材料强度设计X80级管线钢设计.doc

材料强度设计题目：X80级管线钢设计性能要求：1）Rp0.2650MPa Rm800MPa Ak（-20）200J Tc=-502）良好的焊接性能 Ceq0.5 Pcm0.23）良好的抗H2S腐蚀性能设计要求：撰写格式1、任务书 2、前言（表述该钢的作用和发展状况）3、化学成分设计（碳及各个合金元素的作用）4、自己查找文献的经验公式，计算Ac1、Ac3、Bs、Ms等参数。5、工序设计（该钢的生产流程图及流程图工序说明）6、强度设计（进行各种强化方法的强度贡献）7、其它性能计算与说明（如焊接性能、耐候性能等）8、文献总结（每个学生独立查阅与该类钢相关的五篇以上文献总结）9、参考文献2.前言管线钢的简介：管线用钢（steelforpipeline）是制造石油、自然气集输和长输管或煤炭、建材浆体输送管等用的中厚板和带卷钢。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，一般采用中厚板制成厚壁直缝焊管，而板卷用于生产直缝电阻焊管或埋弧螺旋焊管。现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢，是高技术含量和高附加值的产品，管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的一切工艺技术新成就。管线工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高冷和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。因此，现代管线钢应当具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蚀。油气管道特别是天然气管道发展的一个重要趋势是采用大口径高压输送及选用高钢级管材。采用高压输送和高强度管材,可大幅度节约管道建设成本国外如德国、加拿大、日本和意大利等国在X80及更高钢级管线钢的研究应用方面已经有很多实践。世界著名的大石油公司积极开展X80及以上钢级管线钢的开发和应用研究。 我国管道工业的发展经历了三个高潮期。1958年开始建设长距离原油输送管道,1965年开始建设长距离天然气输送管道,在20世纪60年代中期至70年代初形成了第一个发展高潮,在此期间建成的主要管道有四川天然气管网和东北输油管道等。20世纪90年代逐渐形成第二个发展高潮，在此期间建成的主要有鄯乌输气管道、库鄯输油管道和陕京输气管道。随着我国对石油、天然气能源需求的急剧增加，又迎来了一个前所未有的管线建设高潮。3.合金成分元素CSiMnPSCrMo含量（）0.0430.231.870.0100.00280.0250.27NiNbVTiCuBAl0.2300.0600.0060.0170.130.00110.042(1) 碳: 随着碳含量增加,钢的强度增加而韧性、焊接性能降低。但由于控轧控冷工艺和微合金化技术的日趋成熟,同时为改善焊接热影响区的性能,钢中的碳含量逐渐降低,X80级管线钢碳含量应在0.06%以下为宜。(2) 锰: Mn有固溶强化作用,还可降低-相变温度,进而细化铁素体晶粒。有研究表明:添加1.0%1.5%Mn,-相变温度降低50,还可细化铁素体晶粒并保持多边形;当添加1.5%2.0%Mn时,可获得针状铁素体组织。Mn还可提高韧性、降低韧脆转变温度,所以早期的管线钢以C-Mn为主。但是,Mn含量过大会加速控轧钢板的中心偏析,从而引起钢板和钢管力学性能的各向异性,且导致抗HIC性能的降低。因而,在高钢级管线钢中,Mn的含量应保持在一个合理的范围内(1.2%2.0%),而且Mn/C比值也应适宜。由于Mn抑制珠光体的形成,同时促进贝氏体形成,因而要获得X80钢级,Mn含量应达到1.9%;对于抗HIC钢,如果Mn含量过高,则必须尽可能降低C、P含量和P的偏析。(3) 铌:Nb可延迟奥氏体再结晶、降低相变温度,通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得要求的性能。有研究表明,0.30%0.75%Nb钢,配合合理的轧制工艺,可以获得均匀的针状铁素体组织和良好韧性。但在X80等高钢级贝氏体钢中,添加Nb会促进M-A岛的生成,降低热影响区的韧性。一般Nb的含量为0.01%0.05%。此外,含Nb钢还存在高温延展性能会明显降低的脆化温度区(900700),易在连铸时出现裂纹。但在添加微量Ti后,脆化温度区消失。在奥氏体高温区,TiN比Nb(N,C)更易生成,所以N被TiN固定在奥氏体高温区,Nb析出物从Nb(N,C)变成了在奥氏体低温区和-双相区难以析出的NbC。在X80的合金体系中,Ti和Nb同时存在。(4) 钒: V在钢中可补充Nb析出强化的不足,还可以改善钢材焊后韧性。因其有较强的沉淀强化和较弱的细晶作用,故其韧脆转变温度比Nb、Ti高,但在管线钢的合金设计中,一般不单独作用。(5) 钼:1972年投入使用了低C+高Mn+Nb+Mo系管线钢。由于Mo能够降低相变温度、抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体的转变,并能提高Nb(C、N)的沉淀强化效果,这种合金体系的管线钢具有含高密位错的细小针状铁素体组织,强度高(达到X80)、冲击韧性好。早期为获得针状铁素体,多用高Mn和Mo,导致Ceq和Pcm偏高,影响管线钢的焊接性能。后来为改善焊接性能开发出了Nb2Mo2TiV系钢,即降低Mn和Mo含量,通过添加V来弥补强度损失、通过TiN细化晶粒改善韧性。在X80管线钢中,Mo含量在0.1%0.3%比较理想。此外,当Si较高时,Mo增加可以改善钢板焊接热影响区的韧性;当Si很小(如0.06%),也可得到良好的焊接热影响区韧性,0.2%Mo0.3%时,这种改善会更加明显,而且钢板强度和低温韧性都很好。在X80钢级中,Mo在0.15%0.22%较理想,X80管线钢中,Mo一般为0.2%0.3%。(6) 铬: 钢中,为减少合金元素的中间偏析,通常采用低C、低Mn。这时要达到X80的强度,可添加Cr。随着Cr的添加,强度近乎直线上升,b可以达到X80钢级,但是s不合要求,只有Cr达到0.2%以上时,通过UOE冷加工变形,才能达到X80的屈服强度要求。当Cr含量超过0.3%时,其低温韧性就会明显下降。(7) 硼: 加入微量的B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核;同时还使贝氏体转变曲线变得扁平,从而即使在低碳的情况下在一个较大的冷却范围之内也能获得贝氏体组织,使管线钢获得X80的强度级别。但冶炼时必须精确控制B含量,因为B的上述作用是基于其在奥氏体晶界的偏聚,从而阻止等轴铁素体在晶界上优先形核。如果B以氧化物或氮化物存在于钢中,就丧失了抑制铁素体在晶界上形核的作用。为了防止B与氧和氮形成化合物,必须在钢中添加适量的Al来脱氧,并添加与氮亲和力更大的元素Ti来固氮。另外,在超低碳贝氏体中由于碳含量很低,如果工艺控制不当,易形成局部空隙自由区而促进晶内裂纹。贝氏体钢特别适用于高寒焊接、酸性环境中的高强和厚壁钢管。(8) 钛: 钢中钛的作用与Nb、V相似,在阻止奥氏体晶粒长大方面,Nb、Ti较明显,V较弱;在延迟奥氏体再结晶方面,NbTiV;在轧后快冷的细晶强化方面,NbTiV;在析出强化方面,TiNbV。此外,对焊接热影响区的韧性不利方面,TiNb。新的研究表明:在奥氏体中,通过弥散、细小的TiN颗粒可抑制奥氏体晶粒的长大,但在1400以上时,TiN颗粒开始粗化或溶解,其作用开始丧失。由于Ti2O3在高温下性能很稳定,新开发的TiO钢就是利用细小均匀分布在钢中的Ti2O3来改善钢管热影响区的韧性。这种颗粒大小为2m,一般与MnS、TiN 共存析出在奥氏体晶粒内。在实际生产中,为获得足够细小的Ti2O3,必须尽量减少与氧有很强亲和力的元素Al。(9) 其他元素: 从经济、产品性能方面考虑,在管线钢中还经常用Ni、Cu、Cr代替Mo,这些元素对管线钢相变行为的影响类似于Mn、Mo。Cu还能降低钢的腐蚀速率,这对于酸性环境中使用的管线钢有利。但是在电炉废钢炼钢时,有时残余Cu、Cr的含量较难控制,从而影响与后序焊接工艺的匹配。因此,X80管线钢应选用低碳贝氏体钢。针状铁素体和细小弥散的贝氏体相结合的组织是X80钢的理想组织形貌。对于X80管线钢,各元素控制在下列范围为宜:C0.6%,1.7%Mn1.9%,0.01%Nb0.05%,0.2%Mo0.3%。4根据经验公式，计算AC1、AC3、BS、MS等参数。 5. 工序设计 炉外脱硫炼铁铁水热送转炉炼钢脱氧（成分分析）VOD（脱气）LF（成分分析）盛钢桶（加合金元素）中间包（测温）连铸铸坯检查探伤均热（温度确定）初轧（温度确定）控制轧制（精轧、温度确定）超强度在线快冷（制度确定）热处理（制度确定）精整（在线探伤、剪切、标志）成品下线入库 炼铁：炉外脱硫是为了减少炼铁过程中含杂质硫含量，避免对钢的耐蚀性和焊接性产生不良影响。 铁水热送：把炼好的铁水进行下一步处理。 转炉炼钢：进一步降低碳含量，除去钢液中的杂质，清洁钢。 脱氧：除去钢水中的氧气，防止钢在凝固的过程中产生气泡， 防止合金元素与氧反应。对钢水进行成分分析，是为了检查碳含量和杂质含量是否超标，是否合格。 VOD：脱气处理也是为了减少钢液中的气体，最重要的是减少钢液中氢气的含量，防止引起氢脆，对焊接性能也有影响。 LF：进一步进行成分分析，确定钢液中各元素的含量。 盛钢桶：向钢中添加合金元素，达到设计的要求。 中间包：测温以保证添加的合金元素能够完全熔解。 连铸：把钢液倒到模型中凝固，初步成型。 铸胚检查探伤：检查铸件中是否有裂纹，砂眼，大的偏析，夹杂，防止在以后的轧制过程中发生开裂。 均热温度：为控制轧制控制冷却实施做准备。 控制轧制：将钢坯切成小试为控制轧制控制冷却实施做准备。试样尺寸312 mm，加热至1200进行变形量分别为30%、20%、10%的轧制。 超强度在线快冷：分别在1200以50/s，25/s的速度快冷。 检查分析：检查样品是否符合标准。6.强度计算 强韧化公式 晶格摩擦应力 固溶强化作用 晶粒细化 沉淀强化 抗拉强度的计算 （1)晶格摩擦阻力 （2）置换固溶强化 （3）位错（晶粒细化）强化 （4）沉淀强化 所以 满足设计要求(5)抗拉强度的计算 因为 满足设计要求7 其它性能计算与说明 （1）焊接性能 碳当量 裂纹敏感系数 所以焊接性能满足要求 （2）韧脆转变温度 所以韧脆转变温度满足要求 （3）熔点的计算 8. 文献总结随着管道输送压力的提高，要求增加钢管壁厚。壁厚增加势必带来钢管重量的增加。在此条件下，提高管线钢级是减小壁厚，节约钢材，降低管线建设成本的有效途径。高钢级、大管径已经成为管线钢发展的方向。X80钢的成分设计采用低碳-锰-铌-钛系，根据厚度的不同，添加适量的钼、铜、镍等合金元素来提高强度，改善韧性。X80管线钢的典型组织针状铁素体和细小弥散的贝氏体相结合的组织，针状铁素体管线钢制管后屈服强度下降小，同时具有相当优越的焊接性能，非常有利于焊管和现场铺设管线工程。而超低碳贝氏体钢不仅具有良好的野外焊接性，还具有良好的低温韧性，是X80及以上高级管线钢的理想组织。生产高强度(X80-X100级)管线钢需要综合应用超纯净冶炼、控轧控冷(TMCP)工艺、改善焊接热影响区工艺和合理合金设计等多方面的先进技术和措施。采用这些工艺生产的X80级高强度管线钢焊管具有很好的现场焊接性能、低温环境高韧性和优越的强韧配比关系。在生产过程中，转炉造高碱度渣及严格控制出钢下渣量是降低钢中磷含量的关键；铁水进行预脱硫，使用优质废钢和及早造成分适当的精炼渣可满足脱硫需要；控制钢中N含量，必须全工序采取控氮措施；Nb及Ti要在钢水低氧的条件下加入，以保证其稳定的回收率；不易氧化元素随废钢加入转炉，要注意加料方法和底吹搅拌；严格要求转炉终点碳的控制及后续工序的增量是控碳的关键；Si、Mn在LF炉精炼过程中会增加，转炉工序要低配；保证钢中Ca含量及弱搅时间、加强连铸上下炉次之间的衔接管理及保护浇铸可以有效减少钢中非金属夹杂物。在硫化物应力腐蚀开裂中，H2S对腐蚀起着主导作用,研究表明X80母材的取向对H2S应力腐蚀开裂（SSCC）敏感性影响不明显，然而由于厚壁母材轧制组织结构劣于薄壁母材，使得内部缺陷及成分偏析相对较高，制样过程中，其残余张应力较高，厚壁母材相对于薄壁母材易于发生SSCC倾向。同时研究还表明焊缝及母材抗H2S应力腐蚀性能相对较强，由于焊接过程造成X80级钢热影响区组织粗大，硬度增加，导致热影响区成为其抗SSCC的薄弱环节。由于化学元素对应力腐蚀有重要影响，可以通过添加某些元素改变碳钢的抗SSCC性能，X80级管线钢中添加Cu，Ni合金元素后，可以使得其针状体素体组织更为细小均匀，得到更多承受氢压的晶粒，使得X80钢的临界应力显著提高，从而大幅度提高其抗SSCC性能。9. 参考文献 1 黄开文. 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