微合金化在正火態(tài)管線用無縫鋼管中的應用

徐永康，劉耀恒

（1. 中國石油塔里木油田分公司物資采辦事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000；

2. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

集輸管線在油氣田日常的開采作業(yè)中有重要的作用，按其使用環(huán)境可分為陸上集輸管線管和海底集輸管線管兩類，所用的管材按制造方式也可分為無縫鋼管和焊接鋼管。其中，管線用無縫鋼管根據(jù)交貨狀態(tài)可分為N 系列（控軋態(tài)或正火態(tài)交貨）及Q系列（調(diào)質(zhì)態(tài)交貨）。N 系列產(chǎn)品具有生產(chǎn)流程相對簡單，焊接區(qū)域組織性能較母材差異小等優(yōu)點，通常在X60 及以下鋼級中大多采用N 系列產(chǎn)品。

在鋼中，質(zhì)量分數(shù)約低于0.1%，但對鋼的性能和微觀組織有顯著或特殊影響的合金元素，稱為微合金元素；Nb、V、Ti 是鋼中最為重要的微合金元素。在鋼中添加微量的Nb、V、Ti，可保證鋼在碳當量較低的情況下，通過其碳、氮化物質(zhì)點（尺寸小于5 nm）的彌散析出及Nb、V、Ti 的固溶，細化晶粒，極大地提高鋼的強度和韌性，使鋼具有良好的力學性能及可焊性。因此，微合金化的應用對鋼的品種開發(fā)，生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值產(chǎn)品（如船板、管線鋼）等有重要作用［1-2］。同時，由于無縫鋼管的軋管過程與板材成型過程差異較大，因此其鋼種設計及工藝與板材存在較大差異，本文將對微合金化在N 系列正火態(tài)管線用無縫鋼管產(chǎn)品上的應用進行研究。

1 化學成分要求

目前，國際上關于管線用無縫鋼管最為通用的標準為API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》，其對典型鋼級（X52N）正火態(tài)交貨管線用無縫鋼管的化學成分、力學性能要求見表1~2［3］。

表1 X52N 鋼級正火態(tài)管線用無縫鋼管的化學成分要求（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 X52N 鋼級正火態(tài)管線用無縫鋼管的力學性能要求

2 試驗方法

2.1 鋼種設計

采用50 kg 真空爐冶煉鋼坯，以C-Mn 鋼為基礎，在標準范圍內(nèi)，選取含有不同微合金元素的鋼種，以考察不同微合金化對其性能的影響。不同微合金元素鋼種的化學成分設計見表3。

表3 不同微合金元素鋼種的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 試驗工藝

試驗鋼種采用50 kg 真空感應爐冶煉，鍛造成120 mm 厚方錠后，采用模擬鋼管穿孔—連軋—定徑3 道次變形的熱軋工藝，軋成20 mm 厚板坯，將板坯分段后，進行正火熱處理，并對軋態(tài)及正火態(tài)的性能進行檢測。

2.3 性能檢驗

拉伸性能按照GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗》標準進行檢測，采用圓棒拉伸試樣。沖擊性能按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準進行檢測，采用10 mm×10 mm×55 mm尺寸V 型缺口試樣，檢測溫度0 ℃。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 微合金元素對性能及組織影響分析

N1~N6 正火態(tài)鋼的力學性能見表4，金相組織如圖1 所示，N4 正火態(tài)鋼中析出質(zhì)點分析如圖2所示。

從圖1~2 可以看出：在N1、N2、N3、N4 正火態(tài)鋼碳當量近似的情況下，與未加入微合金元素的鋼（N1）相比，加入微合金元素的鋼（N2、N3、N4）的強度明顯較高，晶粒明顯變細，晶粒度高1~2級。這是因為微合金元素Nb、V、Ti 均為強碳化物形成元素，它們的碳、氮化物通常以彌散的質(zhì)點形式分布在鋼中，在加熱時能對奧氏體晶界起固定作用，阻礙奧氏體晶界的遷移，從而起到細化晶粒的作用［1，4-6］。同時，其碳、氮化物的析出起到沉淀強化的效果。利用透射電鏡（TEM）及能量過濾成像等手段對N4 鋼中的析出質(zhì)點進行分析，發(fā)現(xiàn)其主要是V（C，N）以及TiN 顆粒，如圖2 所示。

表4 N1~N6 正火態(tài)鋼的力學性能

圖1 N1~N6 正火態(tài)鋼的金相組織

N2、N3 軋態(tài)鋼的金相組織如圖3 所示。從圖3 可以看出：N3 軋態(tài)鋼的軋態(tài)晶粒明顯比N2 軋態(tài)鋼的更細小。這是因為N3 軋態(tài)鋼中添加了Nb 元素，Nb 元素通常在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比Fe 原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，可對位錯攀移產(chǎn)生強烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，因而對軋制過程中的奧氏體形變再結(jié)晶具有強烈的阻止作用，從而抑制晶粒的長大［7-8］。

與N3 正火態(tài)鋼相比，N4 正火態(tài)鋼的強度及沖擊韌性均有一定降低。這是因為Ti 與N 的親和力較V 更強，鋼中的N 優(yōu)先與Ti 結(jié)合，Ti 與N 的理想化學配比為3.42，按理想狀態(tài)計算N4 正火態(tài)鋼中僅Ti 就可以固定約41×10-6的氮原子，與釩結(jié)合的氮原子已所剩無幾，氮與鈦的優(yōu)先結(jié)合影響了釩的析出強化效果。同時，在N4 正火鋼的微觀組織中發(fā)現(xiàn)了少量顆粒較大（50~80 nm）的TiN 顆粒，如圖4 所示。在鋼受到應力作用時，TiN 大顆粒存在位置易成為應力集中點，從而引起鋼的沖擊韌性尤其是低溫沖擊韌性的下降［9-10］。文獻［11］研究了非調(diào)質(zhì)鋼中加鈦脫氧后鋼液中夾雜物形貌、組成和尺寸分布等，認為對煉鋼過程鋼液溫度及凝固過程的控制，可有效減少TiN 大顆粒的生成，從而避免鋼的沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性下降。

圖2 N4 正火態(tài)鋼中析出質(zhì)點分析

圖3 N2、N3 軋態(tài)鋼的金相組織

圖4 N4 正火態(tài)鋼金相組織中的TiN 顆粒

3.2 C、N 元素對微合金化作用分析

從N3、N5、N6 正火態(tài)鋼的力學性能（表1）可以看出：N 含量增加，可明顯提升鋼的強度；與N3 正火態(tài)鋼相比，N5 正火態(tài)鋼的成分體系中增加了0.010%的氮含量，使得其屈服強度約提高80 MPa，這與文獻［12］的研究結(jié)果是比較接近的。從N3、N5、N6 正火態(tài)鋼的金相組織（圖1c、e、f）可以看出：N5 正火態(tài)鋼的晶粒較N3 正火態(tài)鋼更為細小，晶粒內(nèi)點狀析出物也明顯更多，這說明增加氮元素后促進了V（C、N）的彌散析出，同時提高了細晶強化和析出強化的效果［13］。

N6 正火態(tài)鋼采用低C 高Mn 的方式設計，在與N3、N5 正火態(tài)鋼碳當量相當?shù)那闆r下，N6 正火態(tài)鋼的強度較N3 正火態(tài)鋼低，而沖擊韌性明顯提高。從金相組織來看，N6 正火態(tài)鋼較N3 正火態(tài)鋼組織中的珠光體含量明顯減少，組織內(nèi)點狀析出物較少，這說明碳含量的減少除了可減少珠光體含量外，還有抑制釩的析出強化效果。研究表明，碳含量的降低有利于鋼韌性的提高，主要原因是減小了晶格畸變和珠光體含量［5，10］。

4 大生產(chǎn)試驗情況

根據(jù)上述研究結(jié)果，采用C-Mn-V-（N）微合金化設計以及低C 高Mn 設計，分別生產(chǎn)了1 爐X60N 鋼級及1 爐A 333-6 低溫管線用無縫鋼管，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)）及性能見表5~6。

從表5 可以看出：生產(chǎn)的鋼管達到了相關標準要求，其強韌性匹配良好。

表5 X60N 鋼級及A 333-6 低溫管線用無縫鋼管的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

5 結(jié) 論

（1） 微合金元素V、Nb、Ti 的加入，可以有效細化晶粒和產(chǎn)生析出強化效果，其中V 的析出強化效果最為明顯，Nb 對軋態(tài)組織的細化效果最佳，Ti 由于容易形成大顆粒析出物，對沖擊韌性有可能產(chǎn)生影響。

（2） 提高氮元素含量可有效提高V 的析出強化和細晶強化效果，降低碳含量可有效提高沖擊韌性，但同等碳當量下強度會有一定程度的降低。

（3） 采用微合金化鋼種生產(chǎn)正火態(tài)管線用無縫鋼管，相比添加其他合金元素，有強韌性較高、碳當量較低、焊接區(qū)域性能更佳等優(yōu)點。

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