管線鋼綜述

(西北有色金屬研究院(集團(tuán))西部寶德科技股份有限公司 陜西 西安 710201)

引言

石油和天然氣是現(xiàn)代社會中不可或缺的兩種能源，占全球一次能源的57%。將能源通過長距離管道進(jìn)行運(yùn)輸是最安全，最經(jīng)濟(jì)，最環(huán)保的方式。根據(jù)國家能源規(guī)劃，中國石油天然氣集團(tuán)完成了油氣管道和管網(wǎng)建設(shè)的全面布局，特別是“十一五”以來開始建設(shè)與西北中亞、東北俄羅斯、西南緬甸的三大陸上油氣通道，統(tǒng)籌國內(nèi)外資源與市場，基本上形成了連通海外、覆蓋全國的油氣骨干管網(wǎng)。

現(xiàn)代管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，是高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品，管線鋼生產(chǎn)幾乎應(yīng)用了冶金領(lǐng)域近20多年來的一切工藝技術(shù)新成就。目前管線工程的發(fā)展趨勢是大管徑、高壓富氣輸送、高冷和腐蝕的服役環(huán)境、海底管線的厚壁化。因此現(xiàn)代管線鋼應(yīng)當(dāng)具有高強(qiáng)度、低包申格效應(yīng)、高韌性和抗脆斷性、低焊接碳當(dāng)量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕的能力。優(yōu)化的生產(chǎn)策略是優(yōu)化鋼的潔凈度和組織均勻性等特性。經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，目前管線鋼和管線鋼管已成為材料科學(xué)和管道工程中最富活力、最具研究成果的領(lǐng)域，其研究、開發(fā)和生產(chǎn)水平已成為一個(gè)國家冶金工業(yè)水平和裝備制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。

一、管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)

管線鋼通常指用于生產(chǎn)焊接大口徑輸送管的熱軋板卷。其主要的生產(chǎn)工藝，包括煉鋼和軋鋼工藝。制定工藝制度時(shí)，應(yīng)根據(jù)管線鋼成分和性能的要求及生產(chǎn)廠的設(shè)備情況來確定。簡單地說，生產(chǎn)管線鋼必須采用爐外精煉和控軋控冷技術(shù)。其主要流程如下：

冶煉：目的是提高鋼水純凈度,使鋼水的硫、磷及一些夾雜物含量降低，其關(guān)鍵在于必須進(jìn)行鐵水預(yù)處理，進(jìn)行脫硫、脫磷、脫硅；轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，進(jìn)行頂?shù)讖?fù)吹、少渣冶煉，脫碳升溫或采用爐后鋼包底吹氬，使鋼中的夾雜上浮。

精煉：重點(diǎn)在于低硫工藝路線，此外，實(shí)施鈣處理或稀土處理以達(dá)到對夾雜物的變態(tài)處理，對提高橫向韌性和抗氫誘裂紋、抗腐蝕性能起關(guān)鍵性作用。

連鑄：可提高最終產(chǎn)品的成材率，降低生產(chǎn)成本，低的過熱度、緩流澆注和適宜的二次冷卻以及可實(shí)施電磁攪拌、輕壓下等新技術(shù)，能夠得到優(yōu)質(zhì)鑄坯，為下一步獲得優(yōu)質(zhì)軋材提供保證。

軋制：控制軋制與控制冷卻(TMCP)技術(shù)是通過控制軋制溫度和軋后冷卻速度、冷卻的開始溫度和終止溫度，來控制奧氏體和相變產(chǎn)物的組織形態(tài)，從而控制鋼材的組織性能,實(shí)現(xiàn)鋼的強(qiáng)度和韌性的最佳匹配。

二、管線鋼的組織性能

20世紀(jì)60年代以前，管線鋼的主要組織為鐵素體-珠光體。鐵素體-珠光體管線鋼經(jīng)濟(jì)成本低，是第一代微合金化管線鋼,其基本成分是碳和錳，X52以及低于此強(qiáng)度級別的管線鋼的主要組織形態(tài)均為鐵素體-珠光體組織，通常認(rèn)為，鐵素體——珠光體管線鋼具有晶粒尺寸約為7μm的多邊形鐵素體(體積分?jǐn)?shù)約70%)。隨著珠光體的含量增加，鋼的強(qiáng)度提高，但會導(dǎo)致鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，焊接性變差。為避免珠光體對管線鋼韌性的損害，保證管線鋼良好的焊接性以及強(qiáng)韌性，則在降低碳和珠光體含量的同時(shí)，添加適量微合金元素，于是60 年代末則出現(xiàn)了以X56、X60和X65為代表的少珠光體鋼。

20世紀(jì)70年代初針狀鐵素體管線鋼投入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，是第二代微合金化管線鋼，強(qiáng)度級別可覆蓋X60～X100管線鋼。廖波等采用TEM及原位TEM拉伸裂紋擴(kuò)展觀察等試驗(yàn)手段,研究了管線鋼針狀鐵素體組織及各組織單元對位錯(cuò)運(yùn)動及裂紋擴(kuò)展的影響，研究發(fā)現(xiàn)，管線鋼針狀鐵素體組織由細(xì)小的塊狀鐵素體、非等軸狀鐵素體、板條鐵素體、M/A組元以及基體中高密度的位錯(cuò)和細(xì)小的碳化物析出所構(gòu)成的復(fù)合組織。

20世紀(jì)80年代，隨著高壓、大流量天然氣管線鋼的發(fā)展，貝氏體-馬氏體管線鋼應(yīng)運(yùn)而生，其典型鋼種為X100、X120管線鋼。X120管線鋼的典型顯微組織為下貝氏體-板條馬氏體，在馬氏體板條內(nèi)的碳化物呈魏氏形態(tài)分布，板條間存在殘余奧氏體。下貝氏體和馬氏體板條內(nèi)均有高密度的位錯(cuò)。X120管線鋼的這種組織賦予它高的強(qiáng)韌性，其屈服強(qiáng)度大于827 MPa，-30℃時(shí)沖擊功超過230J。

隨著管線鋼的不斷發(fā)展，對管線鋼的性能要求也不斷提高。單純的控軋控冷技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求，則在此基礎(chǔ)上，采用淬火+回火的熱處理工藝，以獲得回火索氏體組織，從而滿足厚壁、高強(qiáng)度、高韌度的綜合要求。張清清等研究發(fā)現(xiàn)，熱處理后金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，主要受晶粒和析出相尺寸、形態(tài)等方面因素影響。微合金元素的適量加入，可顯著細(xì)化回火后的組織并提高強(qiáng)度，使材料具有高的強(qiáng)韌性。

三、管線鋼的開發(fā)應(yīng)用

由于現(xiàn)代油氣輸送管線經(jīng)常要經(jīng)過地震、泥石流、凍土、沙丘、斷層等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，在這種環(huán)境下管道要能承受較大的位移及應(yīng)變，因此一種基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的管線鋼-抗大變形管線鋼應(yīng)運(yùn)而生。抗大變形管線鋼一般采用低碳或超低碳，以拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)基礎(chǔ)，其典型特點(diǎn)在于其組織主要是軟硬結(jié)合的具有較高強(qiáng)度、韌性及優(yōu)異塑性的雙相或多相組織，一般為多邊形鐵素體+貝氏體(F+B)組織和貝氏體+M/A島狀(B+M/A)組織，該組織結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎折(壓縮應(yīng)變)和抗斷裂能力(拉伸應(yīng)變)?？勾笞冃喂芫€鋼在滿足高強(qiáng)度、高韌性的前提下，同時(shí)具有較低的屈強(qiáng)比(≤0.85)、較高的均勻延伸率(≥10%)和形變強(qiáng)化指數(shù)(>0.1)，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線為無屈服平臺的拱頂形(Round House)特征。上述性能，使得抗大變形管線鋼避免了因應(yīng)變而引起的延性斷裂和屈服失穩(wěn)導(dǎo)致的失效，使得其在大應(yīng)變地區(qū)具有良好的應(yīng)用性。

此外，油氣管線在鋪設(shè)的過程中會經(jīng)過土壤、海洋等酸性環(huán)境，容易對管線鋼造成腐蝕失效。楊吉春等研究發(fā)現(xiàn)，鋼中加入適量的稀土Y不僅可以細(xì)化晶粒，還可以變質(zhì)鋼中的有害夾雜，有利于鋼基表面形成均勻致密的內(nèi)銹層，阻礙腐蝕介質(zhì)進(jìn)入到鋼基，從而提高鋼的抗腐蝕性能。但當(dāng)Y含量過高時(shí)，鋼中夾雜物呈群聚態(tài)存在，從而使鋼基抗腐蝕性能下降。

四、結(jié)語

1)管線鋼通常指用于生產(chǎn)焊接大口徑輸送管的熱軋板卷。其主要的生產(chǎn)工藝,包括煉鋼和軋鋼工藝。目前比較成熟的軋鋼工藝有TMCP工藝、HTP工藝以及弛豫技術(shù)。

2)材料的組織和性能之間存在著密切的聯(lián)系。根據(jù)顯微組織的不同,可將管線鋼分為四類:即鐵素體-珠光體(F-P)管線鋼、針狀鐵素體(AF)管線鋼、貝氏體-馬氏體 (B-M)管線鋼和回火索氏體(S′)管線鋼，其綜合性能后者優(yōu)于前者。

3)管道工程的發(fā)展與管線鋼的發(fā)展相輔相成。長距離、高強(qiáng)度、大口徑、高壓力油氣輸送管道是長輸油氣管道的發(fā)展方向。油氣資源運(yùn)輸過程中遇到的種種挑戰(zhàn)要求未來管線鋼不僅需要具有更高的強(qiáng)韌性，還需要具有更好的塑形以及耐腐蝕性能，以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。