為了經濟地將石油和天然氣從遙遠的港口或油氣田輸送到使用地區，雖然提高輸送管道的壁厚可以提高輸送能力，但也會大幅提高輸送管道制作的成本，采用強度較高的薄規格低屈強比管線鋼X70輸送管道既經濟適用又能提高輸送效率，同時低屈強比管線鋼更能適應管線惡劣的外部環境，因而加速了薄規格低屈強比管線鋼X70的研制開發。

管線鋼微觀結構針狀鐵素體中析出的M/A島的含量、形狀、尺寸及分布等不僅影響對鋼材力學性能及DWTT值有著重要影響，同時影響管線鋼的屈強比，適當提高針狀鐵素體中M/A島的體積分數可以提高鋼材的強度。當其體積分數一定時，M/A島尺寸越大，鋼材強度越低。M/A島的體積分數和大小一定時，有尖角的M/A島則易產生應力集中而誘發裂紋，降低材料的強度和DWTT值。細小彌散分布的M/A島狀組織能阻礙位錯運動和疲勞裂紋擴展，不易因應力集中而誘發裂紋，并使其長度小于裂紋失穩擴展的臨界尺寸，可提高鋼材的強度和DWTT值，同時顯著降低屈強比[1-3]。

基于上述理論，均勻細小的M/A島在不損害薄規格X70韌性指標的同時，顯著提高抗拉強度，降低屈強比。熱軋機組的變形量及冷卻速度是影響M/A島關鍵性工藝。本溪鋼鐵集團公司（簡稱本鋼）根據2300 mm熱軋機組自身的特點確定了合理的變形量和冷卻速度，把厚度9.75 mm的薄規格管線鋼M/A島的數量、形狀、尺寸和分布控制在合理的范圍內，可以顯著降低薄規格管線鋼X70的屈強比（屈強比≤0.89）。

1.   材料成分及工藝路徑

1.1   合金化路線

厚度9.75 mm的薄規格管線鋼X70成分設計中不再采用傳統X70(w(C)<0.060%)管線鋼低碳設計，采用碳（w(C)<0.010%）、中錳含量、低硫（w(S)<0.0050%）、Nb-V-Ti合金化和鉬微合金化路線，其設計成分和實際成分如表1所示。

1.2   工藝路徑

生產厚度規格為9.75 mm的低屈強比（≤0.89）薄規格管線鋼X70的主要工藝路徑：

鐵水預處理→轉爐冶煉→精煉（RH、LF、Ca處理）→連鑄→板坯加熱爐→荒軋機組→精軋機組→層流冷卻系統→卷取機組。

2.   生產工藝對M/A島的影響及分析

2.1   變形量對M/A島的影響及分析

在2300 mm熱軋機組生產試驗中，2架粗軋機組和7架精軋機組變形量分配設計3種工藝，變形量分配、性能指標及組織中M/A島情況見表2。由試驗結果可以看出，合理的粗軋機組、精軋機組道次及變形量分配，晶粒度尺寸不易過細過粗、組織均勻；適當增加粗軋壓下量同時適當減小精軋機組壓下量分配，有利于析出和均勻化M/ A島組織。

從生產試驗結果可以看出，第1種工藝方案粗軋壓下量分配過大，精軋機組壓下量較小。從圖1可以看出，第1種方案相變析出的針狀鐵素體中M/A組元不均勻，M/A島長度超過7 μm，且呈長條行狀，粗大不均勻。晶粒度尺寸過粗。體現在性能指標上強度和韌性指標較低。強度和韌性匹配不好。第2種工藝方案變形量分配得到的性能比較理想。強度和韌性匹配性良好，組織以針狀鐵素體+均勻細小M/A符合組織，晶粒度尺寸適當，屈強比≤0.89，屈強比符合設計要求。但是第1方案試驗荒軋變形量分配過大，導致荒軋機組軋制負荷過重，不適合工業化批量生產。第3種工藝方案粗軋機組的變形量較小，精軋機組的變形量較大，組織主要是針狀鐵素體，幾乎沒有M/A組元，晶粒度尺寸過細，強度和韌性指標較好，但屈強比較高，超出要求。同時精軋機組超負荷能力軋制，這種楔形工藝對精軋機組破壞力較大，不適合工業化生產。

根據本鋼2300 mm熱軋機組實際情況，鑄坯厚度和成品鋼卷的厚度固定，總壓下量不變，分析再結晶區和未再結晶區的壓下量大小對M/A島組織的影響。荒軋屬于再結晶軋制區域，精軋機組屬于未再結晶軋制區域，未再結晶軋制區域形成M/A島形核區域。在保證荒軋機組和精軋機組的軋機不能超過負荷能力的同時，又能保證再結晶軋制區域的變形達到對晶粒有效細化和均勻化。適當降低未再結晶軋制區域（7機架精軋）道次變形量，使晶粒度不易過細或過粗，進而保證在精軋出口鋼板針狀鐵素體組織中出現分布均勻和細小彌散M/A島組元。從機能數據和試驗過程分析，第2種工藝方案變形量分配比較理想。

2.2   冷卻速度對M/A島的影響及分析

通過試驗軋制結果分析確定合理的熱軋機組荒軋和精軋最佳的壓下量分配。終軋溫度設定為810 ℃，設定3組不同的卷取溫度進行軋制，不同的卷取溫度達到不同冷卻速度見表3。軋制后通卷取樣進行機能檢驗和顯微組織分析。各點試樣用掃描電鏡分析M/A島尺寸、質量分數。

由圖2和圖3可知，對比三組試樣A、B、C的M/A島組織分布、組織均勻性和M/A島尺寸。試樣A冷卻速度小，M/A島組織分布不均勻，組織均勻性差，M/A島相對較多、大小不均；試樣B冷卻速度提高，M/A島組織分布均勻，組織均勻，M/A島尺寸大小均勻；試樣C冷卻速度最大，組織主要是針狀鐵素體+少量粒狀貝氏體量，檢驗沒有發現M/A島組織。因此適當的卷取溫度、適當的冷速速度，有利于提高組織中M/A島組織均勻分布，形成小尺寸M/A島組織，并且促使組織均勻。

冷卻速度過大也有不利的一面，研究認為針狀鐵素體中富含碳，冷卻速度越大，溫度降低越快。而溫度越低，碳擴散越困難，不利于形成一定量的共析鐵素體，影響管線鋼的韌性指標。

3.   結束語

厚度規格為9.75 mm的X70是高強度和高韌性匹配良好的管線鋼，組織中以針狀鐵素體+均勻細小的M/A組元復合組織，均勻細小的M/A組元的有效控制能使X70管線鋼DWTT和屈服強度顯著提高同時可以顯著降低屈強比。通過合理控制粗軋機組和精軋機組變形量以及適當的冷卻速度有利于控制M/A的分布、尺寸和組織均勻性，降低屈強比。根據生產試驗對變形量和冷卻速度進行控制：

(1)粗軋機組前三道次變形量控制在35%~45%之間，適當減小中間坯厚度，根據2300 mm熱軋機組軋制能力，控制中間坯厚度55 mm。適當減小精軋機組的變形量，使組織中的晶粒度不易過細。組織主要為針狀鐵素體和均勻細小的M/A島，促使厚度9.75 mm的薄規格X70管線鋼同時具有良好的強韌性匹配。屈強比≤0.89，與傳統管線鋼軋制工藝相比屈服強度略微下降10~20 MPa，抗拉強度提高18~30 MPa，屈強比降低明顯。

(2)根據生產試驗得出，薄規格X70管線鋼的冷卻速度適當降低到16~22 ℃/s范圍內比較合理，組織中析出M/A島形狀近橢球形且尺寸較小。實際生產卷取溫度控制在530 ℃左右，大幅度降低了對設備的沖擊，解決了夏季高溫季節對生產環節的限制，大幅降低生產成本，提高生產效率。

(3)薄規格低屈強比高級別管線鋼X70較傳統管線鋼更能適應工作環境的復雜性，制成管后管體變形裕度更強、均勻變形量、臨界裂紋系數和承載外界破壞能力更大。同時增強了極端條件下管道工程抵抗自然災害的能力，提高管道工程使用的安全性，帶來了巨大的經濟與社會效益。

參考文獻

[1]Zhong Y, Xiao F R, Zhang J W, et al. In situ TEM study of the effect of M/A films at grain boundaries on crack propagation in an ultra-fine acicular ferrite pipeline steel. Acta Materialia,2006,54:435doi: 10.1016/j.actamat.2005.09.015

[2]Terada Y. Development of API X100 UOE Line Pine. Japan: Nippon Stleel Corporation, 2006

[3]Guo J, Shang C J, Yang S, et al. Weather resistance of low carbon high performance bridge steel. Materials and Design,2009,30(1):129doi: 10.1016/j.matdes.2008.04.038

文章來源——金屬世界