管线钢的研发过程及方向.

6 管线钢的研发过程及方向 李树庆潘贻芳 天津钢铁有限公司 摘要 介绍了管线钢的发展过程及研究方向 论述了管线钢的冶炼 轧制技术及 质量控制和性能控制要点 提出了开发管线钢应该注意解决的问题 关键词管线钢纯净钢 台炼微合金化控制轧制 管线输送石油天然气具有高效 经济 安全 无污染等特点 是长距离输送油气 的有效工具 为提高输送效率 降低能耗 减少投资和降低管线运营费用 长输管线 向高压 大口径发展已成趋势 这样采用高强度管线钢将更经济 同时由于管线途经 的地理环境恶劣 对安全性要求高 需采用焊接方式制管和施工 因而对管线用钢在强 度 韧性 焊接性和抗腐蚀性等方面不断提出更高的严格要求 近年来 国内石油与冶金行业联合攻关 相继成功开发了符合质量技术要求的x70 x80热轧板卷 宽厚钢板及螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管等 我国生产x70 x80管 线钢已经趋向成熟 为确保管线钢的安全可靠性 在借鉴国际上先进成功经验的基础 上 应进一步加强x80及更高级管线钢的应用基础研究和相关技术攻关 1管线钢的发展历史 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20世纪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 HsLA 主要以热轧及正火状态供货 这类钢的化学成分 c 0 20 合金元素 3 一5 随着管线钢的进一步发展 到20世纪60年代末70年代 初 美国石油组织在API5 和API5LS标准中提出了微合金控轧钢x56 x60 x65系列 这种钢突破了传统钢的观念 碳含量为0 10 一O 14 在钢中加入 0 20 的Nb V Ti等合金元素 并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善 到1973年和1985年 A PI标准又相继增加了X70和X80钢 而后又开发了X100管线钢 碳含量降到0 0l 0 05 碳当量相应地降到0 37以下 开发出真正现代意义上的多元微合金化控轧控冷 管线钢 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16 Mn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 一起用于管线铺设 20世纪90年代初宝钢 武钢相继开发了x70管线钢 并在涩宁兰 管道工程上应用 21世纪初宝钢 武钢 鞍钢等又开发了高钢级x80管线钢 并在西气 东输工程上应用 目前他们正向开发x100等更高级管线钢迈进 2管线钢的质量控制 管线钢主要用于输油 气管道 要求特性为 钢材的强度高 韧性好 抗氢致裂纹 HIc性能好 抗H2S腐蚀能力强 钢材的疲劳强度高 焊接性好 要求管线钢必须是纯净钢 其洁净度要求 超低s 低P 低H 低O 加钙处理使硫 化物夹杂球化 钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的 输气管线选 材时 应选用屈服强度较高的钢种 以减少钢的用量 但并非屈服强度越高越好 屈服 强度太高会降低钢的韧性 选钢种时还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系 屈强比 用以保证制管成型质量和焊接性能 钢在经反复拉伸压缩后 力学性能会发 生变化 强度降低 严重的降低15 即包申格效应 在定购制管用钢板时必须考虑这 一因素 可采取在该级别钢的最小屈服强度的基础上提高40 50MPa 钢材的断裂韧性与化学成分 合金元素 热处理工艺 材料厚度和方向性有关 应尽可能降低钢中c s P的含量 适当添加V Nb Ti Ni等合金元素 采用控制轧制 控制冷却等工艺 使钢的纯度提高 材质均匀 晶粒细化 可提高钢韧性 目前采取方法 多为降C增Mn 管线钢在含硫化氢的油 气环境中 因腐蚀产生 t蒜滁鬯姜挈 萋 誊 一 秣繇摄 tjyj 黪j澎 一 硼怯届孺 万方数据 霪 年第日期总第日窜星期管线鲴的研琰遇程及方向的氢侵入钢内而产 生氢致裂纹 HIC开裂 因此 要 求输送酸性油 气管线钢应该具有极低的含硫量 并进行有效的非金属夹杂物形态控制和减少显微 成分偏析 管线钢的硬度值对HIC也有重要的影 响 为防止钢中氢致裂纹 一般认为应将硬度控制 在HV265以下 管线钢的成分举例见表1 硫是管线钢中影响抗HIc能力的主要元素 当 钢中 s 50 10巧 随钢中硫的增加 HIc的敏感性 显著增加 当钢中 s 20 10巧时 HIc明显降低 7 硫还影响管线钢的低温冲击韧性 降低硫含量可显 著提高冲击韧性 碳含量实际生产中已有所降低 因为增加碳含量将导致管线钢抗HIc的能力下降 使裂纹率突然增加 磷是管线钢中的易偏析元素 在偏析区其淬硬性约为碳的2倍 显著降低钢的低 温冲击韧性 恶化焊接性能 钢中氧化物夹杂是管 线钢产生HIc的根源之一 危害钢的各种性能见表 2 钢中氢是导致白点和发裂的主要原因 管线钢中 的氢含量越高 HIc产生的几率越大 腐蚀率越高 平均裂纹长度增加越显著 见表2 表1x70管线钢典型化学成分 厂家c si Mn cr Mo Ni Nb V Ti cu P s Pcm ceq 表2x70管线钢典型力学性能 3管线钢的冶炼及轧制技术复吹转炉 与传统顶吹转炉相比 进一步强化为了生 产高级别管线钢 各厂家已经成功地开了冶炼过程中熔池的搅拌 促进各种冶金反应 的进发了一系列的冶炼技术 其中关键技术就是使钢纯行和温度成分的均匀 有利于 去除夹杂物 使转炉净化 以使钢的硫 磷 夹杂及气体含量降到最低 冶炼终点控制 稳定 复吹转炉更适合冶炼碳含量很目前生产管线钢采用的工艺路线 铁水预处理 复低的钢种 吹转炉一LF炉 RH 或vD炉及钙处理 连铸 LF精炼炉 经过LF炉处理的钢水 可以精确控铁水预处理 铁水实施三脱可使铁水成分 P 制钢水成分及温度 能够做 到C si Mn Cr Mo V 20 10巧 s 10 10巧 si 0 3 从而为转炉炼钢等元素控制在O 03 以内 温度在5 以内 S 10提供优质原料 10巧 从而把钢的性能波动降到最低 另外通过造tj搽 戮蕊嗽篙一爹爹 一 钢铁冶炼 一 oj魏 紫 甚曼苫嚣m 万方数据 8卫 盏垒璺呈羔笸E 兰至堡竺里生笙 塑整箜 望垒塑苓卫垒凹盟丛兰坠 墨 型E 兰兰 2 翌 白渣能够进一步去除钢中夹杂物 提高钢水的纯净度 RH 或VD脱气炉 经过RH 或VD脱气处理的钢水 可以使钢中气体含量达到很低 的水平 T O 20 10 6 N 30 lo巧 H 2 10 6 气体含量的降低能够大大改善钢 的机械性能等指标 钙处理 采用钙处理技术控制了夹杂物的形态 从而改善在酸性环境下钢管的抗 HIc能力 连铸 长结晶器及电磁搅拌 轻压下等现代连铸新技术的应用 能够提高铸坯的 综合质量 使得铸坯质量优良 能够满足进一步加工的要求 降低由连铸带来的中心部位偏析是生产管线钢的关键技术 炼出纯净钢只是第 一步 对连铸凝固区的有效控制才能达到最终降低偏析的目的 钢的低硫含量能够增 加高强钢的裂纹扩展吸收能力 通过同时降低碳和硫的含量及微合金化技术可以在x 80及x100以上的高强度钢中获得高韧性 TMCP 热变形控制工艺技术是生产高级别管线钢的至关重要的技术 TMCP控 轧工艺及紧随其后的快速冷却工艺在内的改进工艺方法于上世纪80年代崭露头角 采用这一工艺 只要进一步降低碳含量 并添加适当的合金成分 即能生产x80以上的 高强度的材料 高钢级管线钢的目标成分设计要确保高的强度 还要考虑了因采用T McP控制和快速冷却工艺产生的机械强化 而又不会损害焊接性能和韧性 随着碳含 量增加 钢的强度增加 而韧性和焊接性能降低 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 HAz的性能 钢中的碳含量逐渐降低 X80 x 100钢级管线钢技术是为了获得高强度高韧性钢板 而增加对再结晶和相变过程的控 碳含量应在0 05 以下为宜 采用TMCP技术研制出的抗酸性环境的X80级钢 能通过控制材料中的相变来降 低偏析 最初引进控制轧制后 已成为获得细化的铁素体组织的技术 在TMcP过程 中 除了使用控制轧制技术外 还利用终轧后的控制冷却技术使钢的金相组织从细化 的铁素体为主向细化的贝氏体为主转变 通过TMCP技术既能获得更高的强度和更 高的韧性 又能保证焊接所要求的合适的碳含量 终冷温度是低碳钢获得高强度的一个重要的影响因素 高强度可以通过强化冷 却加上低终冷温度来获得 也可以提高碳当量来实现 但是 低碳当量具有更好的焊 接性能 众所周知 随着强度的提高 材料的延伸率和韧性都会下降 4管线钢的性能控制 对于高钢级管线钢x100 欧洲钢管公司和英国钢管公司及意大利sNAM公司曾经 做过三种不同的尝试 第一种是高含碳量和低冷速 高终冷温度 第二种是低含碳量 和高冷速 低终冷温度 第三种介于上述两者之间 经比较发现 方法三比较理想 它 能够确保强度的同时 还可以得到良好的低温冲击韧性和满意的焊接性能 晶粒细化是目前唯一能在提高材料强度同时提高韧性的重要强韧化机制 铌作 为现代微合金化最主要元素之一 其晶粒细化作用十分明显 通过热轧过程中NbC应 变诱导析出阻碍形变奥氏体回复和再结晶 经控制轧制和控制冷却使精轧阶段未再 结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物 可使钢具有高强度 和高韧性 钛是强的固氮元素 Ti小化学计量比为3 42 利用0 02 左右钛就可固定钢中60 10 6的氮 在连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相 这种细小的TiN粒子可有 效地阻碍板坯再加热时奥氏体晶粒长大 有助于提高铌在奥氏体中的固溶度 同时对 改善焊接热影响区冲击韧性有明显作用 微钛处理技术已广泛应用于管线钢的生产 Mn不仅有固溶强化作用 还可降低1一仅相变温度 进而细化铁素体晶粒 据资 料介绍 添加1 0 1 5 Mn 1一仅相变温度降低50 可细化铁素体晶粒并保持多边形 当添加1 5 2 o Mn时 可获得针状铁素体组织 但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 一般控制在1 4 1 8 而且MIl c比值 也应适宜 随着大口径 高压 厚壁管线的发展 对管线钢提出更高的强度和韧性要求 管线 钢的组织特征也从以往的 铁素体 珠光体 向 针状铁素体 或 铁素体 贝氏体 组织 转变 这样在成分设计上采用钼的合金化 钼是扩大1相区 推迟 y d相变时先析出铁素体形成 促进针状铁素体形成的主要元素 齑警愁繁黧 攀誉 鋈 一惑黼啦 一il 簿 3溢穗舔 万方数据 2 年第日期总第日固窖期管线鲴的研骏通程及方向添加Mo可以增强Mn 的效果 对控制相变组织起 重要作用 可通过组织相变强化进一步提高钢的强 度 钒具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化 作用 在铌 钒 钛三种微合金元素复合使用时 钒 可通过析出强化来提高钢的强度 现代冶炼技术的发展 特别是计算机技术及炉 外精炼技术的应用 可使钢的化学成分控制在很窄 的范围 且炉与炉之间的成分波动很小 同时尽可 能地降低钢中硫 磷等有害元素 并对夹杂物进行 形态控制 这对保证管线钢的性能稳定 高韧性及 良好的抗HIc性能奠定了基础 目前 生产高钢级x80 Xloo管线钢 各家均采 用低c高Mn的纯净钢 结合微合金化 在炼钢和轧 钢的过程中通过Nb V Ti Mo和Ni等合金元素的 固溶强化 沉淀强化 细晶强化等原理 得到高强度 和高韧性以及良好的焊接性能 5高钢级管线钢TM ACC生产控制的几个重点 5 1必须保证钢坯加热温度到一定要求 使Nb的 碳化物充分溶解 5 2在再结晶区的第一阶段轧制时 必须获得细化 的奥氏体晶粒 5 3在奥氏体未再结晶区的精轧温度控制在Ar3 以上 在此温度范围内必须有足够的压下量 5 4控制好决定最终产品组织的冷却速度和终冷 温度 ACC处理工艺 预先设定冷却速度或具有 理想 的冷却速度 目标是尽可能快地冷却到芯 部 但是表层的冷却终止温度必须高于马氏体开始 转变温度Ms 5 5直接淬火 DQ必须有很高的冷却速度 芯部 和表层的终冷温度低于马氏体开始转变温度 Ms 5 6直接淬火和自回火 DQST以很高的冷却速度 将钢板表层冷却到马氏体开始转变温度以下 随后 利用钢板芯部的热量自回火 6生产高钢级管线钢应关注的几个关键问题 针对x80等高钢级管线钢生产中的关键问题 对于高强度钢管产品技术标准制定和产品质量验 收等都非常重要 目前应着重关注的问题包括 6 1x80等高钢级管线钢成分 组织与性能相关性 的研究 与x65 X70管线钢相比 高钢级x80管线钢成9 分应进行必要的调整 显微组织结构进一步优化 化学成分的差异 导致管线钢力学性能的差异 进 一步研究高强度管线钢成分 组织和性能之间的内 在联系 通过恰当的工艺可以获得组织和性能优异 的高钢级管线钢 6 2高钢级管线钢管包申格效应以及屈强比的研 究 研究高钢级管线钢包申格效应与屈强比的关 系 以及屈强比与管道的形变容量 极限载荷和缺 陷容限尺寸之间的关系 对于强度 韧性 屈强比以 及临界缺陷尺寸等验收指标的确定十分重要 6 3高钢级管线钢管DwITr异常断口的评判技术 研究 加强技术交流与合作 在高强度管道钢管 DWr兀1异常断口评判技术及标准验收指标方面达成 共识 对于DwllI评价指标的合理验收以及高强度 管线钢的工程应用都非常重要 6 4高钢级管线钢管断裂控制问题 高强度 高韧性管线钢的断裂控制一直是国际 上研究的热点 各单位在这一领域的研究工作一直 在持续进行 6 5高强度管道环焊缝焊接工艺及强度匹配问题 对于x80以上高强度管道 如果环焊缝采用高 匹配 会带来焊接工艺复杂 现场焊接难度大等问 题 高强度管道环焊缝强度匹配对管道承载能力 环焊缝缺陷容限尺寸和形变能力以及环焊缝氢致 裂纹倾向等的影响 还需要进一步的研究和评估 6 6高强度管道钢管现场冷弯管制造和控制技术 由于高强度管线钢特殊的包申格效应 冷弯后 钢管性能如何变化 对管线安全使用有何影响 冷 弯管加工工艺 控制措施以及最大许用弯曲角度指 标等是工程应用中需要解决的重要问题 6 7高强度感应弯管制造存在的问题 x80感应弯管 其关键技术仍在于母管合金成 分设计以及热处理加工工艺的优化 对于局部加热 制造弯管 还应考虑弯管过渡区性能的检测和评 估 7结语 管线钢的发展趋势是高纯净 高强度 高韧性 可焊性强及高抗腐蚀性 这就决定在生产中进行工 艺选择时 仅考虑炉外精炼功能和控制技术是不够tj0燃 j黪未 一 钢铁冶炼 tjyj 曩鬻薯9 一 硼耽后臻 万方数据 10 提高钢水洁净度降低圆坯中夹杂物 及占林王丙禄 天津钢管集团有限公司炼钢厂 摘要 叙述了炼钢厂连铸圆坯中夹杂物的主要类型及产生的原因和危害性 提 出了通过电炉合合理配料 保证出钢温度 精炼保证足够的镇静时间 确保合适的上连 铸温度和连铸执行保护浇注及完善生产过程控制提高钢水洁净度的措施 关键词连铸圆坯夹杂物洁净度 1炼钢厂简介 炼钢厂主要设备 l座150t超高功率偏心炉底出钢电弧炉 1座150t钢包精炼炉 LF 及真空脱气装置 vD l套6机6流的弧形圆坯连铸机 连铸机的主要参数为 型式 多点矫直 弧形 弧形半径 10 5m 13 5m 18 0m 30 5m 冶金长度 31 5m 铸坯规格 口2lO mm 弘270mm 弘310mm D350 mm 结晶器材质 无氧铜 内壁镀硬铬 主要生产品种为用于生产石油套管 高压锅炉管 气瓶管等连铸圆坯 少量圆坯 作为商品坯销售 炼钢厂生产的工艺路线为 废钢 电弧炉一LF VD一连铸叶圆坯 2炼钢厂钢中夹杂类型及其分析 2 1洁净钢简介 洁净钢是指在钢中总氧含量较低的情况下 非金属夹杂物数量少 尺寸小 分布 均匀 脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形态 1J 钢中夹杂物的控制主要是减少其生 成 对其进行变性处理 促进上浮 因此 要生产优质洁净钢 就必须严格控制钢中的夹 杂物 2 2钢中夹杂物类型 钢中夹杂物的来源有两个 一是钢中冶炼和凝固过程中发生一系列物理及化学 反应形成的内在夹杂物 二是冶炼和浇注过程中废钢 耐火材料 保护渣等辅助材料 的混入而造成的外来夹杂物 图l显示了炼钢厂2004年1 7月间产生废品的总体情况 可以看出 非金属夹杂物是炼钢厂铸坯缺陷的主要类型 2 2 1内在夹杂物 图12004年1 7月废品原因分类图 祭祭祭祭 孓零礴苕啦奔祭鹞零笞嗡器 薄努弛淞祭笞啦孓 潞牙啦淞秘g迎孓牙 迎潞苔啦器牙啦莽笤沁莽茜勘雾茜载疹境孓牙迎 她薄岔迎 迎孓的 还应考虑到各 个生产环节上的诸多因素 进行 复合冶炼 实践证明 合金成分调整 冶金技术发展和TMCP工艺之间的最佳配合 是高钢级管线钢开发中的关键 板材是钢管质量的基础 管线钢做为一个系列 其质量要求均高于同钢级其它用 途钢材 无论从管线钢的研究过程看 还是从应用现状来看 管线钢是材料加工 成分 设计 微观结构 性能作用等四大要素有机结合的典范 收稿2005 12一18责编苗龙军 参考文献 1 潘家华 我国管道钢管的发展方向叨 焊管 1998 2l 4 2 李桂荣 王宏明 管线钢冶炼工艺特点 J 特殊钢 2002 23 5 f3 董开文 国外高钢级管线钢的研究与使用情况fJ 焊管 2003 26 3 作者简介 李树庆 1983年毕业于鞍山钢铁学院 高工 一直从事炼钢科研 技术开发工作 组 织完成多项科研项目并多次获奖 现在天津钢铁有限公司技术中心工作 tj茹苫器蜜瓣豢 二一 钢铁冶炼 豢灌 雀窆 曼苫舞m 万方数据 管线钢的研发过程及方向 作者 作者单位 刊名 英文刊名 年 卷 期 引用次数 李树庆 潘贻芳 Li Shuqing Pan Yifang 天津钢铁有限公司 天津冶金 TIANJIN METALLURGY 2006 1 1次 参考文献 3条 1 潘家华 我国管道钢管的发展方向 1998 04 2 李桂荣 王宏明 管线钢冶炼工艺特点 期刊论文 特殊钢 2002 05 3 董开文 国外高钢级管线钢的研究与使用情况 期刊论文 焊管 2003 03 相似文献 10条 1 期刊论文 朱立新 蒋晓放 许春雷 ZHU Lixin JIANG Xiaofang XU Chunlei 宝钢纯净钢生产技术进展 钢铁 2000 35 11 简要叙述了宝钢超纯净钢的生产技术 采用该技术 在现有技术装备条件下冶炼出了 成品磷 硫 氧 氮 氢总含量为80 10 6的超纯净钢 还介绍了 纯净IF钢 管线钢批量生产技术 对IF钢中碳 氮 氧及夹杂物控制技术和管线钢中 磷 硫控制技术进行了阐述 2 会议论文 潘秀兰 李震 王艳红 梁慧智 国内外纯净钢生产新技术 2005 本文概述了近年来国内外先进炼钢厂的纯净钢生产新技术 系统地分析了碳 硫 磷 氢 氧 氮等元素在钢中的行为和降低钢中杂质元素的措施 分钢种 高级别管线钢 IF钢等和厂家 新日铁 JFE POSCO 宝钢 武钢等统计了世 界纯净钢生产先进指标 指出多工序分阶段精炼 大规模经济地生 产纯净钢是发展趋势 3 期刊论文 崔健 郑贻裕 朱立新 Cui Jian Zheng Yiyu Zhu Lixin 宝钢纯净钢生产技术的进步 中国工程科学 2005 7 6 论述了钢中碳 氮 氧 磷 硫以及夹杂物控制方面的技术进步 讨论了IF钢 管线钢 所达到的纯净度综合水平 4 学位论文 任毅 X80管线钢的研究与开发 2007 为了满足高压输气管线的要求 针状铁素体组织的高性能的管线钢已经被开发出来 同铁素体加珠光体组织的管线钢相比 针状铁素体组织的管线 钢具有高强度 高韧性 低的韧脆转变温度和良好的断裂韧性 本文探讨了针状铁素 体组织的X80管线钢的实验室研究及工业开发和应用 得到如下结果 1 X80管线钢采用低碳 微合金化的纯净钢生产工艺路线 成份设计合理 工艺稳定 可行 2 X80管线钢显微组织为针状铁素体 粒状组织 强度适中 韧性余量较大 具有较 低的脆性转变温度 其综合性能均可满足国际上韧性要求最为苛 刻的 X80管线钢管应用工程 用热轧钢板技术条件Q CNPC107 2004 对材料的要求 3 X80管线钢具有良好的制管成型性及可焊性 所制钢管管型良好 性能稳定 4 X80管线钢所制钢管具有良好的热弯性能 可以为X80管道工程的应用提供热煨弯 管用钢板 5 试制的X80管线钢热轧平板 实物质量与 X80钢级管线钢国际技术研讨会 所报道 的国外X80管线钢热轧平板实物相当 处于国际先进水平 6 鞍钢为冀宁联络线管线工程提供质量优良的X80管线钢平板后 已经具备了大批 量提供高质量X80管线钢热轧平板的能力 5 期刊论文 崔健 郑贻裕 朱立新 宝钢纯净钢生产技术进步 中国冶金2004 7 重点叙述了宝钢在钢中碳 氮 氧 磷 硫以及夹杂物控制方面的技术进步 并介绍了 宝钢IF钢 管线钢所达到的纯净度综合水平 6 期刊论文 潘秀兰 李震 王艳红 梁慧智 PAN Xiu lan LI Zhen WANG Yan hong LIANG Hiu zhi 国内外纯净钢生 产先进技术