管线钢 论文

摘要目前我国经济发展迅速，对石油天然气的需求日益旺盛。

大直径管道作为石油天然气安全经济有效的输送途径之一，随着西气东送等大建设项目相继投入，国家已将其放在了优先发展的位置。

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。

“六五”期间，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敷设。

90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。

国外天然气高压输送采用高钢级钢管呈强劲的发展趋势。

微合金钢控轧技术在管线钢中的应用使得管线钢不再进行正火而大大降低了生产成本，同时微合金元素的作用使得晶粒进一步细化。

现代管线钢在组织结构上的一个重要标志是针状铁素体或低碳贝氏体。

针状铁素体或超低碳贝氏体的组织特点使高钢级管线钢在获得高强度的同时仍具有优良的韧性。

针状铁素体对韧性的贡献首先归结于它的多位向析出形态。

针状铁素体与母相之间特定的晶体学关系，不同方位的针状铁素体分别按不同的K-S关系从奥氏体中析出，获得的针状铁素体尺寸参差不齐，彼此交叉分布，其间具有大角度晶界，因而对裂纹扩展具有阻止作用。

关键词：管线钢；低碳贝氏体；DWTT；第一章 X80管线钢的概述1.1 X80管线钢简介目前我国经济发展迅速，对石油天然气的需求日益旺盛。

大直径管道作为石油天然气安全经济有效的输送途径之一，随着西气东送等大建设项目相继投入，国家已将其放在了优先发展的位置。

为了降低管线建设和运营成本，提高管线安全性和可靠性，高压大口径管线用钢不仅要具有更高强度还要具有更高韧性，所以建设高压长距离输送管线是解决长时期、大规模运输天然气的主要措施，并且我国今后将在国外寻找油资源通过海运或管道输送至国内。

目前我国石油天然气管道中应用最广的是X65和X7O针状铁素体管线钢[1],因此，国内钢铁企业为了占据市场有利位置，纷纷投入巨资进行高等级管线钢的开发与生产。

X80是高强度管线钢的美国分类型号。

早期的管线钢一直采用C、Mn、Si 型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能，对化学成分没有严格的规定。

自60年代开始，随着输油、气管道输送压力和管径的增大，开始采用低合金高强钢，主要以热轧及正火状态供货[2]。

X80管线钢典型的碳含量为0．04％～0．08％，有些含碳量达到 0．02％的超低碳水平。

由于近海和极地管线开发的需求，管线钢具有低的碳当量以便在恶劣的环境下无预热焊接，不进行焊后热处理和保证接头的低硬度、避免硫化物应力腐蚀开裂。

C的减少使屈服强度下降，通过其它强化机制的应用予以补偿。

最常用的是以Mn代C。

Mn的加入引起固溶强化，Mn提高强度的同时还提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度[3]。

由于Mn含量的增加会加速控轧钢板的中心偏析，因此根据板厚和强度的不同要求，钢中Mn的添加范围一般为1．1～2．0％。

1.2 X80管线钢的发展历史国际上X80 管线钢从二十世纪八十年代研制至今已有二十余年历史。

由于其在管线工程上的应用，对其研究更多集中在对钢管的焊接性和抗腐蚀性研究上，而对 X80 钢板材的组织和强韧性尚缺乏全面深入的研究。

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。

“六五”期间，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敷设。

90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在涩宁兰管道工程上得到成功应用[4]。

国内X80级管线钢管的研究开发于2000年开始立项,至2003 年已相继完成了不同规格的 X80钢级板卷、钢板和焊管的试制和生产,取得了突破性进展。

2004 年, 中国石油天然气集团公司科技发展部会同西气东输管道公司研究决定_ 在西气东输陕京二线联络线上进行 X80 钢级螺。

目前，国外天然气高压输送采用高钢级钢管呈强劲的发展趋势。

微合金钢控轧技术在管线钢中的应用使得管线钢不再进行正火而大大降低了生产成本，同时微合金元素的作用使得晶粒进一步细化。

1.3 X80管线钢的成分特点由于近海和极地管线开发的需求，管线钢具有低的碳当量以便在恶劣的环境下无预热焊接，不进行焊后热处理和保证接头的低硬度、避免硫化物应力腐蚀开裂。

X80管线钢典型的碳含量为0．04％～0．08％，有些含碳量达到 0．02％的超低碳水平。

管线钢中的微合金元素主要指Nb、V、Ti 等强氮化物形成元素[5]。

其作用之一是在控轧过程中阻止奥氏体晶粒长大。

另一作用是在轧制钢板时延迟γ的再结晶。

Nb具有显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强化作用，在增加强度的同时还降低韧脆转变温度。

钢中加T i可以在焊接峰值温度下能通过生成稳定的氮化物，从而有效控制晶粒长大。

V有较高的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用，因而其韧脆转变温度比含Nb和含Ti的钢都高，所以一般在管线钢设计中都不单独使用V[6]。

针状铁素体钢(一般C≤0.06％)的特点是，针状铁素体组织中含碳量低，铁素体板条相界不存在碳化物。

同时由于转变温度低，晶内位错密度高。

这类钢的典型成分为：0．06％C一1．9％Mn一0．3 Mo一0．06％Nb，高的Mn含量是因点，有利于形成细晶粒的针状铁素体，为Mn能推迟铁素体一珠光体转变，降低BS同时起固溶强化的作用，但锰的含量不宜超过2.0％,因锰易在钢中形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀性。

少量的钼(O．2％～0.4)可促使针状铁素体的形成[7]。

这类钢采用在高温动态再结晶临界温度Tr上下温度区间进行控制轧制与在线强制加速冷却，来进一步细化晶粒，使铁素体基体的均匀化程度提高,位错密度增加。

这类钢屈服强度可达650MPa。

1.4 X80管线钢的组织特点X80管线钢的典型组织为针状铁素体或低碳贝氏体。

针状铁素体钢(一般C ≤0.06％)的特点是，针状铁素体组织中含碳量低，铁素体板条相界不存在碳化物。

同时由于转变温度低，晶内位错密度高。

这类钢的典型成分为：0．06％C 一1．9％Mn一0．3 Mo一0．06％Nb，高的Mn含量是因为Mn能推迟铁素体一点，有利于形成细晶粒的针状铁素体，同时起固溶强化的珠光体转变，降低BS作用，但锰的含量不宜超过 2.0％,因锰易在钢中形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀性[8]。

超低碳贝氏体钢不仅具有优越的低温韧性，还具有良好的野外焊接性。

这类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。

这类钢的典型成分为:0．02 C一1．72％Mn一0．18 Mo一0．04％Nb一0．01 Ti一0．001％B。

这类钢的显微组织为：高密度的亚结构一细小均匀的贝氏体，其屈服强度可达650～800MPa。

目前国际上 X80、XlOO管线钢较多采用此类型组织。

第二章 X80钢热轧板卷的DWTT性能对管线钢而言，安全性无疑是最重要的因素，由于输送管道有可能要经历高寒或高温地带，深海，地震多发地带等各种复杂而且严酷的条件，所以要求管线钢具有高强度、高韧性、高变形能，产品的稳定性，高焊接性能、耐低温性能。

另外为了降低成本，提高输送效率，国内外都在尽可能地提高输送管线用管线钢的级别，据资料记载，若以API X65 为基础，当使用X80时，成本会降低5%，使用X100时，成本会降低8%。

单纯使用夏比冲击试验已不能满足对管线钢的要求。

由于管线钢落锤撕裂试验（DWTT）的结果与钢管全尺寸爆破试验结果相当吻合，容易操作，并且更接近材料的使用状态，因此人们希望用落锤撕裂试验的锤断能量值来代替夏比冲击功值，对高韧性、大壁厚的管线钢的断裂韧性进行评价[9]。

X80钢的晶粒非常细小（12级以上），X80钢的显微组织为针状铁素体组织，针状铁素体组织比铁素体+珠光体型组织在强度、韧性等方面具有更为优良的性能，这些都是X80钢具有高强度、高韧性的主要原因[10]。

国内外虽然也使用大能量摆锤进行管线钢的冲击韧性试验，但由于它占用面积太大，最大能量通常要受到限制。

在日本，过去最大做到30000焦耳，可测最大板厚为22mm。

为了测试高性能、大厚度管线钢的冲击韧性，就要使用5-10万焦耳的落锤冲击试验机[11]。

随着世界经济的飞速发展对石油、天然气的需求日益增加。

大口径高压输送及采用高钢级管材是国际管道工程发展的一个重要趋势。

已是国际上成熟和标准的管线钢钢级。

管线钢不仅要求夏比冲击试验还要求落锤撕裂试验。

落锤撕裂面积主要表征管线钢的止裂韧性对管线钢的安全性至关重要。

由于落锤试样是全厚度试样尺寸比夏比冲击试样大，因此，冲击只能表征钢板局部的韧性高低，主要指起裂功的高低而与止裂性能没有必然的联系[12]。

对于管线钢不仅要求起裂功高，还要求裂纹出现后不会迅速扩展。

管线钢采用在奥氏体未再结晶区进行控制轧制有效的增加形变奥氏体的晶界、形变带和位错等晶体缺陷从而提高了铁素体形核率细化了铁素体晶粒。

另外微合金的加入也起到了细化晶粒作用。

其组织以针状铁素体为主[13]。

（a）针状铁素体组织；（b）板条状铁素体组织现代管线钢在组织结构上的一个重要标志是针状铁素体或低碳贝氏体。

针状铁素体或超低碳贝氏体的组织特点使高钢级管线钢在获得高强度的同时仍具有优良的韧性。

针状铁素体对韧性的贡献首先归结于它的多位向析出形态。

针状铁素体与母相之间特定的晶体学关系，不同方位的针状铁素体分别按不同K-S关系从奥氏体中析出，获得的针状铁素体尺寸参差不齐彼此交叉分布其间具有大角度晶界，因而对裂纹扩展具有阻止作用[12]。

X80级管线钢板卷典型金相组织为针状铁素体块状铁素体粒状贝氏体岛，板条状铁素体形态及位错的分布呈现了针状铁素体之间的相互交错和铁素体中高的位错密度正是这种超低碳针状铁素体组织使级管线钢具有高的强度、高的冲击韧性、低的韧脆转变温度和高的抗动态撕裂能力。

第三章X80钢热轧板卷的DWTT性能影响因素DWTT是衡量管线钢管抵抗脆性开裂能力的韧性指标之一。

DWTT的结果与材料的成分、夹杂物、偏析、轧制工艺、组织有直接的关系。

3.1材料的成分对X80钢热轧板卷的DWTT性能的影响3.1.1管线钢中的微合金元素对于X80系管线钢，Mo的添加能促进中温转变组织的形成，从而得到低碳贝氏体铁素体组织。

当然Mo的固溶强化作用一般也能使强度提高。

由于热连轧和中厚板轧机轧制的物理冶金过程，以及冷却控制能力有所不同，在生产管线热卷板时，高Ni设计中仍需添加Mo元素，此保证获得足够的强度[15]。

管线钢中的微合金元素还有Nb、V、T i 等强氮化物形成元素。

其作用之一是在控轧过程中阻止奥氏体晶粒长大。

另一作用是在轧制钢板时延迟γ的再结晶。

Nb具有显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强化作用，在增加强度的同时还降低韧脆转变温度。