管线钢知识

管线钢知识

石油和天然气的需求迅速增长，2011-2015年世界范围内管道建设的工程投资每年近400亿美元。

西气东输二线管道以高强度X80为管材，管径1219mm，压力12MPa，主干线全长4895km。2010年底的统计资料显示，我国已建立原油管道1.9*104km，天然气管道3.3*104km，成品油管道1.6*104km，油气管道总里程已达6.8*104km，2020年有望达到20*104km。同时，与我国的能源需求和先进国家的管道水平相比，我国管道建设还有巨大的需求和潜力。

一、管道工程面临的挑战与管线钢发展方向

●管道的大管径、高压输送与高强度管线钢

由建立在流体力学基础上的设计计算可知，原油管道单位时间输送量与输送压力梯度的平方根成正比，与略大于管道直径的平方成正比。加大管道直径，提高管道工作压力是提高管道输送量的有力措施和油气管道的基本发展方向。

目前认为，输油管道合适的最大管径为1220mm，输气管道合适的最大管径为1420mm。在输送压力方面，提高压力的追求仍无止境。20世纪50-60年代的最高输送压力为6.3MPa（X52），70-80年代的最高输送压力为10MPa（X60-65），90年代后的最高输送压力达14MPa（X70-80）。近年来，国外一些新建天然气管道压力一般为10-15MPa，一些管道压力已超过20MPa（X100-X120)。

由管道设计准则可知，管道工程的大口径、高压输送这一目标可以通过增加钢管壁厚和钢管强度来实现。然而，提高管线钢的强度才是一种理想的选择。这是因为高强度管线钢的采用不仅可减少钢管壁厚和重量，节约钢材成本，而且由于钢管管径和壁厚的减少，可以产生许多连带的经济效益。据统计，在大口径管道工程中，25%-40%的工程成本与材料有关。一般认为，管线钢每提高一个级别，可使管道造价成本降低5%-15%。

●管道的低温环境与高韧性管线钢

随着管道工程的发展，对管线钢韧性的技术要求日益提高，韧性已成为管线钢最重要的性能指标。为获取高韧性管线钢，可通过多种韧化机制和韧化方法，其中低碳或超低碳、纯净或超纯净、均匀或超均匀、细晶粒或超细晶粒以及针状铁素体为代表的组织形态是高韧性管线钢最重要的特征。

超纯净管线钢：S≤0.0005%、P≤0.002%、N≤0.002%、O≤0.001%和H≤0.0001%；

超细晶粒管线钢：通过严格控制控轧、控冷条件，目前可获得这种有效晶粒

大都在尺寸达到1-2um,因而赋予了管线钢优良的韧性。现代管线钢的A

kv

可高达200-300J以上，50%FATT可达-45℃以下。经过精心控制的管线钢，其A

kv

400-500J以上，DWTT的85%FATT可降至-60℃以下。

●管道的大位移环境与大变形管线钢

所谓大变形管线钢是一种适应大位移服役环境的，在拉伸、压缩和弯曲载荷下具有较高极限应变能力和延性断裂抗力的管道材料。这种管线钢既可满足管道高压、大流量输送的强度要求和满足防止裂纹起裂和止裂的韧性要求，同时又具有防止管道因大变形而引起的屈曲、失稳和延性断裂的极限变形能力，因此大变形管线钢是管道工程发展的迫切需要，也是传统油、气输送管道材料的一种重要补充和发展。

大变形管线钢的主要性能特征是在保证高强韧性的同时，具有低的屈强比

（σ

s /σ

b

＜0.8），高的均匀伸长率（如δ

u

＞8%）和高的形变强化指数（n＞0.15）。

大变形管线钢的主要组织特征是双相组织。双相大变形管线钢不同于传统的管线钢，也不同于一般意义上的双相钢。它通过低碳、超低碳的多元微合金设计和特定的控制轧制和加速冷却技术，在较大的厚度范围内分别获得B-F和B-M/A等不同类型的双相组织。

（1）适度的加速冷却方法：在管线钢TMCP的加速冷却过程中，通过适度的冷却速率的加速冷却方法，以获取B-F双相组织。

（2）临界区加速冷却方法：通过始冷温度位于（A

r3-A

r1

)临界区的加速冷却方法，

以获取B-F双相组织。

（3）延迟加速冷却方法：通过始冷温度位于（A

r1-B

s

）温度区间的加速冷却方法，

以获取B-F双相组织。

（4）在线分配法：通过在线分配法以获取B-M/A双相组织。

●管道的深海环境与海底管道的厚壁化

迄今为止，海底管道的最高钢级为X70，已用于北海油田。世界上最大水深管道式美国墨西哥东部湾的独立输气管道（ITP），其管径610mm，壁厚34.3mm，材料X65，最大的工作压力25MPa，总长222km，水深2454m。

海底管线成分设计的主要特点是：

（1）低的含碳量；（2）低的碳当量；（3）低的S、P含量；

海底管线钢在性能和其他方面的主要特点有：

（1）高的形变强化指数和均匀伸长率；（2）低的屈强比；（3）优良的纵向拉伸力学性能；（4）低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向的均匀性，低的断口分离和层状撕裂的几率；（5）严格的尺寸偏差和精度控制；（6）由于在沈水管道的敷设过程中需要偏离预定位置焊接，低至4kJ/cm的热输入广泛应用于GMAW工艺。因此需要在低热输入下良好的焊接性。

●管道的腐蚀环境与耐腐蚀管线钢：

基本要求：（1）含碳量小于0.06%；（2）硬度小于22HRC或250HV；（3）含硫量小于0.002%；（4）通过钢水钙处理，以改善夹杂物形态；（5）通过减少C、P、Mn，以防止偏析和减少偏析区硬度；（6）通过对Mn、P偏析的控制，以避免带状组织；

●管道在恶劣环境下的焊接与易焊管线钢

（1）裂纹管线钢：现代管线钢通常采用0.1%或更低碳当量，甚至保持在

0.01%-0.04%的超低碳水平。目前国外管线钢通常要求CE

ⅡW

小于0.40%或CEpcm

小于0.20%，用于高寒地区的管线钢则要求CE

ⅡW

小于0.32%或CEpcm小于0.12%以下。

（2）焊接无脆化或无软化管线钢

采用高的焊接热输入可提高焊接的生产效率，但对焊接热影响区的性能会产生重要影响。高的焊接热输入一方面促使晶粒长大，另一方面使焊接冷却速度降低，从而导致相变温度升高形成不良组织，引起焊接热影响区的局部催化或软化。