管道是油气长距离运输的最佳方式，到2013年止，美国的天然气管道运输在陆地上天然气运输中占到了约99%。美国天然气干线管道总长为49万公里，而截至2013年底，我国天然气干线管道总长度为7.8万公里，约为美国的1/6，我国天然气管道、管网建设仍处在初期发展阶段。作为特大型钢铁企业，首钢也在积极开发同类产品，以满足国家建设的需要。
21世纪初，我国迎来管道工程建设的第三次高潮，为进一步提高管道输送效率，大厚壁、高钢级、高压输送已成为一种趋势，壁厚在25—30毫米之间的直缝埋弧焊管开始应用。但随着钢板厚度的增加，钢板表面和心部的不均匀性增加，大壁厚管线钢的落锤性能成为制约产品开发的一大瓶颈，因此对厚壁管线钢的低温韧性研究，对我国管道工程安全建设意义重大。
管线钢是微合金钢的典型代表，Nb是最重要的微合金元素之一，Nb对钢的显微组织的作用主要表现在晶粒细化、沉淀强化等方面，还可以大大改善钢的低温韧性。Nb可显著推迟钢的奥氏体再结晶，钢中加入0.04%的Nb，可将奥氏体非再结晶温度提高到930℃左右，当钢中Nb含量增加时，对奥氏体再结晶的延迟可在相当高温度下发挥作用。
TMCP是一种控制道次和温度，调节奥氏体的热变形制度。通过形变控制和相变控制使钢的晶粒尺寸得到显著细化、组织结构得到控制，从而使钢材具有优良的综合性能。控制钢坯加热温度，控制原始奥氏体晶粒度，强化奥氏体再结晶区的变形和未再结晶的位错累积，细化有效晶粒尺寸，提高钢板低温韧性，尤其是控制冷却工艺，可以使晶粒得到极大细化。
通过设计不同的成分体系，利用热模拟试验，来确定CCT曲线，明确不同合金元素组合对相变规律和组织形态的影响，具体化学成分如表1所示，A试验钢添加适量Mo和Cr合金。
将φ8×12mm的热模拟试样加热到1200℃，保温5min奥氏体化，随后以15℃/s冷却至1050℃进行20%的压缩变形，然后以15℃/s的速度冷却至820℃，进行30%变形，然后进行冷却，冷速分别为20℃/s、13℃/s、10℃/s、5℃/s、2℃/s、0.5℃/s。应变速率选20S-1。
两种试验钢的相变规律不同，通过两种试验钢的动态CCT曲线和不同冷速下的显微组织，可以发现，试验钢A添加适量Mo+Cr合金，在冷却速率为0.5℃/s的显微组织为准多边形铁素体，当冷却速率大于2℃/s的显微组织基本全部为针状铁素体+贝氏体；试验钢B中无Mo、Cr合金，在冷却速率为0.5—2℃/s的显微组织为多边形铁素体+珠光体，当冷却速率达到10℃/s的显微组织基本全部为针状铁素体。
加热制度与奥氏体晶粒细化
根据Irvine公式：
log[Nb][C+12/14N]=-6770/T+2.16，结合X80的Nb、C、N含量，计算Nb合金完全固溶温度为1181℃。利用热模拟实验，将试样以10℃/s的速度加热，加热温度分别为1100℃、1140℃、1180℃和1200℃，保温时间10min后水淬，观察试样的奥氏体晶粒尺寸可见，X80试验钢在1140℃以下加热时，奥氏体晶粒尺寸增加缓慢，晶粒细小均匀，平均奥氏体晶粒尺寸小于50μm。当加热温度达到1200℃时，奥氏体晶粒出现明显粗大和不均匀，个别奥氏体晶粒尺寸达到150μm。
轧制变形量与奥氏体晶粒均匀性
利用热模拟试验，将φ8×12mm的样品加热至1200℃，保温300s奥氏体化，然后以15℃/s的速度冷却到1050℃并保温30s，然后分别进行5%，10%和15%的压缩变形，应变速率为20S-1，变形后保温60s后淬水到室温，观察相同变形温度不同变形量下奥氏体晶粒，金相可知，在1050℃变形，变形量为5%，奥氏体晶粒粗大不均，平均奥氏体晶粒尺寸约为65μm，没有明显细化的迹象，说明在较小的变形量下基本没有发生再结晶。当变形率达到10%时，奥氏体晶粒形核均匀，平均奥氏体晶粒尺寸约为45μm，奥氏体晶粒得到细化。当变形率达到15%时，奥氏体晶粒平均尺寸约为30μm，奥氏体晶粒得到更加明显的细化。
结合厚壁X80管线钢的实际生产，充分发挥首钢4300mm轧机的能力，通过提高轧机轧制力和扭矩，使粗轧单道次变形率达到15%以上，精轧总压缩比达到65%以上，两阶段施以大变形后，钢板奥氏体组织被充分压扁、拉长，心部奥氏体得到充分细化，厚度方向奥氏体晶粒均匀细小。
组织形态及M/A岛第二相控制
快速冷却技术可以有效控制相变组织形态以及基体中的M/A岛形态和尺寸，利用热模拟试验，对X80管线钢在不同冷却条件下所形成的组织形态进行分析和对比，可以看到经过强化冷却工艺的钢板，贝氏体组织更加细小，基体间的M/A岛组元更加弥散细小，M/A岛组元的含量也相对下降。
厚壁X80管线钢的低温韧性对比
首钢厚壁X80管线钢的工业化生产是在首秦4300mm生产线进行的，钢板化学成分为Mo-Cr复合的A成分体系，由于高加热温度和高终冷温度有利于实际生产的实施，因此采用了两种不同的生产工艺，1号工艺的加热温度比2号工艺高，1号工艺的终冷温度也比2号工艺高，两种工艺下的轧制道次压下量相同。通过优化的生产工艺，首钢厚壁X80解决了低温韧性问题，尤其是厚板的落锤性能难题，形成稳定批量生产，很好的满足了西二线的标准要求。
综上所述，本文利用热模拟试验得出，采用超低碳设计，结合发挥显著作用的合金元素Mo和Cr来弥补中厚板心部冷却不足，可以促进全壁厚匀质贝氏体相变组织形成。
本文通过Irvine公式计算和热模拟试验得出，加热过程的加热温度对细化原始奥氏体晶粒至关重要，通过控制板坯加热温度，在保证Nb合金完全固溶的情况下，抑制原始奥氏体晶粒的粗化，可形成均匀而细小的奥氏体组织。
结合厚壁X80管线钢的实际生产，通过提高轧机轧制力和轧制扭矩，使粗轧阶段单道次变形率达到15%以上，精轧阶段总压缩比达到65%以上，可使奥氏体充分均匀化，之后通过快速冷却技术获得细化的贝氏体组织和弥散的M/A岛组元，使得M/A岛第二相在贡献强度的同时也带来低温韧性的改善。
通过优化的生产工艺，首钢成功开发超低碳贝氏体厚壁X80管线钢，并在西二线得到规模应用。大壁厚、高韧性管线钢代表未来的发展趋势，尤其是深海管线的开发，还有很多工作去做，比如大壁厚管线钢的焊接性能、抗HIC和SSCC性能等等。
(来源：首钢日报）
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