浅析海上结构用X100Q无缝钢管的开发-江苏省钢铁行业协会

在全球范围内高强度低合金钢已广泛应用于自升式钻井平台、风电安装船等海上结构领域。随着对更高强度材料需求的不断增长，X100Q钢已成为极具潜力的候选材料，这是一种低碳含量的碳锰钢，采用均衡微合金化设计。本研究中，先将棒材热轧制成无缝钢管，随后对钢管进行调质处理。对钢管的显微组织表征结果显示，其显微组织由贝氏体和回火马氏体组成。力学性能表征表明，该材料在低至-60℃的温度下仍同时具备高强度与高韧性。

1 引言

自升式钻井平台和风电安装船均为自升式平台。前者用于浅水区油气勘探；后者用于海上风电场建设。全球对这类应用的需求日益增长，尤其是在存在水流、风暴载荷、海浪和低温等恶劣环境条件的场景下，这就要求用于自升式钻井平台和风电安装船的钢材兼具高强度与高韧性。

基于此，高强度低合金钢（HSLA）成为此类海上结构应用的常用选择，而X100管线钢则是潜在候选材料之一。该钢种通常用于管道领域，目前也正针对海上应用场景进行评估。在自升式钻井平台和风电安装船中，高强度低合金钢主要用于桁架式桩腿和桁架式起重机。高强度低合金钢兼具高强度、良好的成形性和可焊性，这些关键性能是确保海上结构安全建造与运营的重要保障。优化钢材化学成分设计以及采用适当的热处理工艺，对于获得最终产品所需的显微组织和力学性能至关重要。

本研究制备了低碳成分设计的X100Q无缝钢管，该钢种等同于美国船级社（ABS）《材料与焊接规范-第2部分》和挪威船级社（DNV）DNV-OS-B101标准中针对海上结构应用规定的钢种，并通过拉伸试验、硬度试验和冲击试验对其力学性能进行了评估。与此同时，采用光学显微镜（LOM）和扫描电子显微镜（SEM）对钢管的显微组织进行了表征。

2 材料与方法

无缝钢管由巴西热塞阿巴市瓦卢瑞克南美公司采用连铸坯生产而成。所研究钢材的化学成分限值、碳当量（CE_IIW）及焊接裂纹敏感性指数（P_CM）如表1所示。CE_IIW和P_CM可分别通过如下公式（1）和公式（2）计算得出。

CE_IIW=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

（1）

P_CM=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

（2）

本研究中，将直径为406mm的钢棒热轧成三种不同尺寸的钢管。所有钢管的外径（OD）均为355.6mm，壁厚（WT）分别为27.8mm、30mm和40mm。轧制完成后，将钢管置于步进式加热炉中，在高于900℃的温度下进行奥氏体化处理。淬火过程在配备内部喷水装置和外部侧面喷水装置的水槽中进行。淬火后，在高于600℃的温度下对钢管进行回火处理。

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对钢管的显微组织进行表征。在分析过程中，按照标准金相学流程对试样进行研磨和抛光，然后用3%硝酸酒精溶液（3%Nital）进行腐蚀。

根据美国材料与试验协会（ASTM）标准ASTM A255-10，通过末端淬火试验（Jominy试验）评估钢材的淬透性。依据ASTM A370-23标准，在室温下进行拉伸试验，拉伸试样的主轴方向分别与轧制方向平行和垂直。按照ASTM E23-23标准，采用全尺寸标准试样（10mm×10mm×55mm），分别在-60℃、-40℃、-20℃和0℃温度下进行夏比V型缺口（CVN）冲击试验。夏比V型缺口冲击试验试样取自钢管壁厚中部，其主轴方向与轧制方向垂直。根据ASTM E92-23标准，分别在淬火状态和调质（QT）状态下，对钢管外表面、壁厚中部和内表面进行维氏硬度试验（HV10）。

3 结果与讨论

不同奥氏体化温度下试样的淬透性结果如图1所示。由图1可知，奥氏体化温度越高，材料的淬透性越好。这种现象与原奥氏体晶粒尺寸（PAGS）直接相关。随着温度升高，奥氏体晶粒会发生粗化，导致单位体积内的晶界面积减少。因此，在连续冷却转变（CCT）曲线图中，随着奥氏体晶粒尺寸的增大，转变曲线会向更长时间方向移动，由于扩散型相变的形核位置减少，更有利于马氏体的形成。对于前三个较低的奥氏体化温度（920℃、950℃、980℃），硬度平台区（约240HV10）从20mm深度处开始；而在1010℃奥氏体化温度下，硬度平台区从35mm深度处开始。由于该钢种用于桁架结构，焊接性能至关重要，因此，需要控制其淬透性。低碳含量设计结合均衡的钼、锰、镍和铜含量，在确保钢材具备必要淬透性的同时，不会对其焊接性能产生不利影响。

图2（a）和图2（b）分别为壁厚27.8mm、30mm和40mm的钢管在淬火状态和调质状态下的硬度直方图。硬度试验点分布在钢管纵向的不同位置（前端、中部和后端）以及横截面的不同位置（外径处、壁厚中部和内径处）。

从图2（a）可以看出，淬火状态下的硬度值与末端淬火试验中观察到的硬度范围一致。壁厚为27.8mm的钢管获得了最高的平均硬度，这符合预期，因为壁厚越薄，沿壁厚方向的平均冷却速率越高。总体而言，硬度试验结果令人满意，大多数硬度值高于300HV10。

在调质状态下，硬度结果具有良好的均匀性。壁厚27.8mm、30mm和40mm的钢管平均硬度分别为279HV10、283HV10和275HV10。根据美国船级社（ABS）标准，对于与X100Q等效的钢种，母材硬度不得超过420HV10，焊接后硬度不得超过350HV10。基于此，本研究中钢管的硬度结果均低于上述两项标准规定限值，具有较大的安全裕度。

图3（a）和图3（b）分别为沿钢管纵向截取的试样的屈服强度和抗拉强度分布直方图；图3（c）和图3（d）分别为沿钢管横向截取的试样的屈服强度和抗拉强度分布直方图。图3中的红色虚线代表根据挪威船级社（DNV）DNV-OS-B101标准和美国船级社（ABS）《材料与焊接规范-第2部分》规定的性能要求。其中，屈服强度（YS）最小值为690MPa，抗拉强度（UTS）范围为770-940MPa。由图3可知，两种测试方向下的性能均满足标准要求，且具有较大安全裕度。在纵向方向上，考虑到所评估的三种壁厚，屈服强度范围为705-810MPa，抗拉强度范围为780-870MPa。对于壁厚40mm的钢管，其强度值略低于壁厚27.8mm和30mm的钢管，这种现象符合预期，因为随着壁厚增加，壁厚中部的冷却速率会降低。在横向方向上，三种壁厚钢管的屈服强度范围为730-810MPa，与纵向几乎持平；抗拉强度范围为820-870MPa。因此，所制备的钢管获得了满足X100Q钢要求的良好屈服强度和抗拉强度范围，完全符合相关标准规定。

图4展示了钢管在热处理过程中的显微组织演变。图4（a）和图4（b）为钢管在轧制状态下的显微组织；图4（c）和图4（d）为钢管在淬火状态下的显微组织；图4（e）和图4（f）为钢管在调质状态下的显微组织。对于调质状态的试样，还采用扫描电子显微镜进行了表征，图4（g）和图4（h）为利用二次电子探测器获取的扫描电子显微镜图像。

在轧制状态下，显微组织主要由贝氏体组成。由于轧制温度约为1100℃，且该钢种的合金设计中含有能提高钢材淬透性的元素，因此，即使钢管冷却至室温，预期也会形成此类显微组织。在淬火状态下（图4（c）和图4（d）），显微组织主要由贝氏体和少量板条马氏体岛组成，这是低碳钢典型的显微组织特征。经过调质处理后，可观察到显微组织主要为细化的回火贝氏体和少量回火马氏体，这与淬火后获得的显微组织特征一致。图4（g）和图4（h）为调质状态下的扫描电子显微镜图像，从中可观察到在贝氏体板内部及板之间分布着非常细小的析出相。

利用Thermo-Calc软件对该钢种的平衡成分进行了热力学模拟。模拟结果展示了在高温下起到晶界钉扎作用的主要析出相以及在回火过程中形成的低温析出相。从模拟结果中可以发现，最先形成的析出相为氮化钛（TiN）、碳氮化铌（Nb（C,N）和氮化铝（AlN），其形成温度分别为1375℃、1160℃和1125℃。众所周知，这些在高温下形成的析出相能够钉扎晶界，起到细化晶粒、提高钢材强度和韧性的作用。此外，根据这些析出相的溶解温度可知，热处理过程中采用的奥氏体化温度是适宜的，因为在该温度下这些析出相能够保持稳定。在约800℃时，开始发生奥氏体向α-铁素体的转变；随着温度降低，会开始形成钼、钒、钨、铬、锰的碳化物等低温析出相，同时还会形成渗碳体（Fe₃C），而渗碳体是实现钢基体强化的主要析出相。

图5展示了吸收功和剪切面积分数随试验温度的变化情况，数据涵盖了壁厚为27.8mm、30mm和40mm的钢管。红色虚线分别代表根据挪威船级社（DNV）DNV-OS-B101标准和美国船级社（ABS）《材料与焊接规范-第2部分》规定的海上结构应用中纵向（69J）和横向（46J）冲击吸收功的最低要求。需要注意的是，这些标准并未对剪切面积的最小值作出规定。

所有试验结果在两种测试方向上均高于最低要求，且具有较大的安全裕度。仅有一个数据点（壁厚30mm的钢管在-60℃温度下）的吸收功低于100J。随着温度降低，吸收功下降是预期现象，但该材料的吸收功下降并不剧烈，因此有望满足标准中对极低温环境应用的要求。这种优异的性能表现可归因于图4（e）至图4（h）中所述的显微组织特征，即细化的回火贝氏体基体与均匀分布的细小析出相。

图6展示了在-60℃下进行夏比V型缺口（CVN）冲击试验后，试样断口表面特征的扫描电子显微镜（SEM）图像。在评估试样中观察到的断裂模式，已在图5（a）中通过二次电子探测器以80倍放大倍数进行了重点呈现。如图6（a）中各对应字母所示，图6（b）、图6（c）和图6（d）分别对应不同的分析区域。

从图6（a）中可以看出，正如在如此低的温度下所预期的那样，X100Q钢同时出现了延性断裂和脆性断裂两种断裂模式。图6（b）以更高的放大倍数展示了两种断裂模式之间的过渡区域，从中可观察到脆性区域存在二次裂纹。由于温度极低，体心立方（BCC）结构的钢材通常会发生脆化现象，X100Q钢也不例外。这是因为该晶体结构中的螺型位错缺乏足够的热激活能来实现运动。图6（c）显示了延性区域的韧窝，该区域发生了一定的塑性变形；而在图6（d）中，可观察到沿晶体学平面的解理特征，这表明材料发生了脆性断裂。

4 结论

本研究通过优化成分设计，辅以冶炼、轧制及热处理全流程的精准控制工艺，成功制备出可满足海上结构应用需求的X100Q高强度无缝钢管。对所有评估规格的钢管而言，其拉伸性能与硬度均具备较大安全裕度；即便在环境温度低至-60℃的条件下，该钢管也能保持良好的冲击韧性。该材料之所以兼具高强度与适宜的低温韧性，主要源于其特殊的显微组织——以回火贝氏体为主，伴有少量回火马氏体岛，且基体中均匀分布着细小的析出相。