X90級管件用厚鋼板的開發(fā)與實踐
1概述
為進一步降低管道建設成本，國內(nèi)率先啟動第三代管線鋼X90/X100鋼級管道的研發(fā)，相應的也啟動了X90鋼級管件的開發(fā)。西氣東輸四線擬采用φ1422mm目前世界最大的管徑，按照計算，其采用的管件厚度將超過70mm，這將給鋼鐵工業(yè)裝備帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，目前一種比較可靠的技術(shù)方案是將管件鋼級提升到X90鋼級，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。當前長輸管道用管件最高鋼級為X80鋼級[2-4]，因此必須突破目前國內(nèi)及國際管件標準的最高強度級別限制，進行更高鋼級管件的研發(fā)與試制。根據(jù)第三代管線鋼X90鋼級管件的需求，江陰興澄特種鋼鐵有限公司（以下簡稱興澄特鋼）于2012年在國內(nèi)外首次成功開發(fā)出第三代管線X90管件用鋼。
2成分設計
根據(jù)需求，X90鋼級管件最厚規(guī)格為53mm，最終管件性能以調(diào)質(zhì)狀態(tài)進行檢測，為保證管件滿足高強度高韌性要求，同時需與直縫管道具有很好的焊接匹配性，所采用的成分設計思路是采用較低的C含量，同時采用微合金化成分體系，必要時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工藝進行。主要的生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預處理→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。鋼板在軋制時采用兩階段控制軋制并結(jié)合控制冷卻的TMCP工藝，嚴格控制各工藝參數(shù)，在生產(chǎn)過程中控制好板形，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)格達到53mm。
4顯微組織及力學性能
采用上述的成分設計及生產(chǎn)工藝，在興澄特鋼4300mm厚板生產(chǎn)線進行了36-53mm厚X90/X100管件用特厚鋼板的試制。并對鋼板的顯微組織、力學性能進行了分析，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。同時鋼板表面晶粒細小，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標準對晶粒度進行檢測，晶粒度均達到10級以上。表2是鋼板心部及板厚1/4處等不同厚度處性能檢測，檢驗結(jié)果表明經(jīng)TMCP工藝軋制后，雖然鋼板厚度達到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，需要在試驗時對鋼板進行不同工藝下的調(diào)質(zhì)熱處理工藝研究。試驗時分別采用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，回火時保溫系數(shù)為5.0min/mm。試驗在NCPE-415爐內(nèi)進行。
觀察不同熱處理后的顯微組織照片以及所獲得的力學性能可知，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要大，同時也注意到，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。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，同時碳化物析出增多，且開始粗化，雖然強度變化不大，但是沖擊韌性則呈下降趨勢。
6管件的試制
采用試制的鋼板，在熱處理試驗研究的基礎上，進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，隨后對管件進行調(diào)質(zhì)處理以獲得所需的強度韌性配合，淬火溫度為950℃，保溫1小時20分鐘后再采用循環(huán)水淬火，回火溫度為590℃，保溫時間為150min。
分別在三通管件的支管、管肩、主管、焊縫等部位進行取樣，并依據(jù)ASTM A370《鋼鐵產(chǎn)品力學性能試驗方法和定義》標準對管件進行取樣、制樣并進行力學性能檢測，結(jié)果見表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度高低溫韌性配合。
7結(jié)論
1）采用低碳微合金化成分設計+TMCP工藝國內(nèi)外首次軋制厚度達到53mm厚X90鋼級超高強度管件用鋼板，經(jīng)檢測鋼板具有低碳當量，且組織細小均勻。
2）采用兩種不同的淬火溫度及三種不同的回火溫度對鋼板進行了調(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)異的強韌性匹配
3）采用試制的鋼板和推薦的熱處理工藝進行管件制造，制造的管件各項性能完全滿足X90鋼級管件性能要求，且-30℃沖擊功達到250J以上，適用于高強度、高壓、高韌性厚壁天然氣輸送管道建設。