高级别管线钢概述

高级别管线钢概述

管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口经焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。随着石油、天然气消费量的增长，其输送的重要性显越发突出，尤其是长距离输送。而提高输送效率，提高输送的经济效益就要通过加大输送管道口径，提高输送压力来解决。从而提高了对高级别、高性能管线钢的需求。

1、国内发展概况

我国管线钢的起步较晚，国内生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史，X60～X70级管线钢已在国际市场上占有一定的地位，目前国内已投入生产的X80级管线钢质量也达到了国际先进水平，X100级管线钢已经研制出来。随着国内冶金技术装备水平的提高，我国能生产管线钢板卷的企业逐渐增多，但是能够生产X70及以上级别的钢厂仅有宝钢、武钢、鞍钢、舞钢、等。近两年来，许多钢铁厂加大了对高级别管线钢的研究开发，宝钢已研发出X120级别的管线用钢板。

21世纪是我国输气管建设的高峰时期。“西气东输”管线采用大口径、高压输送管的方法，这条管线全长4167km，输送压力为10MPa，管径为1016mm，采用的钢级为X70、厚度4.6mm，-20℃的横向冲击功≥120J。从西气东输工程钢材与钢板的国产化率统计看（表1.1）[1]，此项目X70钢材与钢管的总国产化率并不高，说明我国迫切需要加速高钢级管线钢宽厚板生产能力的建设。从总体上来看，我国X80级别以上高级别管线钢与国际上还有很大的差距，同级别管线钢的开发与应用整整比发达国家晚了近30年。

表1.1西气东输工程钢材与钢板的国产化率统计

2、国外发展概况

国外高级别管线钢呈现强劲的发展趋势，从20世纪70年代初期X65管线钢开始投入使用，80年代X70级管线钢逐渐被引入工程建设，1985年API标准中

增加了X80钢级，随后X80开始部分在一些管线工程中使用，并很快就投入到X100和X120管线钢的开发试制工作。有关X100最早的研究报告发表于1988年[2]，通过大量工作已形成很好的技术体系。表2.1为报道的部分X100管线钢的成分，相对应的力学性能列于表2.2。其成分特点是低碳、高锰，铌的质量分数为0.040%～0.06%，钛含量<0.02%以及含有钼、镍等元素。

表2.2 与表2.1对应序号成分的X100管线钢的力学性能

欧洲钢管自1995年开始进行X100的开发试制，通过试验认为采用表2.1的成分通过TMCP工艺可得到强度、韧性和焊接性较好配合的X100管线钢，并按此进行X100的试生产，到2002年已生产了数百吨壁厚在12.7～25.4 mm的X100管线钢[3]。2002年9月,TransCanada用JFE/NKK提供的口径1219 mm、壁厚14.3 mm的X100钢管在加拿大WESTPATH项目中铺设了1 km长的试验段，进行了世界上首次X100的应用试验。通过现场焊接试验，认为只要采取适当的措施，X100现场焊接的焊缝强度和韧性可以获得满意的结果。

表2.3 X120的目标性能

1993年埃克森美浮公司开始X120超高强度管线钢的研发工作，并于1996年分别与日本新日铁和住友金属签订了X120管线钢的联合开发协议[4-7]。X120管线钢的研究目标见表2.3，要求在满足高强度的同时还需具有-30℃大于231 J 的高止裂韧性。新日铁开发的X120管线钢的母材和焊缝基本成分分别见表2.4和2.5[6]。

表2.4 新日铁开发的X120管线钢母材的基本成分（wt%）

3、高级别管线钢生产工艺上关键问题

高级别管线钢生产朝着超纯净度、超细晶粒、焊接无裂纹、高抗腐蚀等方向发展，这对高级别管线钢的冶炼、轧制和焊接等工艺过程提出了更高的要求。

对于冶炼工艺来说，就是要严格控制管线钢的化学成分。随着现代冶金技术的发展，对于高级别管线钢的元素控制，已经能够确保S、P等杂质元素，O、N、H等气体元素和Pb、As、Sn、Sb、Bi等残余元素低或超低含量的管线钢的生产。碳是增加钢强度的有效元素，但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响。同时，极地管线钢和海洋管线对低温韧性、断裂抗力以及延性和成形性的需要，管线钢的碳含量成逐步下降的趋势。目前在综合考虑管线钢抗HIC性能、野外可焊性和晶界脆化时，最佳碳含量应控制在0.01%～0.06%之间[7]。硫是管线钢中影响钢的抗HIC能力和抗SCC能力的主要元素，对钢的低温冲击韧性也有影响。有研究表明[8]，当钢中硫含量大于0.005%时，随着钢中硫含量的增加，HIC的敏感性显著增加。当钢中硫含量低于0.002%时，HIC明显降低，甚至可以忽略此时的HIC。脱硫一直是冶金生产中一个重要环节，技术发展很快，在目前大生产的条件下，将管线钢的硫含量控制在0.001%以下已经能够实现。磷在管线钢中是一种易偏析元素，偏析区的淬硬性约是碳的2倍。除此之外，磷会恶化管线钢的焊

接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。对于高级别的管线钢应更加严格控制钢中的磷含量，目前有报道的X100管线钢对磷含量的要求在0.002%以下。钢中氢是导致白点和发裂的主要原因。管线钢中的氢含量越高，HIC产生的几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著。利用真空精炼脱气可很好地控制钢中的氢含量，目前已经能将钢中的氢含量降到0.0001%～0.0002%。钢中氧含量过高会生成氧化物夹杂以及宏观夹杂增加，严重影响管线钢的洁净度。钢中氧化物夹杂是管线钢产生HIC和SSC的根源之一，危害钢的各种性能。尤其是当夹杂物直径大于50μm后，严重恶化钢的各种性能。为了减少氧化物夹杂数量，一般控制钢中氧含量在0.001%～0.002%。

对于轧制工艺来说，近年来发展起来的热机械控制工艺（TMCP）是一项节约材料、简化工序和节省能源消耗的先进轧钢技术。它通过工艺手段充分挖掘钢材潜力，大幅度提高钢材的性能，给冶金企业和社会带来了巨大的经济效益，代表了HSLA钢的发展方向。TMCP技术是一种定量地、预定程序地控制热轧钢的形变温度、压下量、形变道次、形变间歇停留时间、终轧温度以及终轧后冷却速度等工艺参数。TMCP工艺包括控制轧制工艺和轧后的控制冷却工艺，最早应用于管线钢的生产。目前，管线钢的TMCP工艺技术已发展到一个新的阶段。热轧过程的计算机控制与热加工物理冶金学相结合，已有可能对轧制过程中温度的变化、组织形态、晶粒尺寸、奥氏体未再结晶区的累积应变和铁素体中残余应变，以及微合金元素碳氮化物的沉淀析出动力学等进行有效控制和准确地预测，为开发超细晶粒的管线钢，同时提高高级别管线钢的强度和韧性开辟了更广阔的途径。

对于焊接工艺来说，随着人们对管线钢质量要求的提高，对高级别管线钢的焊接安全也越来越严格。与此同时，为了提高焊接效率，单面埋弧焊（SAW）、气电焊（EGD）及电渣焊（ESW）等大线能量焊接技术已被逐步采用，但是大线量焊接使管线钢的焊接热影响区（HAZ）性能严重恶化，对高级别管线钢的安全性问题构成严重威胁。是否具有良好的可焊性已经成为管线钢质量好坏的重要判据，焊接性问题已经成为高级别管线钢开发的重要课题。