厚規(guī)格管線鋼屈服強度異常波動原因分析

于洋 ，關(guān)菊 ，劉威

（1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)改造部，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山114021）

近幾十年來，輸送管線作為石油和天然氣一種經(jīng)濟、安全、不間斷的長距離輸送工具得到了迅猛發(fā)展，由于管線用鋼的服役條件復(fù)雜，所以對其性能有著特殊的要求，包括高純凈、高強度、高韌性以及良好的焊接性和耐腐蝕性等。隨著石油天然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也在不斷增大，對管線用鋼提出了高強度、大壁厚、大直徑、高壓力的綜合性能要求。國內(nèi)外各大鋼廠為適應(yīng)管線鋼市場的日益變化，在增加管壁厚度和提高管材強度方面進行了深入研究，例如以西氣東輸為代表的長距離輸送管線成功應(yīng)用了X70、X80強度級別管線用鋼，螺旋焊管最大厚度達到了18.4 mm。但是厚規(guī)格、高強度管線鋼也給熱軋生產(chǎn)帶來了一系列困難，如鞍鋼股份熱軋帶鋼廠在生產(chǎn)壁厚大于14 mm、屈服強度大于500 MPa管線鋼時就出現(xiàn)了帶鋼屈服強度異常波動問題，由此造成了大量廢品，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益，鋼卷一旦出廠還會給后續(xù)用戶的加工帶來諸多問題。為解決此問題，本文以X70強度級別管線鋼為研究對象，通過工藝排查和相關(guān)檢驗分析，找出了X70管線鋼屈服強度異常波動的原因，并制定了相應(yīng)解決措施，在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用后，取得了明顯效果，解決了技術(shù)難題。

1 屈服強度異常波動原因分析

管線鋼生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉 （RH＋LF）→鈣處理→連鑄→加熱→軋制→冷卻（超快冷＋層流）→卷取。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，管線鋼的屈服強度在化學(xué)成分及工藝穩(wěn)定的條件下其波動范圍呈正態(tài)分布，而當壁厚大于14 mm、屈服強度大于500 MPa時，管線鋼的屈服強度經(jīng)常發(fā)生不呈正態(tài)分布現(xiàn)象，圖1為用minitable軟件計算的壁厚17.5 mm X70管線鋼屈服強度分布示意圖。

從圖中可以看出，管線鋼的屈服強度沒有呈現(xiàn)正態(tài)分布，并且過程能力Cpk僅為0.2。為了搞清厚規(guī)格管線鋼屈服強度異常波動的原因，取17.5 mm厚度的 X70 管線鋼試樣進行了 30°、60°、90°方向（橫向）以及軋向（縱向）屈服強度檢驗，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，90°方向的屈服強度最高，其次是軋制方向和60°方向，30°方向最低，并且最大最小差值為36 MPa，說明卷板存在較嚴重的各向異性。

對所取試樣采用線切割方法，分別沿橫向和縱向制成15 mm×15 mm金相樣，磨拋后采用4%濃度的硝酸酒精溶液侵蝕，在光學(xué)顯微鏡下進行金相組織觀察，結(jié)果見圖3。

圖3（a）顯示，鋼帶的橫向和縱向組織存在明顯差異，橫向組織基本為等軸晶粒；圖3（b）顯示，縱向組織晶粒有明顯長度的方向性。另外，隨機選取了兩塊試樣（1#，2#試樣）進行了透射電鏡觀察，結(jié)果表明，兩塊試樣的析出相形貌有較大區(qū)別，見圖4。圖4（a）顯示，1#試樣為細小析出物均勻分布；圖4（a）顯示，2#試樣為粗大析出物偏聚析出。需要注意的是，大生產(chǎn)中取樣都是在帶鋼卷取之后，由于卷取過程中發(fā)生了塑性變形，因此所取的檢驗樣不平直，會影響檢驗值的準確性。

通過檢驗分析，認為X70管線鋼屈服強度異常波動的原因為：Nb析出相尺寸和分布不均、鋼板各向異性以及試樣彎曲變形。為解決上述問題，必須搞清相關(guān)機理，以便制定相應(yīng)的技術(shù)措施，解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的屈服強度異常波動問題。

2 屈服強度異常波動解決措施

2.1 鋼中固溶鈮含量的影響及改善

在管線鋼的生產(chǎn)中，添加鈮的作用主要是利用Nb（CN）在奧氏體中的形變誘導(dǎo)析出來抑制奧氏體再結(jié)晶，以達到細化鐵素體晶粒的目的，但鋼中添加Nb首先需要Nb能夠固溶入奧氏體，通過固溶Nb的原子對晶界的拖曳作用，以及NbC的動態(tài)析出對晶界運動的強烈阻礙作用來實現(xiàn)，因此說，Nb對變形行為的影響主要表現(xiàn)在固溶Nb的作用上。根據(jù)前述檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受檢試樣中Nb（CN）的析出粒度和彌散度差異很大，這會對屈服強度有一定影響，一般Nb（CN）越細小、越彌散，屈服強度就越高。研究Nb（CN）彌散析出問題，首先要研究Nb有效固溶的問題。通過增加固溶Nb含量控制Nb（CN）析出形態(tài)和尺寸。取14.3 mm厚度X70管線鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行回歸分析，屈服強度與加熱溫度的關(guān)系式為：

式中，C為碳成分含量；S為硫成分含量；Ht為鋼坯加熱溫度；Rt為粗軋終軋溫度；F0t為精軋開軋溫度；Ft為精軋終軋溫度；Ct為鋼帶卷曲溫度。

根據(jù)回歸公式計算得出，加熱溫度每提高40℃，屈服強度可提高22.51 MPa。要想提高固溶Nb含量，必須提高加熱溫度。生產(chǎn)中采取了延長加熱時間和提高加熱溫度的辦法來提高固溶Nb含量。

2.2 各向異性的影響及控制

在各向異性材料中，晶粒并非等軸晶，它在不同方向上的尺寸是不一致的。沿著晶粒被拉長方向的強度和韌性一般比較好，而其它方向上的強度和韌性相對就差一些［1］。通過對X70管線鋼試樣相關(guān)檢驗來看，雖然其橫向和縱向組織存在明顯差異，變形程度也不完全一樣，即縱向組織晶粒為拉長晶粒，橫向組織近似為等軸晶粒，但是試樣的橫向屈服強度最高，縱向屈服強度其次，與軋制方向成30°方向屈服強度最低。從化學(xué)成分、金相組織上沒找到異常之處，說明僅從微觀上很難得到X70管線鋼各向異性特征的解釋，X70管線鋼的各向異性有其自身的特點，導(dǎo)致鋼帶各向異性特征與組織中織構(gòu)的存在有關(guān)，即{112}＜110＞織構(gòu)導(dǎo)致屈服強度的各向異性，30°方向最低，橫向最高，這種織構(gòu)的形成與奧氏體未再結(jié)晶區(qū)發(fā)生的相變有關(guān)。厚規(guī)格管線鋼采用TMCP工藝生產(chǎn)，在精軋過程中，如果軋件的尾部溫降過快，尤其是進入了兩相區(qū)溫度，此時軋件受到低溫加工后，會使{112}＜110＞織構(gòu)加強，使得橫向屈服強度比縱向屈服強度高很多。根據(jù)大生產(chǎn)觀察，由于通卷溫度差，有時部分X70管線鋼卷板尾部溫度在 700～750℃之間，說明軋件尾部在終軋之前已經(jīng)進入了兩相區(qū)，這對卷板各向異性的控制很不利。生產(chǎn)中采取適當提高終軋溫度、降低卷取溫度的方法，可最大限度避免軋件尾部的兩相區(qū)軋制，弱化{112}＜110＞織構(gòu)，減輕各向異性傾向。

鋼帶的各向異性問題在低溫控軋中必然會產(chǎn)生，為解決該問題，在鋼種設(shè)計時考慮了用戶使用的方向性，對于用戶提出在30°方向使用的鋼帶，在成分設(shè)計中適當添加了強化元素，結(jié)合工藝參數(shù)的調(diào)整，可保證屈服強度波動范圍在一個合理的區(qū)間之內(nèi)。

2.3 彎曲變形的影響及消除

熱連軋卷經(jīng)過卷取之后會發(fā)生彎曲變形，并且該變形屬于三維變形，變形示意圖見圖5。這種變形試樣在力學(xué)性能檢驗時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差，會造成屈服強度檢測值比板卷的真實屈服強度低［2］。試樣彎曲變形導(dǎo)致屈服強度降低的原因分析如下：

拉伸試驗變形計算式 Δz=Δs＋Δx （2）式中，Δz為試樣的總變形量；Δs為試樣形狀變形量；Δx為試樣受力產(chǎn)生的變形量。

拉伸試驗屈服強度測量的Rt0.5是在50 mm標距內(nèi)產(chǎn)生的總變形量，即Δz=50×0.5%=0.25 mm；X70管線鋼的Rt0.5約為500 MPa；試樣形狀變形量Δs預(yù)測為 20～40 MPa，4%～8%的試樣變形量 Δs計入Δz中，為0.01～0.02 mm。可見0.01 mm試樣變形被計入到Rt0.5變形量的檢測數(shù)據(jù)里，就能導(dǎo)致屈服強度低20～40 MPa，這也是影響屈服強度的最關(guān)鍵因素。由于試樣形狀變形量計入的隨機性，因此Rt0.5強度的值也呈現(xiàn)了不穩(wěn)定性。

為解決上述問題，生產(chǎn)中采用了增加壓平機的方法，利用壓平機先對試樣反復(fù)進行壓平，確保試樣的平直度之后再進行力學(xué)性能檢驗。表1為試樣壓平對屈服強度的影響的試驗結(jié)果，從試驗數(shù)據(jù)來看，壓平之后可以使試樣的屈服強度提高了34 MPa，這一數(shù)值基本上可以彌補由于試樣彎曲造成的屈服強度下降值，可以代表熱軋卷的實際屈服強度值。另外，生產(chǎn)中有時還采用圓棒試驗方法，用以替代板拉力試驗方法，最大限度地消除試樣彎曲變形對屈服強度檢驗值的影響。

表1 試樣壓平對屈服強度的影響試驗結(jié)果

3 結(jié)論

（1）Nb析出相尺寸和分布不均、鋼板各向異性以及試樣彎曲變形是厚規(guī)格管線鋼屈服強度異常波動的主要原因。

（2）生產(chǎn)中采取延長加熱時間和提高加熱溫度的辦法來提高鋼中固溶Nb含量，保證了Nb（CN）細小、彌散析出。

（3）適當提高終軋溫度、降低卷取溫度，可以防止軋件在兩相區(qū)受到加工，減輕卷板各向異性傾向。

（4）增加壓平機，對檢驗之前的試樣進行反復(fù)壓平，可以得到比較真實的屈服強度值。

另外，優(yōu)化調(diào)整化學(xué)成分、采用圓棒形試樣進行試驗，對解決屈服強度異常波動問題也有一定的效果。

［1］鄭茂盛，李金波，李海軍，等.X80級管線鋼的各向異性特征［J］.焊管，2005（3）：13-16.

［2］ 郭斌，孔君華，劉昌明.西氣東輸工程用X70熱軋板卷屈服強度檢測值波動大的探討［J］.鋼鐵研究，2003（6）：38-40.