08深水油氣管線用X65管線鋼板的選取

1、AZOVSTAL鋼鐵和WELSPUN管線公司對深水油氣管線用X65管線鋼板的使用Yu. I. Matrosov1, O. V. Nosochenco 2, O. A. Bagmet2, P. Mittal31I.P. Bardin Central Iron & Steel Research Institute, Moscow, Russia;2Azovstal Iron & Steel Works, Mariupol, Ukraine;3Welspun Pipe Co, India.關(guān)鍵詞：控制軋制， 深水管線鋼，Nb微合金化，化學(xué)成分，機械性能為建造位于墨西哥灣的Gulf Terra深水油氣

2、管線，Azovstal公司，I.P. Bardin研究中心和Welspun管線公司聯(lián)合開發(fā)了符合API 5L標(biāo)準(zhǔn)的商用低合金高性能65 PSL2管線鋼。 本文給出了大規(guī)模(7萬噸)商用熱軋鋼板和管線的研究結(jié)果，該管線鋼為按照API 5L標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的低合金X65 PSL2，用于深水油氣管道。 熱軋板的規(guī)格為24182612375, 27181612375 and 31180612375 mm，并具有以下的機械性能需求： YS = 448 - 550 MPa; UTS = 530 - 645 MPa; YS/UTS 0.88; El (2) 28 %; HV10 230; V-30C 130 J (

3、三個試樣，取平均值), 單個試樣 100 J, 這相當(dāng)于 KCV-30oC 162 J/m2 和 125 J/m2; -30夏比沖擊試樣的韌性斷口面積 90 %; -10DWTT試樣的韌性斷口 85 %; CTOD 0.38 mm; CE 0.38 %; PCM 0.20 %; 連鑄坯的中心偏析 ball 2. 對這些規(guī)定要求的分析表明，該鋼種夏比V沖擊試樣必須具備高的沖擊韌性，其沖擊功幾乎超過X65管線鋼最小值(KCV 88.5 J/m2, 相當(dāng)于 V 70.8 J)的兩倍，在俄羅斯X65用于生產(chǎn)壓強為7.4MPa的地面油氣管線。對連鑄坯的中心線非均勻性偏析給予特別關(guān)注。根據(jù)引自O(shè)ST-14

4、-4-73（連續(xù)鑄造過程連鑄坯宏觀組織檢測方法）的圖表，連鑄坯中心線缺陷和中心裂紋數(shù)量不應(yīng)該超過2級。為了保證管線較高的焊接性能和抗裂紋性，尤其是管線海上平臺的焊接性能要求，碳當(dāng)量應(yīng) 0.38 %，參數(shù) 0.20 %。根據(jù)07G2B標(biāo)準(zhǔn)，鋼的基本成分設(shè)計為0.07%C1.6%Mn0.075% Nb。利用現(xiàn)在用于重要工程的高性能大口徑油氣用含Nb鋼設(shè)計理念，采用低的C含量，并在生產(chǎn)過程采用熱機械控制軋制工藝（TMCP）。試驗鋼利用350t 轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)過鋼包冶金處理后，被送往連鑄機?？偣惨睙?00多爐次鋼。圖1給出了X65試驗鋼的主要元素頻率分布柱狀圖。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明試驗爐次的成分與主要化學(xué)成

5、分平均值基本不存在偏差?？傮w來說，這種鋼成分特點為低碳( 0.08 %)，低硫( 0.004 %)和少量的合金元素。主要的合金元素為Mn，Nb和Si。如圖2所示，經(jīng)濟的合金設(shè)計和低的碳含量保證碳當(dāng)量CE和PCM參數(shù)處于合適水平，分別不超過0.36和0.17。圖1. 深水油氣管線鋼試驗爐次化學(xué)成分頻率分布柱狀圖圖2. 深水油氣管線鋼試驗爐次焊接參數(shù)CE和PCM的頻率分布柱狀圖連鑄坯采用雙機架3600往復(fù)式軋機軋制，采用TMCP工藝，首先將鑄坯加熱到1180，在1000-980粗軋到3-3.5倍最終產(chǎn)品規(guī)格厚度，接著在730-690終軋成厚度為24，27和31mm的鋼板。最終板材在450到100之

6、間利用堆冷慢速冷卻實現(xiàn)熱擴散處理。這個操作用于去除金屬中可擴散的H，釋放內(nèi)應(yīng)力以及改善鋼板中心線區(qū)域的結(jié)構(gòu)條件，這有利于鋼的致密性和可塑性3。 連鑄坯中心線成分非均勻性采用OST 14-4-73標(biāo)準(zhǔn)來評定，在6080利用50的HCl水溶液，根據(jù)Mannesmann測量方法對鑄坯的橫截面進(jìn)行深度腐蝕。利用光學(xué)顯微鏡和SEM觀察了熱軋板的微觀組織，利用圖像分析軟件SIAMS-600定量評價了熱軋板微觀組織，測定了平均晶粒尺寸和各個相的體積分?jǐn)?shù)。利用SEM檢測了-30的夏比沖擊試樣的斷口。利用SEM的X射線分光儀測定了CVN試樣斷口表面的非金屬夾雜的化學(xué)組成。利用ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)試樣測試了拉

7、伸性能，長度規(guī)格為2（51mm）。0的CTOD測試用來評估金屬的抗裂紋性能，根據(jù)BS 7448測定了裂紋尖端張開位移值m。表1和表2給出了一些典型爐次的化學(xué)成分和其厚度為24，27和31mm產(chǎn)品的機械性能。圖3給出了厚度為24，27和31mm產(chǎn)品性能分布著柱狀圖。從給出的數(shù)據(jù)可以看出生產(chǎn)的X65鋼板的機械性能完全滿足需求。對超過40個鋼板的CTOD測試結(jié)果表明裂紋張開位移值m介于0.380.9mm之間，表明該鋼種具有高的抗裂紋性能。表1. 生產(chǎn)的X65爐次的化學(xué)成分HeatCMnSiSPAlTiNbNCE1PCM210.061.700.260.0040.0110.0200.0080.0790.

8、0090.350.1620.071.620.260.0030.0100.0320.0120.0760.0060.340.1630.071.550.240.0030.0110.0310.0100.0830.0070.340.1640.071.590.180.0030.0100.0400.0110.0730.0050.340.1650.071.620.210.0030.0120.0290.0080.0770.0060.350.1660.061.650.200.0040.0080.0360.0120.0750.0070.340.1512表2. 厚度規(guī)格為24，27和31mm的X65鋼的機械性能Pla

9、te thickness, mmHeatTS,MPaYS,MPaYS/ UTSEl(2),%AV(-30oC),JCVN(-30oC)J/cm2Shear areaHV10CTOD(0 oC)dm, mm-30 oC(Charpy)-10 oC(DWTT)2415654930.8729278348100/10095/951880.5525654920.8730225281100/10095/951870.502735654990.8829217271100/10095/951890.4945504880.8830236295100/10095/951880.493155404690.87281

10、46185100/10095/951870.4065514830.8832167209100/10095/951890.39圖3. 厚度為24，27和31mm產(chǎn)品性能分布柱狀圖 沖擊試驗中，測得-30時CVN試樣有較高沖擊韌性，而且沒有脆性斷口。對沖擊試樣斷口形貌的分析，可看到在典型的TMCP g+a 兩相區(qū)終軋經(jīng)常出現(xiàn)的斷口分層。利用SEM對試樣微觀裂紋的檢測可得，由于采用TMCP工藝，在鋼板的斷口出現(xiàn)了對低溫韌性非常有利的纖維狀斷口。如圖4所示，斷口表面由穿晶纖維狀斷口和穿晶準(zhǔn)脆性斷口組成。所有-10的DWTT試樣脆性斷口不超過5。圖4. X65鋼板-30CVN沖擊試樣典型斷口形貌1 穿晶

11、纖維狀斷口; 2 穿晶準(zhǔn)脆性斷口; 3 球形納米夾雜物 試驗鋼板較高的沖擊韌性是由于低的碳含量（0.06-0.08 %）和硫含量（0.003-0.004 %），以及Ca處理后夾雜物的減少和球形化會阻止由于MnS沿軋制方向延伸而導(dǎo)致出現(xiàn)分層。和層狀的MnS相比，球形的硫化物不會作為應(yīng)力集中點，也不會對沖擊韌性值有任何負(fù)面影響。圖4給出了斷口表面的球形硫化物形貌。圖5給出了其能譜，可以看出，它們是由復(fù)雜的元素組成，除了S和Mn，還有Ca，Al等。圖5. CVN試樣斷口表面球形納米夾雜（見圖4）的X射線能譜 從X65鋼板的金相分析可以看出，不同厚度的組織都為細(xì)小的鐵素體和57的珠光體（GOST 34

12、43）組成6，根據(jù)GOST 5639標(biāo)準(zhǔn)這些鐵素體晶粒度級別為12。高含量的Nb對組織產(chǎn)生了顯著的細(xì)化作用。在加熱過程中，Nb元素會阻止奧氏體晶粒的粗化，延遲其再結(jié)晶過程并提高再結(jié)晶開始溫度，從而在TMCP過程中擴大了奧氏體的未再結(jié)晶溫度區(qū)域4,5?；谝陨显?，這種鋼的終軋溫度選擇在變形奧氏體再結(jié)晶溫度以下。在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的變形會使拉長奧氏體晶粒，從而提高了其有效晶界面積。而奧氏體有效晶界面積的增加，形變帶，孿晶帶以及其他的晶格缺陷的出現(xiàn)，會在相變過程提高新相的形核質(zhì)點，這有利于細(xì)化最終的組織。最后，在r3以下軋制可導(dǎo)致ga動態(tài)相變，獲得十分細(xì)小的相變晶粒。圖6 深水油氣用X65管線鋼板

13、微觀組織 （a）基體金屬的微觀組織 （b）中心線附近的組織F 鐵素體; P 珠光體; B 貝氏體.為改善鋼板的焊接性能，減輕中心線附近成分和組織的偏析，X65采用了比傳統(tǒng)管線鋼10G2FB低1.5倍的碳含量。X65試驗鋼的中心線偏析是非常輕微的：根據(jù)OST 14-4-73標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)情況下中心線疏松比例為1.0，中心線裂紋為0-0.5，中心線成分不均勻性為01.5（圖7a）。 圖7. 中心線偏析對比分析 （a）X65鋼板橫截面； （b）10G2FB橫截面； （c）17G1S-U橫截面 將X65鋼板中心線成分偏析評估結(jié)果與文獻(xiàn)6給出的兩個較高碳含量的管線鋼10G2FB和17G1S-U的偏析評估結(jié)果

14、對比可得，隨著碳含量從0.19(17G1S-U)降低到0.06% (X65)，根據(jù)OST14-4-73標(biāo)準(zhǔn)，偏析率從4降低到1.5，根據(jù)Mannesmann 測量，偏析率從5降低到2(圖7，表3)。表3 X65鋼板與10G2FB和 17G1S-U的中心成分偏析結(jié)果對比SteelMnSOST 14-4-73Mannesmann scaleX65*0.061.700.0041.5210G2FB0.111.690.0042317G1S-U0.190.430.01245* X65 鋼的化學(xué)成分見表1，爐次1 鋼板中較輕的偏析有利于組織的均勻性。板材中心區(qū)域的微觀組織和基體其他區(qū)域的微觀組織是截然不同的

15、，由鐵素體珠光體和獨立的低碳貝氏體島組成（見圖6-b）。板材中心區(qū)域微觀組織的平均顯微硬度為V1.96=2050 MPa，而基體1/3厚度區(qū)域的平均顯微硬度為V1.96=1860 MPa。在定量評估組織的非均勻系數(shù)時，(V1.96)被用來定義基體顯微硬度和中心區(qū)域顯微硬度的比值，對X65鋼來說這個值為1.10。在文獻(xiàn)6，7中，傳統(tǒng)碳含量的管線鋼的組織非均勻性系數(shù)(V1.96)要高得多。圖8中可以看出，隨著碳含量從0.19降低到0.06，組織的非均勻性系數(shù)從1.79降低到1.10。試驗鋼低的組織非均勻性系數(shù)說明其組織整個厚度方向的高度均勻性。圖8. 管線鋼中碳含量對組織非均勻性系數(shù)的影響 X65

16、鋼中心線輕微的成分和組織不均勻性歸功于低的碳含量設(shè)計。眾所周知，將碳含量降低到0.09以下會顯著改善元素的偏析，如C，Mn，S，P等67.。碳含量 0.09 %時，連鑄過程中鋼液凝固過程中不再發(fā)生包晶反應(yīng)，而且短的結(jié)晶時間和d 鐵素體區(qū)的擴大，都會使偏析得以減輕?？紤]到化學(xué)元素在d鐵素體中的擴散速率幾乎超過其在奧氏體中的兩倍，鑄坯在d鐵素體區(qū)停留的時間越長，化學(xué)元素在整個鑄坯中的分布就越均勻8。鑄坯中元素分布的越均勻，板材中心線的組織不均勻性就越低。 Azovstal生產(chǎn)的X65鋼板在Welspun 管線公司由彎輥成型，冷擴成管材。管線的直徑為20 OD/30.99 mm Thk。圖9 給出了

17、X65管線成型工藝對基體機械性能的影響?？梢钥闯?，屈服強度和抗拉強度都會有所提高，延伸率會略有下降。圖9. X65管線加工工藝對機械性能的影響結(jié)論1. 為深水油氣管線而開發(fā)的厚度為31mm的X65鋼板已在Azovstal開始商業(yè)化生產(chǎn)，這種鋼的特性為低碳，經(jīng)濟的合金設(shè)計以獲得低的碳當(dāng)量 ( 0.37 %) ， ( 0.17 %)。2. 軋制的厚度為24，27和31mm的X65鋼板的機械性能如下：YS = 450-520 MPa; UTS = 530-600 MPa; YS/UTS = 0.82-0.88; El(2”) =28-38 %; KCV-30oC = 162-375 J/m2。-30

18、的夏比沖擊試樣韌性斷口分?jǐn)?shù)為100，-10的DWTT試樣韌性斷口分?jǐn)?shù) 95 %。3. 對X65連鑄坯中心非均勻性偏析進(jìn)行了仔細(xì)測定：根據(jù)OST 14-4-73標(biāo)準(zhǔn)，中心線缺陷為1.01.5，中心線裂紋為00.5，中心線成分不均勻性為01.5。利用設(shè)計成分的鋼生產(chǎn)的板材組織非常均勻，板材較低的組織非均勻性系數(shù)(V1.96)=1.10也證明了這一點。參考文獻(xiàn)1. Heisterkamp F. et al., Nb-containing low alloy steels (M.: “JV INTERMET INGINEERING”, 1999), 94.2. Hulka K. and Gray J.

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