以看出， 随着卷取温度降低， 试验钢组织类型基本未发生变化， 但晶粒尺寸得到了有效的细化。

图5 w（C）=0.042%成分体系中不同卷取温度试验钢的金相组织

图6 所示为w（C）=0.042%成分体系中不同卷取温度试验钢系列温度DWTT 转变曲线。 由图6可以看出， 其规律与w（C）=0.065%成分体系的结果一致， 低温卷取的3B、 4B 试验钢的DWTT 性能明显优于高温卷取的3A、 4A 试验钢， 同时， 低温卷取、 不加Ni 的3B 试验钢的DWTT 性能优于高温卷取、 添加Ni 的4A 试验钢， 再一次证明了降低卷取温度对DWTT 性能提升的作用比添加Ni 元素更显著。 另外， 4B试验钢的DWTT 断口85% FATT 韧脆转变温度低至-70 ℃。

图6 w（C）=0.042%成分体系中不同卷取温度试验钢系列温度DWTT 转变曲线

2.3 冷却速度对DWTT 性能的影响

图7 为w（C）=0.065%成分体系中不同冷却速度下试验钢的金相组织。 1B、 1C 为1#成分冷却速度分别为18 ℃/s （低冷速） 和28 ℃/s（高冷速） 下的试验钢， 2B、 2C 为2#成分冷却速度分别为18 ℃/s 和28 ℃/s 下的试验钢。由图7 可以看出， 冷却速度从18 ℃/s 提高到28 ℃/s， 试验钢的晶粒尺寸和碳化物尺寸均有明显的细化， 虽然多边形铁素体含量减少， 但形成的粒状贝氏体晶粒更加细小， 而且并未形成板条形态的低温贝氏体相变组织。 高冷速对组织的细化作用有利于提高管线钢的低温韧性， 其他文献也有类似报道[14-15]。

图8 为w（C）=0.065%成分体系中不同冷却速度下试验钢系列温度的DWTT 转变曲线。 由图8 可以看出， 随着冷却速度从18 ℃/s 提高到28 ℃/s， 试验钢的DWTT 性能均获得了有效提升， 其中， 含Ni、 冷速28 ℃/s 的试验钢2C 的DWTT 断口85% FATT 韧脆转变温度低至-60 ℃。

图7 w（C）=0.065%成分体系中不同冷却速度下试验钢的金相组织

图8 w（C）=0.065%成分体系中不同冷却速度下试验钢系列温度的DWTT 转变曲线

3 低温HFW 管线钢管工业试制

针对Φ508 mm×11.13 mm 规格-45 ℃低温服役X56 钢级HFW 管线钢管的市场需求， 以低碳、 含Mo+Ni 的4#成分为设计目标， 进行了工业试制。 热轧采用密集冷却和低温卷取工艺， 试制出了Φ508 mm×11.13 mm 低温HFW 管线钢管， 并供货1 000 余吨。

图9 为工业试制的Φ508 mm×11.13 mm 规格X56 钢级低温HFW 管线钢管的金相组织， 由图9 可以看出， 管体组织以细小的多边形铁素体和粒状贝氏体为主。 试制钢管的拉伸性能满足X56 钢级的要求， 统计数据如图10 所示。 图10中管体屈服强度均值为483 MPa、 抗拉强度均值为560 MPa， 焊缝抗拉强度均值为540 MPa。 图11 为试制钢管-45 ℃的管体横向DWTT 性能，断口剪切面积率均值达到97%， 最低值为95%，表现出了优异、 稳定的低温DWTT 性能。

图9 工业生产的X56 钢级低温HFW 管线钢管的金相组织

图10 工业生产的X56 钢级低温HFW 管线钢管拉伸性能

图11 工业生产的X56 钢级低温HFW 管线钢管DWTT 性能

4 结 论

（1） w（C）=0.042%成分试验钢的DWTT 性能显著优于w（C）=0.065%成分的试验钢； 添加Ni 元素能显著提高管线钢的DWTT 性能； 在w（C）=0.042%成分下， 添加Mo 和Ni 元素对珠光体的抑制作用优于添加Cr 和Ni， 可以获得更好的DWTT 性能。

（2） 卷取温度从530 ℃降低至450 ℃， 能有效细化两种碳含量成分试验钢的显微组织，DWTT 性能显著提升， 其提升效果比添加Ni元素更显著。 w（C）=0.042%、 添加Mo 和Ni 元素、 卷取温度450 ℃下试验钢的DWTT 断口85% FATT 的韧脆转变温度低至-70 ℃。

（3） 冷却速度从18 ℃/s 提高到28 ℃/s，w（C）=0.065%成分的试验钢形成了晶粒更加细小的粒状贝氏体组织， 且未出现板条形态的低温贝氏体， DWTT 性能获得明显提升。

（4） 采用研究结果， 选择合适的成分和工艺轧制板卷， 成功试制了Φ508 mm×11.13 mm规格X56 钢级低温服役HFW 管线钢管， 并表现出了优异、 稳定的-45 ℃DWTT 性能。