1 前言

   管道输送石油天然气是目前油气输送最经济合理的方式，随着国民经济对天然气清洁能源需求的增加，天然气长输管道的单管输送量要求也越来越高。增加管道壁厚、增大管道直径、提髙输送压力是提高管道输送效率、实现低成本大输量输送的主要途径。

   随着西气东输工程的建设，我国X70/X80管线钢得到了迅速的开发与大批量应用，国内各钢厂也纷纷引进了先进的2250mm热连轧生产线。但由于受到轧机参数的限制，2250mm热连轧产线在≥20mm厚规格/超厚规格X70/X80热轧板卷的生产方面存在较大难度，特别是25.4mm厚度的极限规格X70热卷的相关研究内容也很少见诸报端。本文结合首钢2250mm热连轧生产的25.4mm超厚规格X70管线钢热轧卷板的实物质量，从力学性能、显微组织、析出行为及M/A组织控制等方面进行了分析，为超厚规格X70热轧卷板的生产提供了参考。

   2 试验材料与试验方法

   本文试验用钢取自首钢2250mm热连轧产线生产的极限规格X70管线钢热轧板卷，规格为25.4mm×1550mm，其厚度规格已经达到了热连轧产线的极限，主要化学成分如表1所示。

   众所周知，管线钢的DWTT性能厚度效应明显，随着厚度的增加，DWTT控制难度急剧加大。为了在保证足够强度的同时提高低温落锤性能，成分设计的主要原则包括：1）降低C含量，保证管线钢具有良好的低温韧性和焊接性；2）采用LF RH双联工艺，降低S、P含量，提高钢水洁净度，降低偏析；3）采用0.07%-0.09%Nb微合金化提高晶粒细化效果，保证钢卷在高强度的同时提供足够的韧性；4）加入Mo、Cr控制相变组织，促进针状铁素体（AF）生成，提高低温韧性；5）加入少量Cu/Ni，提高固溶强化效果的同时，利用Ni进一步提高钢的低温韧性。

   采用转炉 精炼和真空脱气工艺进行冶炼，连铸板坯厚度250mm，采用2500mm热连轧轧制，终轧后进入超快冷及层流冷却装置。在钢卷上取样，进行拉伸性能、冲击性能、硬度及DWTT等常规力学性能测试。此外，沿钢板横截面取样，经过砂纸打磨并机械抛光，制成金相试样。采用4%硝酸酒精溶液浸蚀，并利用JSM 7001F场发射扫描电镜（SEM）观察其显微组织。采用标准方法制备双喷减薄以及碳复型试样，使用JEM-2100F（HR）透射电镜（TEM）观察其显微组织。为测定原始奥氏体晶粒压扁程度，对试样进行研磨抛光后，用过饱和苦味酸水溶液 少量海鸥牌洗发膏腐蚀剂热腐蚀，加热温度在60-80℃，腐蚀时间约为3min左右，在金相显微镜下采用平均截线法测定奥氏体晶粒尺寸。

   3 试验结果与分析

   3.1 力学性能

   在试制钢卷上取样，进行拉伸试验、系列温度夏比冲击试验、系列温度DWTT试验。试验结果如表2所示。

   由表2中的试验结果可见，批量生产的25.4mm X70管线钢的力学性能均符合API 5L的力学性能要求。其屈服强度满足相应标准要求且有一定的富余量；由于钢卷厚度较厚，在30°方向很难完全压平，与板状试样相比，棒状试样的强度更高；屈强比较低，特别是均匀延伸率均达到了6%以上的水平，表现出良好的变形性能；-10℃的夏比冲击功与DWTT也都满足标准要求。由图1中钢卷的系列温度冲击与落锤性能结果可以看出，直到-60℃钢卷的冲击功均可达到250J以上，DWTT 85%的韧脆转变温度约为-30℃左右，对于极限规格高级别管线钢来说，表现出优异的低温韧性，此韧脆转变温度已经达到了较高的水平。

   3.2 显微组织

   观察试制钢卷的光学、扫描与透射显微组织（图2）。可以看出，成分中添加了较多的Mo和Cu/Ni来提高钢卷的强韧性，组织呈现典型的针状铁素体类型，晶界取向不一，相互交错。这种组织能够在裂纹扩展过程中不断改变裂纹方向，增加有效距离，从而显著提高钢卷的止裂性能。淬透性元素的增加显著提高了奥氏体的稳定性，低温组织特征明显；M/A岛组织细小，均匀分布在晶界和晶内。由于针状铁素体的块状转变机制，原奥氏体晶界严重破坏，基本上很难观察到典型的原奥氏体晶界。晶界与晶粒内部分布着大量相互交错的高密度位错，高密度的位错结构还有助于材料在受到外力而发生变形时在裂纹的尖端很易发射位错，形成位错的胞状结构，及时钝化裂纹，

   由其显微组织决定的，而本文研究的超厚规格X70良好的组织与高Nb Mo的成分设计及其工艺有密切关系。众所周知，在轧制过程中，Nb能够通过固溶的溶质拖曳作用以及析出的钉扎作用抑制奥氏体再结晶及再结晶后的晶粒长大，实现奥氏体晶粒细化，为未再结晶区的奥氏体扁平化以及形变带的增加提供有利基础；在后续冷却过程中的低温析出能起到显著的析出强化作用，并且通过抑制C的扩散来影响最终的相变过程，实现最终显微组织的细化与均匀化。而Mo作为抑制珠光体转变最为有效的合金元素之一，除了能够有效降低珠光体形核驱动力，推迟碳化物的形核和长大以外，还能够增加固溶体原子间的结合力，减小铁的自扩散系数，从而推迟了珠光体转变中的γ-α转变。

   3.3 M/A组织分析

   观察25.4mm X70 M/A组织形貌及分布情况，可以看出，组织中的M/A组织尺寸细小，绝大多数在3μm以内；形状多以圆形为主，没有出现大尺寸或尖角状等恶化管线钢低温韧性的M/A组元，在有利于提高抗拉强度的同时，保证了钢卷良好的低温韧性。

   在针状铁素体管线钢中，M/A岛的形态、体积分数以及其中的相构成都对钢的力学性能造成明显的影响。因此本文针对X70管线钢中M/A组元的细节进行了进一步分析，如图3所示，M/A岛分布在针状铁素体的晶内或晶界上，在高倍下呈现出不规则形状，衬度不均匀。其中马氏体的形态与衍射斑均可显示出孪晶马氏体的典型特征，不同束的马氏体片间互不平行，成一定角度，马氏体片中间有一个中脊面；在两个马氏体相交处呈现协作的特征，后形成的马氏体在遇到先形成的大马氏体时，将使先形成的马氏体内形成形变孪晶或使原有孪晶位移。

   众多文献研究表明，M/ A岛主要是在热变形后的连续冷却过程中，碳的扩散使得未相变奥氏体部分中的碳量明显增加，在后期冷却过程中形成。M/A岛由多个尺寸细小、取向不同的微孪晶马氏体片与残留奥氏共同组成的。微孪晶马氏体的比例增加将对钢韧性造成损失，因此热变形后提高冷却速度将使M/A岛的分布细小分散，对改善钢的韧性有好处。

   4 结论

   1）在首钢2250mm热连轧产线上采用低碳高Nb Mo/ Ni合金化的低碳当量成分体系开发出超厚规格25.4mm X70管线钢热轧卷板，产品各项力学性能满足技术条件要求。-60℃钢卷的冲击功可达到250J以上，DWTT 85%的韧脆转变温度约为-30℃左右，显示出良好的低温韧性。

   2）超厚规格X70钢卷组织主要由细小均匀的针状铁素体构成，晶界相互交错，高密度位错与析出的交互作用有力保证了钢卷的强度；M/A岛主要由奥氏体及孪晶马氏体构成，提高轧后冷却速度，使M/A岛的分布细小分散，保证了钢卷良好的低温韧性。

   （牛涛 安成钢 姜永文吴新朗 武军宽 代晓莉）