X60MS 17.5mm耐蚀管线钢板的开发
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摘要：本文通过研究抗HIC及抗SSC耐蚀用x60ms管线钢板在宝钢罗泾炼钢厂-厚板轧机的开发，通过成分合理设计与炼钢过程工艺要点的控制，并采用TMCP(控制轧制+控制冷却) 轧制工艺，成功的开发出了X60MS 17.5mm耐蚀管线钢板，其机械性能及抗HIC、SCC性能优良，较好的满足了用户的使用要求。
关键词：X60MS管线钢 氢致裂纹（HIC） 应力腐蚀开裂（SCC）偏析 TMCP工艺
Abstract: In this paper, the development of X60MS pipe-line plates for sour service manufactured by Luojing Heavy Plate Mill,Baosteel was researched,. Basing on rationally designing the chemical composition and controlling the significant steel making process, application of TMCP rolling technology, Baosteel has successfully developed 17.5mm X60MS pipe-line plates for sour service with fine mechanical properties and HIC&SCC resistance properties.
Keyword: X60MS pipe-line steel; Hydrogen induced cracking(HIC); Stress Corrosion Cracking (SCC) ; Segregation; TMCP technology
随着边远油气田、极地油气田、海上油气田和酸性油气田等恶劣环境油气田的开发、对新时期的管道工程建设提出了更高的要求。随着酸性油、气田的开发，研究耐酸管线钢的问题日显迫切。高等级抗酸管线钢的生产，代表了一个国家管线钢生产的最高水平。【1】在耐酸管线钢的开发中，通过合理地设计成分及控制，控制炼钢过程中的非金属夹杂物及偏析，厚板控制轧制与控制冷却工艺完成钢板生产，保证钢板强度的同时、有效的减少钢板轧制带，提高了抗HIC与抗SCC性能。
1、HIC及SCC概要
目前在试验方法的选择上，用户通常采用NACE TM0284[2]及NACE TM0177[3]标准中的要求完成HIC及SCC试验。
2、X60MS耐蚀焊管开发
2.1 主要工艺路线设计
COREX铁水—KR脱硫—罗泾150t转炉－LF+RH精炼－板坯连铸－5000mm厚板控轧－ACC－探伤－形合、材合
2.2 X60MS熔炼成分
在成分设计上主要思路为低P、低S，降低夹杂物出现概率；低Mn，控制板坯及钢板的偏析，且防止产生MnS在轧制过程中被轧制为又长又扁的带尖端的夹杂、防止其为氢的吸收及裂纹的产生创造条件；添加微合金元素Nb及V，分别用来细化晶粒、通过沉淀强化来提高强度；添加合金元素Cu、Ni及Mo,通过固溶强化来提高强度。
2.3 制造工艺控制要点简析
2.3.1炼钢区域工艺要点
COREX铁水在进转炉前需经过铁水预处理（KR搅拌法脱S），确保优质的低S铁水。通过150t转炉双联工艺，确保低P，并进行铁水的脱碳、升温、去杂、进一步除P除S以及合金化。通过LF+RH双重精炼过程，最终实现强化钢水脱碳、脱硫、脱磷、脱氧、去除有害气体（氢、氮）、调整成分和温度，并使钢水均匀化，去除夹杂物或改变其形态和组成等。经过连铸工序，严格控制中间包过热度、浇注速度及液面波动，并结合轻压下工艺，得到中心偏析级别、夹杂物级别、角裂级别较低的、内质优良的连铸板坯。
2.3.2 厚板区域工艺要点
板坯加热温度保证为1080～1130℃，且保证足够的在炉时间，使得合金元素得到充分固溶，达到细化原始晶粒的作用。
采用了两阶段轧制，第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，终轧温度高于950℃；第二阶段为奥氏体未再结晶区轧制。
奥氏体再结晶区一般采用大的道次形变量，以增加奥氏体再结晶的数量，阻止应变诱发晶界的迁移，从而细化晶粒。在奥氏体未再结晶区也应尽可能采用大的道次形变量，以增加形变带，为α形核创造有利条件。[1]
管线钢控制轧制后采用加速冷却，使γ-α相变温度降低，过冷度增大，从而增加了α的形核率。同时，由于冷却速度增加，阻止或延迟了碳、氮化物在冷却中过早析出，因此易于生成更加弥散的析出物。生产中需严格控制开冷温度、终冷温度及冷却速度，达到改善钢板组织、细化晶粒和改善性能的目的，它可同时提高钢板的强度和韧性。轧制工艺设计见表2。
3、X60MS耐蚀钢板性能分析
通过合理的成分设计和控制，利用TMCP工艺，共试制X60MS 17.5mm钢板5块，并根据HKJ11-1-538-001 [4]及API 5L 44版本进行评价，具体如下：
3.1 机械性能
通过统计发现，钢板拉伸性能及韧性均有一定的富余量，保证了制管后钢管性能满足用户要求。拉伸性能、冲击性能及落锤性能良好。具体见表3。
3.2 HIC性能
随机抽取两张钢板，对钢板宽度1/2及1/4横向（每位置各三个试样）进行抗HIC试验，试验溶液为NACE-TM0284[2]标准、A溶液（除氧的N2、H2S、NaCl、冰乙酸和蒸馏水或去离子水），试样尺寸为T(17.5)×20×100mm，浸泡96小时。浸泡后，对试样进行打磨、并用丙酮除油后，进行检测裂纹面积（CAR），并采用光学显微镜观察检测裂纹长度率（CLR≤12%）、裂纹厚度率（CTR≤3%）和裂纹敏感率（CSR≤1.5%），最终评定结果见表5。可以看出，两张钢板裂纹长度率、裂纹厚度率及裂纹敏感率均为0，且均无气泡出现，抗HIC性能优良，详见表4。
3.3 SCC性能
选择两张钢板，在钢板宽度1/2处取横向试样（每组包括3个试样），进行SSC四点弯曲试验。试验溶液为NACE TM-01-77[2] A溶液（5% NaCl+0.5%冰乙酸、蒸馏水或去离子水），试样尺寸为5×15×115mm，施加外力为钢板规定的最小屈服强度Rt0.5（对此钢板进行矩形拉伸，试验标准ASTM A370 ，最小屈服强度Rt0.5为420Pa）的72%， 在试验溶液中试样断裂或需持续时间为720小时后，进行试验评价，发现均无裂纹出现，具体见表5。
4、结论
（1）成分设计：较低的P、S含量，降低夹杂物出现概率；较低的Mn含量，控制板坯及钢板的偏析，且防止产生MnS在轧制过程中被轧制为又长又扁的带尖端的夹杂、防止其为氢的吸收及裂纹的产生创造条件；适当降低Si含量，提高钢板的低温韧性，从而确保制管后热影响区的低温韧性；添加微合金元素Nb及V，分别用来细化晶粒、通过沉淀强化来提高强度；添加合金元素Cu、Ni及Mo,通过固溶强化来提高强度。
（2）炼钢生产：COREX铁水经过铁水预处理（KR搅拌法脱S），确保优质的低S铁水。通过150t转炉双联工艺，确保低P，并进行铁水的脱碳、升温、去杂、进一步除P除S以及合金化。通过LF+RH双重精炼过程，最终实现强化钢水脱碳、脱硫、脱磷、脱氧、去除有害气体（氢、氮）、调整成分和温度，并使钢水均匀化，去除夹杂物或改变其形态和组成等。经过连铸工序，得到中心偏析级别、夹杂物级别、角裂级别较低的、内质优良的连铸板坯。
（3）厚板生产：利用TMCP(控制轧制+控制冷却) 工艺保证钢板获得足够强度，降低钢板中带状组织级别，实现了降低钢在酸性溶液中HIC、SCC敏感性。
（4）通过罗泾炼钢厂炼钢-厚板轧制和ACC控制，钢板整体性能优良。
参考文献：
[1]高惠临，管线钢与管线钢管，中国石化出版社，2002，6；1-13,37-39,247-254
[2]NACE TM0284标准试验方法—管道和压力容器用钢抗氢致裂纹开裂评价.
[3]NACE TM0177标准试验方法—金属在H2S环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验.
[4]HKJ11-1-538-001 X60MS双抗试制协议书