#11-高等级管线钢的发展现状

1、高等级管线钢的发展现状郑 磊1， 傅俊岩2（1.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海201900;2.中信金属公司微合金钢研究中心，北京100004)摘 要：回顾总结了近年来国际上高等级管线钢的发展。现代管线钢向高强度、大厚度、抗应变和抗HIC方向发展。为降低长距离天然气管线的建设成本，开发了X100和X120超高强度管线管，并进行了X100和X120管线管的试验段建设，取得了显著的进展。开发了以双相显微组织为特征的满足“基于应变设计”的抗大应变高强度管线钢，强度等级可从X65至X100，可应用于冻土带、地震区和水土流失区域的管线建设。海底管线用钢和抗HIC管线管的强度等级已从以往的X65提高到X

2、70，X70管线管的最大壁厚可达34.1mm，并已批量在工程中应用。新型的HTP高强度管线钢采用超低碳高铌含铬的成分设计，具有十分优良的性能，用铬替代钼可显著地降低成本，生产的X80已应用于美国第一条X80管线。关键词：管线钢；X100；X120；大应变；海底管线；抗HIC；HTP中图分类号：TG142.4 文献标识码：A 文章编号：0449-749X(2006)10-0000-00Recent Development of High Performance Pipeline SteelZHENG Lei1， FU Jun-yan2（1.Research Institute of Baosha

3、n Iron & Steel Co. Ltd., Shanghai 201900,China；2.Research Centre of Microalloyed Steel of CITICCBMM, Beijing 100004,China)Abstract:The development of high performance pipeline steel in recent years in the world is reviewed. The modern high performance pipeline steel has been developing for high

4、strength, heavy wall, high deformability and HIC-resistance. For the investment reduction of long distance natural gas pipeline project, the X100 and X120 grades ultra-high strength pipeline steels were developed and the demonstration pipeline lines of X100 and X120 were successfully constructed. Ba

5、sed on “strain-based design”, high deformability grade X65X100 high strength pipeline steel with dual-phase microstructure were developed, which can be laid in seismic region, cold region and soil and water loss region. The steel grade for offshore pipeline and HIC-resistance pipeline has been stepp

6、ed from X65 to X70, and the X70 pipes with a wall thickness up to 34mm have been applied in offshore pipeline project. The new ultra-low carbon, high niobium and chromium high strength pipeline steel X80 produced by HTP has high performance and lower cost by using chromium instead of molybdenum whic

7、h were used in the X80 pipeline project in USA. Key words: pipeline steel; X100; X120; high deformabilty; offshore pipeline; HIC-resistance; HTP管道输送是将石油天然气从遥远的开采地向最终用户端长距离输送的重要方式。为节省管线工程的建设投资、降低运输费用，采用高强度等级的管线钢更加经济和合理，并对管道用钢管可靠性的要求越来越高，要求具有高强度、高的低温止裂韧性以及良好的焊接性，对特殊地区的管线钢还要求具有抗H2S腐蚀及抗大应变的能力。近代冶金工业的技术进

8、步，微合金成分设计、纯净钢冶炼技术和TMCP轧制技术的发展使生产制造长输管线用的高性能管线钢成为可能。上世纪7年代初期X65管线钢开始投入使用，80年代X70钢逐渐被引入工程建设。1985年API标准中增加了X80钢级，随后X80开始部分在一些管线工程中使用。为进一步降低未来高压输气管线的建设成本，日本、德国的管线钢制造商与一些石油公司合作进行更高强度等级的X100和X120管线钢的开发试制1，2。近年来随着油气田的开采向边远的荒漠、极地冻土带和海洋等区域发展，开发了具有抗大应变性能的X65X100的高强度管线钢3。目前正在建设的从挪威到英国的Langeled海底管线已采用口径为1016mm，

9、最大壁厚达34mm的X70焊管4。降低碳含量可减少钢的偏析、提高管线钢的韧性和焊接性，同时将钢中铌的质量分数提高到0.10左右可显著提高形变奥氏体的再结晶温度，可在相对高的轧制温度下生产高强度管线钢，形成管线钢的HTP（高温轧制）技术5，这种成分体系的高强度管线钢正越来越受到重视。最近美国建成的第一条X80管线钢工程使用了这种成分体系的X80管线钢6。此外，管线钢的抗腐蚀性能逐渐受到重视。本文主要介绍近年来现代高等级管线钢的发展现状，以期对我国管线钢的发展有借鉴作用。1 X100/X120超高强度管线钢天然气日益成为重要的能源资源，改善长距离输送的经济性对判定是否开发遥远气田起重要作用。X10

10、0和X120超高强度管线管的应用可显著地节省长距离天然气输送管线的总成本。这些节约由材料、建设、压缩站和集成项目运行等多领域的成本下降而获得。图1描述了在天然气输量恒定的情况下,高强度管线管的直径、壁厚和单位长度重量的粗略计算结果。即使各钢级单位长度材料价格相同，通过应用更高强度的钢可显著降低钢管的重量和壁厚，也可使运输和现场焊接的费用下降7。图1 恒定输量下钢管强度对钢管尺寸和质量的影响Fig. 1 Change of pipe size and weight with pipe strength under constant transportation volume有关X100最早的研究

11、报告发表于1988年8，通过大量工作已形成很好的技术体系。表1为部分报道的X100管线钢的成分，相对应的力学性能列于表2。其成分特点是低碳、高锰、铌的质量分数为0.040%0.06%、含有钼，其它成分各家有所不同，但均不含硼。CE（IIW）值一般在0.46%0.49，通过适当的TMCP工艺可得到X100管线钢的性能。并且Pcm值在0.20%左右，具有较好的焊接性。欧洲钢管自1995年开始进行X100的开发试制，通过试验认为采用表1的成分通过TMCP工艺可得到强度、韧性和焊接性较好配合的X100管线钢，并按此进行X100的试生产，到2002年已生产了数百t壁厚在12.725.4mm的X100管线

12、钢2。2002年月，TransCanada用JFE/提供的口径1219mm、14.3mm厚的X100钢管在加拿大WESTPATH项目中铺设了1km长的试验段，进行了世界上首次X100的应用试验。表3是该试验段用的X100管线钢的部分性能，具有高强度、高韧性和良好的焊接性。通过现场焊接试验，认为只要采取适当的措施，X100现场焊接的焊缝强度和韧性可以获得满意的结果。这对推广应用X100管线钢具有指导意义。表1 部分X100管线钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of some X100 pipeline steels %序号CSiMnNbTi其他C

13、E(IIW)Pcm厂家10.060.221.960.040.01Cu、Ni、Mo0.460.19新日铁20.070.101.83含含Cu、Ni、Cr、Mo、V0.480.20住友30.060.301.800.060.015Cu、Ni、Mo、V0.19川崎40.070.301.900.050.018Cu、Ni、Mo0.460.20欧洲钢管50.080.351.900.050.018Ni、Mo0.460.19表2 与表1对应序号成分的部分X100管线钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of some X100 pipes related to the numbe

14、r in Table 1序号焊管尺寸/mm(口径´壁厚)Rt0.5/MPaRm/MPa屈强比A1)/CVN/JDWTT/SA厂家1762´14.36947940.8721242（-10）205（-40）100（-10）100（-20）新日铁1321´22.97198030.9024250（-10）222（-30）93 （0）82 （-20）2914´19.18038630.93185（-45）97 （-10）住友3914´157278520.85256（0）96 （0）川崎762´207709170.84280（0）93 （0）414

15、22´19.17378200.9218200（0）85 （-20）欧洲钢管5914´167508160.9218270（0）85 （-50）注：1）圆棒拉伸试验。表3 世界第一条X100试验段的焊管性能Table 3 Weldability of pipe used in the first X100 demonstration project in the world焊管尺寸/mm(口径´壁厚)Rt0.5/MPaRm/MPa屈强比A1)/焊接接头的 Rm/MPaDWTT(-5)/SACVN(-5)/J 母材HAZ焊缝1219´14.37638380.9

16、121811100241122112注：1）圆棒拉伸试验。1993年埃克森美浮公司开始X120超高强度管线钢的研发工作，并于1996年分别与日本新日铁和住友金属签订了进行X120管线钢的联合开发协议9，10。X120管线钢的研究目标见表4，要求在满足高强度的同时还需具有30大于231J的高止裂韧性。考虑到可焊性，管线钢的碳的质量分数不超过0.1，需采用不经热处理的TMCP钢。开发的X120选用了以下贝氏体（LB）为主的显微组织，通过IDQ（轧后直接淬火）工艺获得。为在较贫的化学成分下促进下贝氏体显微组织的形成，进行了加入硼和不加硼的试验。含硼钢在母材和热影响区都具有较好的韧性，表明加入硼对X1

17、20获得所需的高强度和高韧性的结合是更为可取的，并在合金成本上更经济，这一点是十分重要的。表4 X120的目标性能Table 4 Target properties of X120项目管体母材焊缝及热影响区拉伸强度（环向）/ MPa屈服强度827抗拉强度931抗拉强度93130CVN冲击功/J2318420CTOD/mm0.140.08CVN的DBTT5020B-DWTT的SA75需注意的是硼必须存在于沿晶界的固溶体中,要防止BN和Fe23(CB)6的形成。因此，硼的加入量需限制在一个非常窄的范围。钛有助于固定钢中的氮，钼和铌对稳定硼的效果也是有用的。为获得足够的淬硬性还应含有高锰和镍、铜、铬

18、等其他合金元素以使全壁厚转变为以下贝氏体为主的显微组织。表5为新日铁开发的X120管线钢的基本成分。表5 新日铁开发的X120管线钢母材的基本成分（质量分数）Table 5 Chemical composition of X120 developed by Nippon Steel %CMnTiNbMoB其他Pcm0.0411.930.020含0.320.0012Cu、Ni、Cr、Nb0.210.0361.960.017含0.340.0012Cu、Ni、Cr、Nb0.21为评价焊接接头强度，开发了强度高于钢板的高韧性焊接金属。研究了焊丝和焊剂的多种组合，关键的技术是得到上贝氏体的显微组织和低碳

19、、低氧的化学成分。表6是X120焊缝的典型成分。表6 新日铁开发的X120管线钢焊缝的基本成分（质量分数） Table 6 Chemical composition of weld of X120 pipe developed by Nippon Steel %位置CSiMnNiMoCrPcm外焊缝0.050.231.632.20.921.00.31内焊缝0.050.181.692.60.981.10.32 (a) 钢板 ( 下贝氏体 ); (b) 焊缝 ( 退化的上贝氏体)饼形晶粒厚度钢板（下贝氏体）和焊缝（DUB，退化的上贝氏体）的显微组织如图2所示。开发的X120钢管的力学性能列于表7。

20、压平的全板厚试样环向强度均满足目标值。焊缝的强度与母材（钢板）相当。CTOD值满足设定的目标要求。但DWTT值与目标尚有距离。表8列出环焊接头的拉伸性能、夏比冲击能和CTOD值，这些值均满足目标值。图2 典型的X120管线钢的钢板和焊缝的扫描电镜图像Fig.2 Typical microstructures of X120 pipeline steel, SEM表7 新日铁开发的X120管线钢的性能Table 7 Typical mechanical properties of X120 pipe developed by Nippon Steel焊管尺寸/mm(口径´壁厚)API板

21、状拉伸试样焊接接头DWTT/SACVN(-30)/J Rt0.5/MPaRm/MPaYRA/ Rm/MPa母材HAZ焊缝1219´198659450.903195075,72 (-5)65,63 (-20)335162217表8 X120管线钢的环焊性能Table 8 Girth weldability of X120 pipe焊接接头的抗拉强度/MPaHAZ 焊缝CVN/ JCTOD（-20）/ mmCVN/ JCTOD（-20）/ mm954185（-5）0.155, 0.161，0.169115（-5）0.145, 0.125, 0.137955105（-30）111（-30）

22、2004年2月在加拿大阿尔波特北部用新日铁生产的外径914mm、壁厚16mm的X120钢管建设了世界上首条1.6km长的X120管线示范段。当时室外温度为30，设定最小的道间预热温度为125，未发现裂纹7。示范段提供了获得寒冷天气使用X120新材料现场建设经验的机会，成功地实施了包括现场弯曲和环焊等各种现场建设作业。2 管线钢HTP的发展和应用TMCP工艺一般分为再结晶轧制和非再结晶轧制，有的还增加两相区轧制。铌作为现代微合金化管线钢中最主要元素之一，提高非再结晶温度的作用十分明显，随着奥氏体状态下固溶的铌含量增加，再结晶的终止温度将升高，并可在比传统管线钢TMCP工艺高的轧制温度下进行精轧，

23、有助于减少精轧阶段的轧机负荷。为了提高铌在奥氏体中的固溶度，需降低钢中的碳含量。在质量分数为0.03%左右的超低碳含量下，11001150温度范围可固溶质量分数为0.08%0.12%的铌。这样形成管线钢的HTP高温轧制技术5。由于铌有促进“针状铁素体”形成的作用，同时，由于采用了超低碳的成分设计，这类管线钢具有高的冲击韧性、良好的焊接性能及抗HIC的能力。在中国的西气东输工程用X70管线钢和中国第一条X80管线应用工程中用的X80管线钢也体现了这种成分设计思想11。早期由于厚板生产厂的加速冷却能力不强，为保证相变强化的效果常加入钼元素12，典型的X80成分（质量分数，%）是：C 0.05, M

24、n 1.75, Cu 0.30, Ni 0.30, Mo 0.30, Nb 0.08, Ti 0.011。随着TMCP技术的发展，轧后冷却速度的增加，开发了不含钼的成分体系，通过用铬替代钼以保证高强度管线钢的强度，形成新的HTP工艺的成分体系6。这对降低管线钢的合金成本有显著作用。2005年建成投产的美国第一条X80管线项目Cheyenne Plains输气管线中使用了用HTP技术生产的X80管线钢6。该管线全长616km，外径为762和914 mm，壁厚为9.8、11.8、14.1.和16.9mm。其中488km为螺旋焊管，采用由加拿大IPSCO公司用传统HTP技术生产的含钼X80管线钢，1

25、28km是由美国NAPA公司采用Orange公司用含铬的新HTP技术生产的X80管线钢板制造的UOE直缝埋弧焊管。两种焊管共计18.1万t，其成分见表9，均具有超低碳高铌的特点，且不含钒。这样w(Nb)w(V)w(Ti)并未增加。对应的焊管性能列于表10，具有X80的高强度、高韧性。由于采用了超低碳设计，Pcm值低，使之具有好的焊管焊接性能和现场环焊性能。表9 美国第一条X80管线用钢的化学成分（质量分数）Table 9 Chemical composition of X80 pipes in the first X80 pipeline project in USA % 成分体系CMnSiN

26、bCrMoNiTiPcmUOE焊管新HTP0.041.580.130.0980.240.150.0110.15螺旋焊管传统HTP0.031.680.270.0950.300.0190.16表10 采用HTP技术生产的美国第一条X80管线钢的部分性能Table 10 Properties of X80 pipes produced by HTP and used in the first X80 pipeline project in USA Rt0.5/MPaRm/MPaYRDWTT（-7）/SACVN (-7)/ J母材HAZ焊缝UOE焊管6057030.8610029229080螺旋焊管5

27、857070.833 高强度抗大应变管线钢的发展管线发展最具挑战性的领域之一是地震区和永冻带，这些地区的埋地管线管可能发生大的塑性变形。针对这类管线工程采用了“基于应变设计法”的新概念13。这样，管线管需要更高的抗压缩和拉伸应变的性能。对于按“应力设计”的管线管，抗大应变的管线管的纵向性能十分重要。钢管的可变形性可通过提高应变硬化性能（降低屈强比）得到提高，而钢材的应变硬化性能受到显微组织的强烈影响，由硬相和相对软的相组成的双相显微组织可获得较大的应变强化性能。JFE开发了两种类型的高变形性管线管3，一种是由铁素体贝氏体双相显微组织构成，另一种是由贝氏体马氏体(MA)双相显微组织构成。这些管线

28、管对因地面运动而引起的大应变有着更高的抗弯折和抗断裂能力。为了生产这种高强度高性能的管线钢，JFE在西日本钢铁厂的Fukuyama厚板厂安装了HOP（在线热处理工艺）装置，这是一种螺线管型感应加热设备，在生产线上临近热矫机，位于加速冷却装置之后。与Super-OLAC（超级在线加速冷却工艺）相结合，HOP可获得传统TMCP工艺达不到的独特效果。图3是应用HOP技术生产钢板的示意图，同时还示出传统TMCP工艺过程。可见采用传统TMCP工艺时，钢板经过控轧，加速冷却，然后空冷；而采用HOP技术时，钢板快速冷却后立即通过感应线圈进行快速热处理。结果，通过控制相变获得了多种性能，碳化物和第二相同时析出

29、，这是传统工艺达不到的。通过HOP工艺可使钢板在厚度方向、纵向和横向等方向获得均匀的材料性能，使得大规模生产钢板的力学性能分散度更小，且具有很好的管体尺寸精度。而且，采用HOP工艺还提高了材料性能的热稳定性，改善了消应力热处理和抗应变时效等材料的耐热性能。图3 JFE的HOP工艺Fig. 3 Scheme of HOP at JFE表11列出JFE所开发的API X65X100管线管的例子，需注意的是其中拉伸性能为焊管的纵向，低的屈强比可较好地抵抗因地面运动产生的大应变。图4（a）为新开发的抗大应变管线钢的显微组织，图4（b）为传统管线管的显微组织5。新开发的抗大应变管线钢的显微组织为铁素体贝

30、氏体双相显微组织，传统管线管则是贝氏体单相组织。通过控制化学成分和生产工艺参数来控制新开发的抗大应变管线钢的显微组织，从而在钢管纵向上获得高强度、高n值和低屈强比间的平衡。表11 具有铁素体贝氏体显微组织的高变形性管线钢的力学性能Table 11 Mechanical properties of high deformability pipeline steel with ferrite and bainite microstructure钢级尺寸拉伸性能冲击性能外径mm壁厚mm外径/壁厚屈服强度MPa抗拉强度MPa屈强比n值冲击功JVTrs/X65762.019.1404635900.780

31、.16271-98X80610.012.7485537520.740.21264-105X100914.415.0616518860.730.18210-143（a）抗大应变管线钢；（b）传统管线钢图4 两种X65管线管的显微组织Fig. 4. Microstructures of two X65 pipeline steels: (a) high deformability pipeline steel with ferrite-bainite microstructure, (b) traditional pipeline steel含马氏体这样较硬第二相的双相显微组织，即使硬相的量较少也

32、表现出较高的n值。JFE通过加速冷却工艺后的加热处理形成新的显微组织控制工艺。图5是新的显微组织控制工艺的示意图，这一新工艺由3个阶段组成。在贝氏体完全转变温度以上停止加速冷却（ACC），此时保留了未转变的奥氏体相。在该阶段，显微组织由贝氏体和未转变的奥氏体组成。ACC后立即利用在线加热设备进行热处理。在加热过程中，贝氏体中的碳扩散到奥氏体中。加热后，奥氏体含有更高的碳含量，由于奥氏体含有高浓度的碳，可在空冷时形成MA组元。将MA体积分数控制在5%以上时屈强比可低于0.80。典型的显微组织如图6所示，在贝氏体中弥散分布着细小的MA组元。图5 利用在线热处理工艺获得贝氏体+弥散分布的MA显微组织

33、的工艺控制示意图Fig. 5 Schematic illustration of new controlling process of obtaining bainite and dispersed MA microstructure as HOP 图6 高变形性X80管线钢的显微组织（含MA的贝氏体）Fig. 6 Microstructure of X80 high deformability pipeline steel with bainite containing MA表12为JFE试制的抗大应变X80管线管的尺寸和力学性能。两种钢管都具有圆拱型的应力-应变曲线，纵向屈强比都低于0.8

34、0。通过单轴压缩试验和弯曲试验评价了所开发的具有两种不同显微组织类型管线钢的可变形性，与传统的管线管相比，新开发的管线管均表现出极好的抗弯折性。采用FBE外涂层研究了所开发的管线管应变时效硬化行为。结果表明，具有回火贝氏体+MA显微组织的X80管线管在UOE制管后和232涂层后均表现出足够的抗弯折性能。表12 显微组织为贝氏体内含弥散MA的高可变形性管线管的力学性能Table 12 Mechanical properties of high deformability linepipes with bainite and dispersed MA microstructure钢级尺寸拉伸性能1

35、)冲击性能外径mm壁厚mm外径/壁厚屈服强度MPa抗拉强度MPa屈强比n值冲击功JVTrs/X80762.015.6495327020760.12271-981016.017.5585817340.790.14264-105注：1)纵向性能。4 大壁厚海底管线用钢的发展能源需求促进边际油气田和海上油气资源的开发，海底管线的重要性日益凸显。恶劣的海洋环境对海底管线用钢提出较陆地管线更加严格的质量要求。由DNV-OS-F101海底管线标准可知，海底管线不仅要求钢管的横向强度，还要求钢管的纵向强度。随着海洋石油开采从近海向深海发展，特别是水深大于2100m后，海底管线的抗压溃性就愈来愈重要。为满足这

36、样的要求，钢管的壁厚和钢管尺寸的圆度显得十分重要。表13是目前世界上不同区域几个主要的海底厚壁大口径管线的水深、管径和钢管壁厚14，可见，随着水深的增加，钢管的壁厚增加，钢管口径与钢管壁厚的比值（D/t值）增大。表13 深海海底管线应用的大口径钢管尺寸Table 13 Dimensions of large diameter linepipes applied to deep subsea pipeline地区年深度/m外径/mm壁厚/mmD/t阿拉伯海可行性研究3500610（内径）364415.8黑海2001216061031.819.2墨西哥湾1999160045719.120.622.

37、2地中海1981199461061350866019.120.622.225.424.726.0北海1995199736580101691426.130.322.225.033.536.6海底管线中常采用X65钢级厚壁管线管，表14 是住友金属应用于黑海海底管线厚壁焊管（外径610mm，壁厚31.8mm）的成分和性能，其钢管的D/t已达19.2。由于采用低碳成分设计，具有低的CE（IIW）值和Pcm值，钢管具有高强度、高韧性和良好的焊接性能，在30下母材冲击功达386J、HAZ的冲击功达284J。表14用于黑海海底管道的X65 厚壁UOE钢管的成分（质量分数）和性能Table 14 Chemi

38、cal composition and properties of X65 heavy wall UOE pipes produced by Sumitumo and used in Black Sea subsea pipeline (610 O.D.´31.8 W.T.)化学成分/%横向拉伸性能CVN (-30)/ JCMnCE(IIW)PcmRt0.5/MPaRm/MPaYRA/母材HAZ焊缝0.0611.440.3670.1654925990.8252386284199海底管线不断向深海挑战。一条从阿曼到印度的水深达3500m、总长1200km海底管线的可行性研究在进行中14

39、。为防止管线在35MPa的外压下压溃，使用的钢管必须满足严格的技术要求。计划采用X70钢级，壁厚达44mm的钢管，要求10下母材的冲击功大于200J，焊缝冲击功大于100J，DWTT的断口剪切面积大于85，椭圆度要求小于4。同时还有两个关键问题需要解决，一个是这么厚的高钢级大壁厚钢管已超过目前大部分UOE机组能力，第二个是采用埋弧焊如何保证在这样大的壁厚下热影响区的冲击韧性。目前X70钢级的厚壁海底管线已在深海管线中应用。2005年建设完工的Langeled北海管线采用了X70管线钢4。用两个外径762mm的海底管线将未经处理的天然气从大约1000m水深的Ormen Lange气田输送到挪威中

40、部西海岸的Nyhamna天然气终端处理站。天然气经处理后从Nyhamna经过Sleipner海上平台输送到英格兰的Easington。.在Steipner海上平台以北的海底管线采用外径1016mm，壁厚29.134mm的钢管，工作压力25MPa；Steipner海上平台以南的海底管线外径1066mm，壁厚23.334.1mm，工作压力21.5MPa。欧洲钢管公司提供了该管线用的835km长的钢管，总重量为63万t。表15是欧洲钢管公司为北海Langeled海底管线提供的X70管线钢的化学成分，采用的是低碳MnNbTi的经济型成分体系，低的硫、磷含量，不含钒,具有低的碳当量和Pcm值。相应的力学

41、性能列于表16。焊管纵向和横向的屈服强度相近，而横向的抗拉强度则比纵向的抗拉强度高20MPa左右。30下焊管母材的夏比冲击功均大于200J，甚至在70仍具有大于150J的夏比冲击功。表15应用于Langeled北海海底管线的X70管线钢的化学成分（质量分数）Table 15 Chemical composition of X70 pipeline steel produced by Europipe and used for Langeled subsea pipeline of North Sea CSiP（最大）S（最大）Mn其它CE(IIW)Pcm0.080.30.0150.0031.6

42、Nb, Ti0.380.19 %表16 应用于Langeled北海海底管线的X70管线钢的力学性能Table 16 Mechanical properties of X70 pipeline steel produced by Europipe and used for Langeled subsea pipeline of North Sea 钢管规格/mmRt0.5/MPaRm/MPaYRA5/%CVN （-30 °C）/J 外径壁厚横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向母材HAZ焊缝106623.3, 24.05225156286030.830.8520.822.5209225151

43、101629.134.15135206236030.820.8622.623.92602431255 抗H2S的管线钢高强度低合金钢在饱和H2S环境下，如输送被称作“酸性气体”的未经干燥的含H2S天然气时会产生应力腐蚀开裂（SSCC）、内部氢诱裂纹（HIC）或表面鼓包等破坏。NACE标准中将酸性环境定义为含有水分及H2S分压大于0. 35kPa。在酸性环境下使用的管线钢是以高韧性和抗HIC性能为特征，这些特性来自钢的高纯净度和低的夹杂物含量。为了满足强度、焊接性和可制造性，抗HIC管线钢的成分设计和冶炼、连铸、轧制等工艺参数的控制是十分重要的，这样才能保证获得均匀的显微组织。通过厚板轧制后的加

44、速冷却可形成铁素体贝氏体组织或针状铁素体组织以取代带状的铁素体珠光体组织。文献15总结了欧洲钢管（其前身为曼内斯曼钢管公司）近30年来抗HIC管线钢的发展情况。2004年以前生产的抗HIC管线钢最高钢级是X65，2005年发展到X70抗HIC管线钢。从1981年到2005年共生产了300万t酸性环境下使用的管线管，最大壁厚达41mm。表17和表18分别是欧洲钢管公司提供的13.5万t应用于海底输气管线X65抗HIC管线管（外径914mm，壁厚27.2 33.1 mm）的成分和性能。采用的是超低碳、超低硫、低锰、低磷的成分设计以降低碳、锰、硫、磷等元素的偏析，通过铌、钒的微合金化使其性能很好地满

45、足X65抗HIC管线管的要求，并通过NACE TM02-84标准A溶液(pH3)严格的HIC检验。表17 欧洲钢管公司生产的X65抗HIC管线钢的典型成分(质量分数) Table 17 Typical composition of X65 HIC-resistance pipeline steel produced by Europipe %CSiP（最大）S（最大）Mn其它CE(IIW)Pcm0.040.280.0150.00151.38Nb, V0.330.13表18 欧洲钢管公司生产的X65抗HIC管线钢的性能Table 18 Properties of X65 HIC-resistan

46、ce pipeline steel produced by Europipe横向拉伸性能0DWTT/CVN(-10)/J HIC试验 (pH3)Rt0.5/MPaRm/MPaYRA/SA母材HAZ焊缝CTR/CLR/CSR/4805640.8650.089433422175£ 1.25£ 0.5由于碳、锰偏析不利于抗HIC性能，因此对X70抗HIC管线钢不能采用碳和锰来提高强度。将抗HIC管线钢的钢级从X65提高到X70采用了两种不同途径16。一种是提高铌含量，加入钛以固定钢中的氮，类似于前述的管线钢HTP技术，这样的碳当量CE（IIW）只有0.32%左右。表19是欧洲钢管

47、公司生产的2.5万t陆地管线用X70抗HIC管线管的性能，其平均成分(质量分数，%)为C 0.039、Mn 1.39、CE（IIW）0.31、Pcm 0.13，满足X70管线管的强度要求，10的DWTT试验的断口剪切面积为100，20的夏比冲击功大于400J，具有很高的低温冲击韧性，并通过NACE TM0284标准B溶液(pH5)的HIC检验。另一种方法是对厚壁管线钢在NbV系的X65管线钢基础上增加铜、镍、铬和钼等合金元素以提高强度，这样的碳当量CE（IIW）在0.39%左右。表20是欧洲钢管生产的6000t外径1016mm、壁厚34.3 mm海底酸性环境用X70管线管的性能数据，其平均成分

48、(质量分数，%)为C 0.038、Mn 1.43、CE（IIW） 0.41、Pcm 0.17，NbVTi微合金化，含NiCuCrMo，同时采用了纯净钢技术，平均磷的质量分数为0.009%, 硫的质量分数为0.0005%。通过优化的TMCP技术得到均匀的贝氏体组织，具有高强度和高韧性，同样也通过NACE TM0284标准B溶液(pH5)的HIC检验。表19 欧洲钢管公司生产的酸性环境用X70管线管（外径914mm，壁厚16.4 mm）的性能Table 19 Properties of X70 sour service linepipe (914mmO.D.´16.4mmW.T.) pr

49、oduced by Europipe横向拉伸性能DWTT(0)/CVN(母材,20)/JHIC试验 (pH5)Rt0.5/MPaRm/MPaYRA/SACLR/CSR/5155960.8635.210044190的数据为090的数据0.1表20 欧洲钢管公司生产的海底酸性环境用X70管线管（外径1016mm，壁厚34.3 mm）的性能Table 20 Properties of X70 sour service subsea linepipe (1016mmO.D.´34.3mmW.T.) produced by Europipe横向拉伸性能DWTT(0)/CVN(-20)/J HI

50、C试验 (pH5)Rt0.5/MPaRm/MPaYRA/SA母材焊缝CLR/CSR/5216190.8454.294452130£ 4£ 0.26 我国管线钢的发展及展望随着我国冶金技术的进步，经过10多年的开发和生产，管线钢的产量逐年上升，并逐渐形成包括高止裂针状铁素体的X70和X80、抗HIC的X65、高强度高韧性（铁素体珠光体组织）的X60和X65等不同等级的微合金化管线钢成分设计、冶炼和TMCP技术和生产质量控制技术。产品先后应用于我国西气东输工程、X80管线钢应用工程、忠武输气管线工程、番禺-惠州海底输气管线工程以及海外的印度输油管线、土耳其输气管线等一系列国内外

51、重大长距离油气输送管线工程14，17,18。随着我国能源结构调整和环保需求，对天然气的需求不断增加，目前正以平均7的增长速度增加，预计到2020年中国还将新建50000km的天然气管线。同时，加大海上石油天然气的开采，并不断向深海发展。因此，应该借鉴世界上高等级管线钢已有的经验，进行超高强度管线钢、抗大应变管线钢、深海管线用钢、高等级厚壁抗HIC管线钢和新型HTP管线钢的开发，以满足未来国内外天然气管线建设的需要。7 结语近年来国际高等级管线钢的发展特征可概括为以下几点：（1）为降低长距离天然气管线的建设成本，开发了X100和X120超高强度管线管，并已进行了X100和X120管线管的试验段建

52、设，取得了显著的进展。（2）满足“基于应变设计”的抗大应变高强度管线钢以双相显微组织为特征，强度等级可从X65至X100，可应用于冻土带、地震区和水土流失区域的管线建设。（3）海底管线用钢和抗HIC管线管的强度等级已从以往的X65提高到X70，X70管线管的最大壁厚可达34.1mm，并已批量在工程中应用。（4）新型的HTP高强度管线钢采用超低碳高铌含铬的成分设计，具有十分优良的性能，用铬替代钼可显著地降低成本，生产的X80已应用于美国第一条X80管线。参 考 文 献：1 Asahi H, Hara T, Tsuru E， et al. Development of Ultra High-Strength Linepipe X120J. Nippon Steel Technical Report, 2004, (90): 70-75.2 Hillenbrand H G, Kalwa C. Production and Service Behavior of High Strength Large Diameter PipesA. Toyoda M， Denys R eds. Proceedins of International Conference on the Application and Eval