X90級(jí)管件用厚鋼板的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐
1概述
為進(jìn)一步降低管道建設(shè)成本，國(guó)內(nèi)率先啟動(dòng)第三代管線鋼X90/X100鋼級(jí)管道的研發(fā)，相應(yīng)的也啟動(dòng)了X90鋼級(jí)管件的開(kāi)發(fā)。西氣東輸四線擬采用φ1422mm目前世界最大的管徑，按照計(jì)算，其采用的管件厚度將超過(guò)70mm，這將給鋼鐵工業(yè)裝備帶來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)，目前一種比較可靠的技術(shù)方案是將管件鋼級(jí)提升到X90鋼級(jí)，這樣可將管件厚度控制在56mm厚左右，這在目前鋼鐵技術(shù)裝備下是可行的。當(dāng)前長(zhǎng)輸管道用管件最高鋼級(jí)為X80鋼級(jí)[2-4]，因此必須突破目前國(guó)內(nèi)及國(guó)際管件標(biāo)準(zhǔn)的最高強(qiáng)度級(jí)別限制，進(jìn)行更高鋼級(jí)管件的研發(fā)與試制。根據(jù)第三代管線鋼X90鋼級(jí)管件的需求，江陰興澄特種鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)興澄特鋼）于2012年在國(guó)內(nèi)外首次成功開(kāi)發(fā)出第三代管線X90管件用鋼。
2成分設(shè)計(jì)
根據(jù)需求，X90鋼級(jí)管件最厚規(guī)格為53mm，最終管件性能以調(diào)質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，為保證管件滿足高強(qiáng)度高韌性要求，同時(shí)需與直縫管道具有很好的焊接匹配性，所采用的成分設(shè)計(jì)思路是采用較低的C含量，同時(shí)采用微合金化成分體系，必要時(shí)在鋼中采用適量的其他合金，具體成分如表1所示：
3生產(chǎn)工藝
為滿足X90/X100高強(qiáng)度高韌性以及良好可焊性要求，采用低碳微合金化成分，并結(jié)合TMCP工藝進(jìn)行。主要的生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→連鑄→TMCP→精整。冶煉上采用精煉工藝，并進(jìn)行微Ca處理，連鑄是采用輕壓下工藝以減輕鑄坯偏析，為最終獲得高韌性管件提供保障。鋼板在軋制時(shí)采用兩階段控制軋制并結(jié)合控制冷卻的TMCP工藝，嚴(yán)格控制各工藝參數(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中控制好板形，生產(chǎn)出具有組織均勻及良好焊接性管件用厚鋼板，最厚規(guī)格達(dá)到53mm。
4顯微組織及力學(xué)性能
采用上述的成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝，在興澄特鋼4300mm厚板生產(chǎn)線進(jìn)行了36-53mm厚X90/X100管件用特厚鋼板的試制。并對(duì)鋼板的顯微組織、力學(xué)性能進(jìn)行了分析，觀察試制鋼板53mm厚鋼板不同厚度位置的顯微組織照片，經(jīng)軋制+加速冷卻后得到的鋼板組織均為針狀鐵素體+粒狀貝氏體。同時(shí)鋼板表面晶粒細(xì)小，鋼板心部與板厚1/4處相比晶粒大小及組織變化不明顯，采用ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶粒度進(jìn)行檢測(cè)，晶粒度均達(dá)到10級(jí)以上。表2是鋼板心部及板厚1/4處等不同厚度處性能檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)TMCP工藝軋制后，雖然鋼板厚度達(dá)到53mm厚，但鋼板沿厚度方向性能變化不明顯，從而保證了厚度方向性能相對(duì)穩(wěn)定性，尤其值得一提的是鋼板心部-30℃夏比沖擊功接近200J，表明鋼板在高強(qiáng)度情況下還具有很高的沖擊韌性。
5熱處理工藝研究
考慮到管件制造的工藝特性，因此最終管件的性能是指調(diào)質(zhì)后成品的性能要求，為了解最終成品熱處理后性能，需要在試驗(yàn)時(shí)對(duì)鋼板進(jìn)行不同工藝下的調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究。試驗(yàn)時(shí)分別采用950℃和910℃淬火溫度，淬火介質(zhì)為水，淬火完成后立即進(jìn)行回火處理，回火溫度分別為550℃、590℃、650℃三種不同的回火工藝，回火時(shí)保溫系數(shù)為5.0min/mm。試驗(yàn)在NCPE-415爐內(nèi)進(jìn)行。
觀察不同熱處理后的顯微組織照片以及所獲得的力學(xué)性能可知，650℃回火溫度下，不同淬火溫度條件下的鐵素體晶粒大小有異，其中950℃淬火溫度下的鐵素體晶粒相對(duì)要大，同時(shí)也注意到，低溫回火后的顯微組織還具有一定的板條束特征。這是由于試驗(yàn)坯料內(nèi)合金固溶充分，材料的淬透性更好，回火后的顯微組織具有明顯的板條束特點(diǎn)。隨著回火溫度的升高，板條束變得較模糊，在590℃回火溫度下還保留著少許板條束，但在650℃回火溫度下，板條束基本上消失，鋼中碳化物析出逐漸增多，因此獲得更高的強(qiáng)度和高的低溫韌性。隨著回火溫度的繼續(xù)升高，板條束變得較模糊，同時(shí)碳化物析出增多，且開(kāi)始粗化，雖然強(qiáng)度變化不大，但是沖擊韌性則呈下降趨勢(shì)。
6管件的試制
采用試制的鋼板，在熱處理試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了厚壁等徑三通管件的試制。經(jīng)焊接成直筒坯料，在經(jīng)起包、壓扁、切口、再到拔制等工序，制成等徑三通管件，隨后對(duì)管件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以獲得所需的強(qiáng)度韌性配合，淬火溫度為950℃，保溫1小時(shí)20分鐘后再采用循環(huán)水淬火，回火溫度為590℃，保溫時(shí)間為150min。
分別在三通管件的支管、管肩、主管、焊縫等部位進(jìn)行取樣，并依據(jù)ASTM A370《鋼鐵產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管件進(jìn)行取樣、制樣并進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3所示：結(jié)果表明，經(jīng)成型及熱處理后，管件各部位均獲得很高的強(qiáng)度和低溫韌性配合，滿足X90管件技術(shù)要求，尤其值得一提的是，-30℃溫度下的管體沖擊功均大于250J。表明該管件具有高強(qiáng)度高低溫韌性配合。
7結(jié)論
1）采用低碳微合金化成分設(shè)計(jì)+TMCP工藝國(guó)內(nèi)外首次軋制厚度達(dá)到53mm厚X90鋼級(jí)超高強(qiáng)度管件用鋼板，經(jīng)檢測(cè)鋼板具有低碳當(dāng)量，且組織細(xì)小均勻。
2）采用兩種不同的淬火溫度及三種不同的回火溫度對(duì)鋼板進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，結(jié)果表明，采用950℃淬火+590℃回火熱處理組合獲得優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配
3）采用試制的鋼板和推薦的熱處理工藝進(jìn)行管件制造，制造的管件各項(xiàng)性能完全滿足X90鋼級(jí)管件性能要求，且-30℃沖擊功達(dá)到250J以上，適用于高強(qiáng)度、高壓、高韌性厚壁天然氣輸送管道建設(shè)。