管线钢综述

管线钢综述

欧阳高凤

摘要：本文对管线钢的大概发展历程、成分冶金、显微组织、力学性能、轧制工艺、焊接性及焊接工艺进行了论述，从而能够了解管线钢的发展，为课题研究打下基础。

关键词：管线钢成分显微组织力学性能生产工艺焊接工艺发展

1 管线钢的大概发展历程

半个多世纪以来，随着石油和天然气的开发和需求量的增加，从而带动了管线钢的发展。由于管道运输具有经济、方便、安全等特点，进入二十一世纪以来，管线钢呈现蓬勃发展的趋势。我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线铺设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，随后成功研制了X80管线钢，X70和X80管线钢已大量应用于油气管道运输中。近几年开发的高强韧的X100和X120管线钢还处在试验阶段，应用方面还比较少。

在我国，石油、天然气的运输基本上已经实现了管道运输。但是与世界上工业发达国家相比，国内的管道运输在质量上和数量上都存在很大差距。中国虽然为世界的主要石油出产国之一，但输油输气的管道不足世界管线总长度的百分之一，而且普遍存在输送压力低、管径小的缺点。随着我国油气资源的进一步开发利用，西气东输的工程实施，油气管线向长距离、大口径发展是必然趋势。下面从管线钢的冶金成分、显微组织、力学性能、生产工艺及焊接工艺等方面，进一步较详细的介绍管线钢的发展。

2 管线钢的冶金成分的发展

管线钢和其他的微合金钢一样，都是在传统的C-Mn钢的基础上加上合金元素。合金元素主要以Nb、Ti、V或少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B为主，以这些合金元素来对管线钢进行合金设计，以达到不同的强度等级及性能要求。

管线钢的冶金成分的发展大致经历三个阶段。第一阶段为1950年以前，是以C-Mn和C-Mn-Si钢为主的普通碳钢，强度级别在X52以下。第二阶段为1950-1972年，在C-Mn钢的基础上引入微量的Nb、Ti、V，通过相应的热轧和轧后处理工艺，提高了钢的综合性能，生产出X60及X65级别的钢。第三阶段为1972年至今，这一阶段合金化的发展特点为微合金的多元化，相继又加入少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B，结合控轧控冷的新工艺，生产出综合性能优异的管线钢，主要以X70和X80管线钢为主，X100和X120管线钢在试验研究阶段。

下面具体论述以下管线钢中这些合金元素或微合金元素的作用及添加量。2.1 碳

碳是最传统的合金元素、强化元素，而且也是最经济的元素，但它对钢的可焊性影响很大。碳是影响焊接性能最敏感的一个元素，所以20多年来管线钢的碳含量是逐步趋向于低碳或超低碳方向发展。而且随着含碳量的增加，韧性下降，偏析加剧，抗HIC和SSC的能力下降。因此，随着管线钢级别的提高，碳含量应逐渐降低。管线钢的含碳量从开始的1.0%左右逐步降低，最低可达到0.01%。

但含碳量也不能过低，因为碳含量的降低，会使钢的强度降低。过低的碳含量会给钢带来不利的影响，这是因为碳是以间隙元素存在于钢中，当碳含量低于0.01%时晶界的结合强度极低，这不仅降低了母材的韧性，同时使热影响区的晶界呈完全脆化状态。研究表明管线钢含碳量的理想范围是0.01%-0.05%。

2.2 锰

钢中碳含量的降低会导致其屈服强度下降，可以使用其他强化机制给以补偿，其中最常用的是在降C的同时，以Mn代C。目前Mn作为管线钢中的主要合金元素而被采用。锰可以起到固溶强化的作用，在提高强度同时也提高韧性，降低钢的脆性转变温度，并能够起到脱硫的作用，防止热裂。锰还能降低相变温度，使铁素体的晶粒细化。但是锰含量过高会加速控轧钢板的中心偏析，从而引起钢板力学性能的各向异性，且导致抗HIC性能降低。在管线钢中锰含量通常不超过1.5%。近年来的研究工作表明，锰含量在2.0%以下，钢的强度随锰含量增加而提高，而冲击韧性下降的趋势甚小，且不影响其脆性转变温度。因此根据管线钢板厚和强度的不同要求，钢中Mn的质量分数一般为1.1%--2.0%。

2.3 铌、钒、钛

铌、钒、钛这三种元素是作为提高低碳锰钢强度的微合金化元素加入到钢中，它们在钢中的作用是各不相同的，但就目前管线钢的生产工艺条件下，都是通过晶粒细化和沉淀硬化(包括应变诱导析出)来影响钢的性能。

微合金钢最主要的，也是最基本的强化机制是晶粒细化机制。对于控轧控冷工艺来说，在进入精轧之前坯料应具有尽可能细的奥氏体晶粒，然后在不发生再结晶的条件下精轧，从而保证相变后的铁素体晶粒的细化。研究表明，从细化铁素体晶粒的效果来看，Nb最为明显，Ti次之，V最差。Nb、V 、Ti的含量分别为0. 09% , 0. 08%和0. 06%较合适。含量再增加，则细化铁素体晶粒的效果并不会进一步增大。

铌是管线钢中重要的微合金元素。微量的铌可以显著提高奥氏体的再结品温度，为非再结品区提供更加宽的温度空间，能够有效阻止形变奥氏体的回复和再结晶，有利于奥氏体形变量的积累。在高温区，固溶的铌原子了对晶界的迁移起到拖拽作用；在低温奥氏体区，应变诱导析出的Nb(C, N)粒了起到了钉扎位错的作用。

钒在针状铁素体中主要以V(C, N)作为低温析出的沉淀强化相来提高钢的强度。

降低钢中的固溶氮含量，通常均采用微钛处理，使钢中的氮被钛固定。由于TiN的溶解温度较铌或钒的氮化物高得多，它可以更有效地阻止奥氏体晶粒在加热过程中长大以保证坯料具有较细的初始奥氏体晶粒和防止焊接热影响区晶粒的长大，从而显著改善焊接热影响区的韧性，提高钢的焊接性。

铌、钒、钛在微合金钢中的另一个重要作用是沉淀强化效应。它们与碳、氮都有较强的亲和力，可以生成碳化物、氮化物或碳氮化物。钛在管线钢中的加入量一般都不超过0.03%。钛在钢中几乎都以TiN存在，难以再形成TiC，因此管线钢中的沉淀硬化主要取决于铌和钒的存在。

2.4 钼

研究表明，钼可扩大奥氏体相区，推迟先共析铁素体和珠光体的转变，降低过冷奥氏体的相变温度，抑制多边形铁素体的形成，促进针状铁素体转变。同时，在含Nb管线钢中，Mo可提高Nb(C,N)在奥氏体中的固溶度，降低Nb( C,N)的析出温度，使更多的Nb( C ,N)在低温铁素体中析出，从而提高Nb(C,N)的沉淀强

化效果。

2.5 铜、镍、铬

在管线钢中添加Cu、Ni、Cr等合金元素，在其表面形成钝化膜，减少氢气的入侵，因而阻止了氢致裂纹的产生。同时还能够非常有效地提高抗大气腐蚀

能力。另外，这些元素还具有强化基体的作用。

2.6 硼

硼元素过去一直用来提高合金结构钢的淬透性，然而近来也用于微合金高强度钢，以降低碳当量和获得高的焊接性能。研究表明，硼含量在0.001%时就可使钢的显微组织全部转变为贝氏体，而且硼在含铌或钛的钢中可以进一步提高奥氏体的再结晶温度，并降低奥氏体的转变温度，更有利于晶粒的细化和组织的强化。过量的硼可以较显著地提高强度，但却降低韧性，特别是对脆性转变温度的影响更大。另外有文献指出，含硼管线钢的碳含量是一个需要注意的问题，含碳量过高会导致钢的屈服强度和韧性的降低。因此，含硼管线钢的碳含量必严格控制在0.05%以下。

3. 显微组织的演变及其相应的力学性能

60年代以前，管线钢的基本组织形态为铁素体和珠光体。X52和低于这种强度级别的管线钢均属于铁素体--珠光体钢，这种钢的基本成分是C-Mn，一般采用热轧和正火热处理。通常认为，铁素体--珠光体管线钢具有晶粒尺寸约为7μm的多边形铁素体(体积分数约70% )。随着珠光体的含量增加，钢的强度提高，但会导致钢的韧脆转变温度升高，焊接性变差。

为避免珠光体对管线钢韧性的损害，60年代末出现了以X56、X60和X65为代表的少珠光体钢。少珠光体钢含碳量一般小于0.1%，Nb、V、Ti的总含量小于0.1 %。这类钢突破了传统铁素体一珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入了微合金化钢控轧的生产阶段。特别是Nb、V、Ti等碳化物可细化晶粒，提高强度和韧性。通常认为，少珠光体管线钢应具有晶粒尺寸约为5μm的多边形铁素体，且珠光体的体积分数约10%。一般认为，在保证高韧性和良好焊接条件下，少珠光体钢强度的极限水平为500--500M Pa。

为进一步提高管线钢的强韧性，研究开发了针状铁素体钢。针状铁素体管线钢的研究始于20世纪60年代末，并于20世纪70年代初投入实际工业生产。在锰铌系基础上发展起来了低碳锰-钼-铌系微合金管线钢，一般碳含量小于0.06%。通过钼的加入，降低了相变温度以抑制块状铁素体的形成，促进针状铁素体的转变，并能提高碳氮化铌的沉淀强化效果，因而在提高钢强度的同时，降低韧脆转变温度。针状铁素体是在冷却过程中，在稍高于上贝氏体温度范围，通过切变相变形成的具有高密度位错的非等轴贝体铁素体。针状铁素体钢通过微合金化和控制轧制与控制冷却，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650M Pa，—60℃的冲击韧性达80J。

为适应开发北极和近海能源的需要，在针状铁素体研究的基础上，于80年代初开发研究出超低碳贝氏体钢。超低碳贝氏体钢在成分设计上选择了C、Mn、Nb、Mo、B、Ti的最佳配合，从而在较宽广的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织。在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合金元素的含量和进一步完善控轧与控冷工艺，超低碳贝氏体钢的屈服强度可达到700--800M Pa，因而超低碳贝氏体钢被誉为21世纪的控轧钢。

目前，X70和X 80管线钢的金相组织主要为针状铁素体型组织。这种钢的

焊接性能、断裂韧性、抗硫化氢应力腐蚀抗氢致开裂等方而的性能比铁素体一珠光体型管线钢好得多。对于X100管线钢来说，基体为粒状贝氏体并分布着一定量的MA组元，但是要求高强度下仍具有合适的UWTT韧性。此外，X100管线钢的可焊性及止裂性能也是X100管线钢开发的研究重点。

4. 管线钢的主要生产工艺

管线钢在进入微合金化钢的控轧生产阶段之前，传统的铁素体--珠光体钢主要是热轧、正火工艺。现在生产管线钢的主要工艺是控制轧制和控制冷却技术。

控制轧制和控制冷却技术TMCP( themol-mechanical controlled process)是20世纪60 --70年代发展起来的热机械处理或形变热处理技术。控轧控冷技术代表了高强度低合金钢的发展方向。控轧控冷是一种定量的按预定程序控制热轧钢形变温度压下量(形变量)、形变道次、形变间歇停留时间、终轧温度以及终轧后的冷却速率、终冷温度卷取温度等参数的轧制工艺。TM CP以取得最佳细化晶粒和组织状态，通过多种强韧化机制改善钢的性能为根本目标。

控制轧制与普通轧制不同，其主要差别在控轧不仅通过热加工使钢材达到所规定的形状和尺寸，而且通过钢的形变强化充分细化钢材的晶粒和改善组织。控轧实际上是高温形变热处理的一种派生形式。控制轧制的主要目的在于在相变过程中，通过控制热轧条件而在奥氏体基体中引入高密度的铁素体形核点，包括奥氏体晶粒边界、由热变形而激发的孪晶界而和变形带，从而细化相变后钢的组织。

4.1 控扎的阶段划分

通常将控制轧制分为3个阶段：

(1)奥氏体再结晶阶段(>1 000℃)。在这一温度范围内，奥氏体变形和再结晶同时进行，因再结晶而获得的细小奥氏体晶粒，将导致铁素体晶粒的细化。

(2)奥氏体非再结晶阶段(950℃--A r3)。在这一温度范围内，形变使奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳氮化物因应变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒。

(3) (γ+α)两相区轧制阶段(A r3-- A r1)。在这一温度范围内，奥氏体和铁素体均发生变形，形成亚结构。亚晶强化使强度进一步提高。实践表明，非再结晶区变形突破了再结晶区所能达到的奥氏体晶粒尺寸极限，在一定的变形量下，非再结晶的晶粒细化也会达某一极限，这一极限只有通过两相区变形才能突破。

4.2 控扎的工艺参数

板坯轧制之前的再热温度通常比普通碳锰钢再热温度低。这是因为再热温度低可以提高粗轧最后阶段的再结晶晶粒尺寸的细化程度和均匀性，因而可改善中厚管线钢的低温韧性和强度水平。同时，降低板坯再热温度，还可缩短轧制工程中的待温时间，从而提高轧制生产能力。

奥氏体再结晶区一般采用大的道次形变量，以增加奥氏体再结晶数量，阻止应变诱发晶界迁移，从而细化晶粒。

降低终轧温度可使晶粒细化从而使屈服强度和韧脆转变能力改善。降低终轧温度改善强韧性的倾向对其他化学成分的管线钢也有普遍性。然而，随终轧温度的降低，钢的变形抗力提高，轧机的轧制力和轧制力矩也增加。

4.3 控制冷却

在管线钢控制轧制和控制冷却的诸多工艺参数中，冷却速率和终冷温度至为重要。随着高强度管线钢的开发，高的冷却速率和低的终冷温度已成为管线钢控

制冷却中的关键技术。通过高的冷却速率和低的终冷温度的实施，可使管线钢获得细小的针状铁素体或贝氏体组织，从而达到高强韧的目的。在加速冷却中较高的冷却速率不仅有利于通过相变强化获得高强度，而且有利于通过细化相变的显微组织获得高韧性，因而可采用合金含量较低的材料达到高的强韧要求。

5. 焊接工艺

焊接工艺参数中主要包括预热温度和焊接线能量。管线钢焊接前采用合适的预热温度可焊接裂纹的产生，有利于钢的韧性的提高。焊接线能量是焊接工艺参数中最重要的参数。焊接线能量不仅影响粗晶区的焊接热循环的峰值温度，还影响粗晶区的加热速度、高温停留时间和冷却时间，这一切都影响到在奥氏体晶粒长大区间的持续时间，在此区间停留时间越长，奥氏体晶粒越粗大。因此，线能量的大小不仅影响晶粒尺寸，而且影响组织结构，也即影响了粗晶区的韧性。

在中等线能量下，具有较高的韧性；过小的线能量和过大的线能量都会引起韧性恶化。管材焊接粗晶区的晶粒大小随线能量的增加而增加。焊接线能量对粗晶区的冲击韧性影响最为显著。研究表明，对于X80管线钢而言，当采用8 kJ/cm 的线能量和60℃的预热温度时，粗晶区的晶粒较细，组织由板条贝氏体和一定量的粒状贝氏体组成，由于粒状贝氏体对板条贝氏体的分割作用，使板条贝氏体的长度较小，方向性差，表现的韧性最优越。因此在X80管线钢的焊接中为使粗晶区获得较高的韧性，应采用较小的线能量和合适的预热温度。

6. 结语

管线钢的发展已半个世纪多，管线钢的成分、显微组织、力学性能、生产工艺及焊接工艺也在随着实际应用中对管线钢的性能要求的不断提高而发展变化。

(1) 从方面来讲，管线钢的含碳量逐渐降低，合金多元化，添加的合金元素以锰、钼为主，微合金化元素主要有铌、钒、钛、铜、镍、铬、硼等，硫、磷等有害元素已控制在很低的含量。现在管线钢的含碳量主要在0.02%--0.06%范围内，锰含量在1.1%--2.0%，铌、钒、钛的总含量在1.0%--2.0%，硼的含量控制在0.05%以下。

(2) 显微组织的演变与管线钢的成分的变化和轧制工艺的发展有紧密的关系，也就是管线钢的成分和生产工艺决定了其纤维组织。显微组织的大致演变过程为铁素体珠光体---针状铁素体---超低碳贝氏体。其性能的变化是强韧性不断提高，焊接性有所改善。

(3) 管线钢最初始的生产工艺主要是热轧、正火，而进入微合金化阶段后，主要以控轧控冷技术为主。控轧控冷工艺中采用比普通碳锰钢较低的再热温度，大的道次变形量，较低的终扎温度以及高的冷却速率和低的终冷温度，以期取得最佳细化晶粒和组织状态和较高的强韧性。

(4) 焊接工艺参数中，焊接线能量最为重要。在中等线能量下，具有较高的韧性；过小的线能量和过大的线能量都会引起韧性恶化。管材焊接粗晶区的晶粒大小随线能量的增加而增加。焊接线能量对粗晶区的冲击韧性影响最为显著。管线钢的焊接中为使粗晶区获得较高的韧性，应采用较小的线能量和合适的预热温度。