10-高钢级石油天然气管线钢的合计设计

1、高强度石油天然气管线钢的合金设计Douglas G. Stalheim1, Keith R. Barnes2, Dennis B. McCutcheon31DGS Metallurgical Solutions, Inc., 16110 NE 4th Street, Vancouver, WA 98684 USA, Ph. (360) 713-2407, Fax (360) 882-17752KB Technical Services, Inc., 4 Knots Landing Court, Stoney Creek, ON Canada, L8E 4H2, Ph. (905) 662-37

2、383 Technology, Stelco, Inc., 386 Wilcox Street, Hamilton, ON Canada, L8N 3T1, Ph. (905) 527-8335 ext. 3235摘要：将石油天然气从偏远崎岖地区运输至市场需使用在各种温度条件下均具有优异韧性的高压输送管线。这一目标可通过增加管线壁厚或钢的强度，以及通过两者的合理匹配来实现。增加壁厚导致建设成本增加，因此，在过去的10年里管线设计的目标一直在致力于采用高钢级的管线钢，如在各种设计温度条件下具有优异韧性的X70、X80，甚至更高级别的管线钢等。在高强高韧管线钢生产中已使用了大量的合金设计方法，但最

3、终确定的组织控制方案主要有二：铁素体/珠光体型和铁素体/针状铁素体型，而且，两种类型钢的制管工艺是完全不同的。除了钢的成本因素之外，轧机和制管设备的能力也是决定采用哪一种组织类型来满足特定管线项目的关键因素。目前，先进的计算机模拟技术已可用于辅助完成这一目标。目前，有两种以Nb微合金化为基础的获得铁素体/针状铁素体组织的合金设计方法。其中一种采用Mo合金化的方法在过去15年的文献中被经常报道，该技术主要依靠低温轧制技术，因此对轧机能力要求较高，也影响生产效率。另一种方法是近年来广泛使用的高Nb合金化技术。第二种合金化设计的不同寻常之处是它可以采用较高的轧制温度来生产满足现代输送管线需要的高强韧

4、钢板。这种方法被称之为“高温工艺技术”、或简称为“HTP”技术。该技术可提高轧制效率，也可缓解传统合金化技术对轧机的苛刻要求。本文将重点关注HTP概念，探讨这两种不同的组织设计方法，以及生产中相关的合金化设计和轧制工艺原则。文中也将介绍实际管线项目应用、轧制与制管设备、实验问题，以及预测模型的应用等问题。关键词：HTP；针状铁素体；X80；模型；组织；韧性；管线钢；钢卷；炉卷前言已探明的油气储量被发现在越来越崎岖、偏远的地区。这些地区往往是寒冷或地质不稳定的地方，这给管线用材料带来巨大的挑战，图1。图1 高强管线位置线路图示例. 红线标识地区为永久冻土带除环境因素之外，油气公司为更经济地将油气

5、输送至市场，输送压力也正在逐渐提高，见图2。图2 北美地区天然气输送压力变化情况表1 管线设计趋势以及材料特征管线设计特征管线材料特点提高输送压力增加管线钢强度和/或厚度。 断裂韧性可能会有所降低，而且由于合金化需要（微合金钢和/或Cu、 Ni、 Cr、 Mo等合金化）使材料成本增加、更加严格的轧制工艺、接近断裂止裂模型极限等。寒冷的环境高的低温断裂韧性。较高的韧性要求钢应具有较高的洁净度、夹杂物形状控制、 低的C、 P、 S含量，更为严格的轧制工艺、额外的裂纹止裂评估方法（CTOD等），材料的成本将受所需工艺和成分控制的影响等。地质条件（永久冻土带）应变设计，需要较高的纵向强度、需要较高的均

6、匀延伸性能，不必与高强度钢的组织设计相一致。焊接 较低的碳当量（CE/Pcm）需要新的合金化设计，对强度范围要求也更加严格，由此导致制造成本增加。抗氢致裂纹低碳、较高的洁净度、夹杂物形状控制、较低的S、 P含量、较高的铸坯成分均匀性。因合金化和制造工艺等因素使钢的成本显著增加。海底管线应变设计、较高的纵向强度性能、较低的钢板各向异性，这些要求也需要改善合金设计，从而导致成本增加。过去的陆上输送管线设计主要是以应力为基础进行设计的，如管线材料基本上以承受内部压力和压力波动为基础。然而，因为铺设过程的侧面弯曲以及受海底海流变化等因素的影响，海底输送管线往往采用应变设计原则。随新发现油气田的气候和位

7、置（如永久冻土带）的变化，陆上管线也逐渐由应力设计转变为应变设计。另外，天然气由低硫气向酸气的变化、令人关注的公共安全和环境问题、逐渐增加的输送压力以及管线制造和安装成本等因素使管线设计采用更高的强度、良好的抗止裂性能、抗氢致裂纹能力、良好的焊接和成形性能等。管线材料的这些特征总结见表1。表2列举了为表征管线设计特征而最新发展的一些标准需求情况。表2 管线设计特征及相关标准要求1，2管线设计特征标准 1 标准2 海洋 标准3 - HIC 标准4 提高输送压力X80, 厚壁X70 厚壁应力设计，最高强度到X70应力设计，X80, 100% SMYS 水压试验 、严格的硬度要求寒冷地区低 S, T

8、CVN 190 J to -20 C add -55 C, DWTT 85%, CTODNANANA地质条件（永久冻土带）应变设计, 纵向拉伸性能，均匀延伸性能, 较低的屈强比，较高的焊缝强度等。NANANA焊接YS 和TS 范围限制， 钢管精度控制YS 和TS 范围限制， 严格的钢管精度控制NAYS 和TS 范围限制， 钢管精度控制抗氢致裂纹NANA控制C, P, S, Mn含量，YS 和TS 15 ksi 控制范围, 控制硬度指标，高洁净度。NA海底管线NA应变设计，纵向力学性能，屈强比0.88, 压缩屈服强度试验环破坏试验NA2 合金设计方法为满足管线设计不断发展的要求，在过去35年里受

9、成本、炼钢与轧制技术发展的驱动，管线钢的合金化设计也发生了很大变化。管线技术进步也带动了钢铁生产技术的发展，例如，酸性介质条件促进低C、S和高洁净度技术；高韧性的需要促进低C、S、P和洁净钢技术；高强度需求促进微合金化、合金化、低温轧制和加速冷却技术等。另外，从上世纪90年代初起提出的对管线钢较高的低温韧性、良好的现场自动焊性能要求促使钢的碳当量逐渐降低，从而对钢的成分设计提出了严格的限制，如降低C含量（0.08%最大，最好0.05%）等。因降低C含量而导致的强度损失必须通过微合金化、固溶强化和轧后加速冷却等方法得以补充和提高。管线钢合金设计发展的最终结果是确定了两种基本的组织类型，这两种组织

10、的钢是目前世界范围内API标准管线钢商业化生产的基础，它们是铁素体/珠光体钢和铁素体/针状铁素体钢。针状铁素体也被定义为由晶内形核产生的低碳贝氏体。近年来发展的高钢级管线钢X100、X120又出现了第三种组织类型，这种组织是在针状铁素体基体上，含有少量马氏体与其它形式的贝氏体组织而构成。API管线钢的合金设计是基于低C-Mn-Si合金化而发展起来的，这种合金化已成熟应用于API 5LB和X42钢生产。采用添加小于0.065%的单一微合金元素或复合微合金化；再根据钢板厚度、轧机能力等添加少量的合金元素（Cu Ni Cr）可生产API X52-X70。在API管线钢生产中应用的主要微合金化是Nb。

11、为获得更高的强度，V微合金化作为辅助作用也被广泛使用。在不考虑轧制工艺条件下，C-Mn-Si微合金钢的组织类型是铁素体/珠光体，这种合金化/组织设计的制造成本最低。较高强度的X70及其以上的高钢级管线钢的合金设计，或为补偿轧机能力而进行的X65钢级的合金设计都是以微合金化的C-Mn-Si钢为基础，同时添加少量的Cu 、Ni、 Cr等元素（即可单独添加，也可复合添加，总量应小于0.6%），再添加少量Mo(最大量0.3%)而进行合金设计的。Mo合金化与合适的轧制、冷却工艺结合可获得铁素体/针状铁素体组织。在非Mo合金化情况下，通过添加总量最大达0.11%Nb也可获得该组织，因为这种钢可在较高的终轧

12、温度条件下实现材料生产，因此被称之为HTP技术，见3.2.2。通过增加Mn、Cu、Ni、Cr、Mo的含量，以及采用B微合金化技术已可生产API X100及API X120高钢级管线钢。这种合金设计会导致其他类型的贝氏体组织以及少量的马氏体出现，从而降低钢的焊接性能，也使材料的制造成本增加。表3总结了各种API强度级别管线钢的合金/组织设计概况。一般来说，铁素体/珠光体组织设计的目标是提高钢的强度。提高合金成分对很多管线性能有负面影响，因此，管线、组织和合金化间必须建立良好的平衡关系。与钢的强度、合金化和组织因素相关的主要管线设计特征见图3。表3 API管线钢的合金设计API 钢级合金化X120

13、针状铁素体/贝氏体/马氏体, C 0.10, Mn2.0, Si0.40, Nb0.06, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B, Pcm0.25X100针状铁素体/贝氏体, C0.06, Mn2.0, Si0.40,Nb0.06, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Pcm0.23X80铁素体/针状铁素体, C0.06, Mn1.70, Si0.40, Nb0.10, Cu, Ni, Cr, Pcm0.18铁素体/针状铁素体, C0.06, Mn1.70, Si0.40, Nb0.10, Cu, Ni, Mo, Pcm0.21X70D/t50: F/AF, C0.06, Mn1.65,

14、 Si50 F/P, C0.10, Mn1.65, Si0.40, 单合金化Nb0.065, 或Nb+V0.15, Pcm0.20X65铁素体/珠光体, C0.10, Mn1.65, Si0.40, 单合金化Nb0.065, 或Nb+V0.15, Pcm0.23X65 酸性气体铁素体/珠光体, C0.05, Mn1.35, S0.003, Si0.30, Cu+Ni+Cr 0.70, 单合金化Nb0.065, 或Nb+V0.15, Pcm0.15X60铁素体/珠光体, C0.10, Mn1.50, Si0.40, 单合金化Nb0.06, 或Nb+V0.12, Pcm0.23X60酸性气体铁素体

15、/珠光体, C0.05, Mn1.20, S0.003, Si0.30, Cu+Ni+Cr 0.70, 单合金化Nb0.065, 或Nb+V0.12, Pcm0.15X52铁素体/珠光体, C0.10, Mn1.20, Si0.40, 单合金化Nb0.050, Pcm0.17X52酸性气体铁素体/珠光体, C0.05, Mn1.10, S0.003, Si0.30, Cu+Ni+Cr 0.60, 单合金化Nb0.050, 或Nb+V0.10, Pcm0.13X42铁素体/珠光体, C0.10, Mn1.00, Si0.40, 单合金化Nb0.050, Pcm0.165LB铁素体/珠光体, C0

16、.20, Mn1.00, Si0.40, Pcm0.16图3 管线设计特征说明3 API管材钢生产技术3.1 炼钢在冶炼过程中生产满足API管线铸坯的主要目标是： 严格控制化学成分，保证组织和力学性能均匀性； 控制高的洁净度，保证高的韧性、良好的焊接性能、抗HIC以及成形性能； 降低铸坯中心偏析，保证板厚方向的组织/性能均匀性，抗HIC和内部分层等问题； 良好的铸坯表面质量，降低管材表面缺陷； 良好的尺寸精度控制，提高下游工艺的效率。API管线钢生产炼钢工序的主要装备包括炼铁过程（高炉-生铁、直接还原铁或废钢）、炼钢（转炉或电炉）、钢包精炼炉（LMF）或精炼站、真空脱气（视产品性能要求决定是否

17、使用）、连铸机等，示意图见图4。图4 API管线钢生产冶炼工艺过程示意图在冶炼过程中，一些工艺参数和合金加入过程必须严格控制，相关要求见表4。表4 主要炼钢参数及其对铸坯/钢管质量的影响工艺主要参数影响LF夹杂物形状控制冲击韧性， HIC吹氩时间洁净度 冲击韧性，内部洁净度，抗HIC性能精炼总时间综合洁净度连铸氩气保护综合洁净度过热度中心线偏析、组织控制、钢板韧性、HIC铸机条件中心线成分偏析/组织，中心线疏松(可能出现中心分层)最小中间包重量头坯和尾坯的洁净度 冲击韧性、内部冶金质量，HIC保护渣控制综合洁净度冲击韧性，内部冶金质量连铸拉速表面质量，局部洁净度切坯切割温度冷 可能产生边裂和端

18、裂生产高强韧性管线钢的铸坯厚度规格为：150mm厚中等厚度坯主要为炉卷轧机提供坯料；常规热连轧流程的坯厚一般为220300mm；目前，也有采用厚度50mm的薄板坯，利用Nb、V微合金化技术生产厚度小于12mm钢带的生产技术。3.2管线钢轧制3.2.1 轧机类型图5示意说明了生产API管线钢板和钢带的轧机类型和机组结构布局情况。钢卷一般用热连轧机或炉卷轧机生产，钢板即可利用往复式中板轧机生产，也可以用炉卷轧机生产，同时对厚度小于9.5mm的钢板也可采用卷板定尺方法生产。中板轧机是典型的单机架或双机架4辊可逆轧机。为提高轧机作业率，可通过添加初轧机架将铸坯厚度轧制到中间坯厚度，然后再进入精轧机架轧

19、制。由于沿钢板长度方向的温度降低，常规中板轧机根据其终端产品的厚度，钢板的长度一般都在50m以内。热连轧机组一般由一架或两架4辊可逆初轧机架及47机架4辊连轧构成。根据钢带的厚度规格变化，钢卷的长度甚至可达到800m。炉卷轧机的典型特征是在4辊可逆轧机的两端各添加一个热卷箱，因为缓解了温降问题，炉卷轧机也可生产像热连轧机组一样长度的钢带。目前，宽3m、厚22mm，重量达3540吨的钢卷可通过这种工艺生产。所有这些轧机布局均可配备各种加速冷却装置。冷却能力可以从系统总能力低至1000 m3/hr到高至20 000 m3/hr，甚至可达到使厚度大于50mm钢板的冷却速度达到1520/s。图5 典型

20、的连轧机组和炉卷轧机的结构布局3.2.2 API管线钢的轧制技术利用上述各种轧制技术生产API管线钢的主要目标是控制钢板的平直度，这在实际生产中是难以控制和保持的。 保持加热和轧制过程中的温度控制来满足产品的要求组织、力学性能； 保持确定的时间表和轧制规程以保证产品的要求组织，力学性能，规格，生产效率。需重点控制的参数以及它们对管线的影响见表5。表5 主要轧制参数及其对钢卷/钢板/管线质量的影响工艺 主要参数影响加热加热时间温度控制合金设计的成本有效使用, 均匀的组织/物理性能，良好的韧性轧制初轧起草计划方案，运行控制，再结晶控轧，实现预定的中间坯厚度和温度控制。生产效率，韧性（冲击/DWTT

21、），几何形状精轧严格执行轧制规程强度、韧性、组织、几何形状精确控制轧制温度强度、韧性、组织、几何形状加速冷却精确控制冷却速度组织、强度精确控制终冷温度组织、强度轧制过程首先是将钢坯加热到预定温度并使钢中微合金元素充分固溶，然后，采用两种典型的轧制工艺之一进行控轧。这两种典型轧制工艺是：1）常规轧制；2）热机械处理（TMCP）。根据钢的再结晶终止温度以下的变形程度，以及相对于钢的相变温度而设定的终轧道次的温度不同，这两种典型轧制工艺还可以分解出更为细致的轧制技术方案。各种轧制技术可能伴随或不使用某些形式的加速冷却方法，见图6。常规热轧 热轧 (HR) 轧制过程中无须考虑终轧温度，只保证几何形状控

22、制，例如，轧制时无须控制道次数量、道次压下率等，仅以轧机能力为基础进行终端产品的几何形状控制。 控制轧制(CR) 控制终轧温度和精轧变形量（中间坯厚度应为钢板厚度两倍以上）热机械处理： TMCP 832-900 C间控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值应为35，终轧温度应接近于钢的 Ar3温度。在Ar3温度50以上区间实施所谓的两阶段轧制，可通过位错强化来进一步提高钢的强度；采用比正常加热温度低的加热技术也可提高钢板的韧性（提高断口的剪切面积）。 HTP 也采用控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值为35的轧制技术，但温度范围比TMCP高，一般为 9251020 。因为含Nb量高，终轧温度一般为

23、Ar3 以上803。这些轧制技术在API管线钢生产时即可用于钢卷，也可用于钢板生产4。结构再结晶奥氏体(等轴) Non-recrystallizedausteniteAustenite + ferriteFerrite/pearlite;ferrite/acicularferriteTnrAr3AcCAcCHigh temperature processing(HTP)Normal TMCP Controlled rolling(CR)20-70C18C0 2 x tAir5-15C45CAcCAirAir3 5 x tCRTMCPAs rolled45 -100CAcCAir传统过程TCMP

24、50-100C图6 API钢卷和钢板生产的热机械轧制工艺示意图轧制后，可采用控冷或水冷加速冷却来获得理想的组织和性能。连续冷却转变曲线（CCT）是制定轧后冷却工艺的基础。图7显示了实际生产的铁素体/珠光体型管线钢、两种铁素体/针状铁素体型管线钢（高NbHTP工艺型和NbMo合金化型）的CCT曲线及组织情况。图7a 7b 7c中的珠光体相变曲线说明采用不同合金化设计的三种高强度管线钢的相变规律是不同的，但三种钢的Pcm值基本相当。较高的Nb含量，以及添加Mo可以抑制珠光体相变，可在轧后冷却速度较低（57/s）的条件下形成针状铁素体或贝氏体，缓解了对加速冷却能力的要求。事实上，对Mo合金化和HTP

25、钢来说，在空冷条件下，对厚度1216mm的钢板便可获得铁素体/针状铁素体组织。各种强度级别管线钢的合金设计、工艺路线和显微组织类型总结见表6。a) X70 F/P 图, C-Mn-Si-V-Nb, Pcm-0.17b) X80 HTP F/AF CCT 图, C-Mn-Si-Nb, Pcm-0.16c) X80 F/AF CCT图, C-Mn-Si-Nb-Mo, Pcm-0.175178图7 CCT曲线及组织概况表6 各级别管线钢的合金设计、工艺和组织钢级C-Mn-Si微合金溶质合金HRCRTMCPHTP微观组织5LBXXF/PX42XXXF/PX52XXXF/PX52 酸性X1XX2XF/P

26、X60XXXF/PX60酸性X1XX2XF/PX65XXXF/PX65酸性X1XX2XXF/PX70XXX3XXF/P或 F/AFX80XXXXXF/AFX100XXXXF/AF/BX120XXXXAF/B/M1 对酸性介质应限制C, Mn, Si2 用于在酸性介质有C, Mn, Si限制的材料中 3 在F/P组织中不必添加合金元素总体来说，X70及以下强度级别管线钢可通过低C-Mn-Si-Nb-V合金化设计，以F/P组织实现钢板/带生产；强度水平或壁厚进一步提高时，应采用F/AF组织控制进行生产，同时，应添加更多的合金元素，以及采用更为严格的轧制和冷却工艺。3.3 钢管生产无论以钢板或钢卷制

27、造焊管，一般均采用电阻焊（ERW）或双面埋弧焊(DSAW)。DSAW钢管成形是通过螺旋、UOE/JCOE（U/JC成形、O成形、E-扩管），或角锥成形来完成的，各种制管技术见图8。ERW制管机(图8a)在连续机架间使用了系列周线轮廓辊，或“辊笼”使钢板成形，然后，采用电阻加热钢板边部并焊接而成。 ERW管的强度级别可达到X65，直径和壁厚一般小于610 mm (24”) 和 9.5 mm (0.375”)。虽然某些ERW钢管的强度级别可达到X80，但通常情况下ERW钢管广泛适用于低压输送管线或支线管中。大口径、厚壁输送管线即可采用螺旋、UOE/JCOE，也可采用角锥成形，并通过双面埋弧焊（DS

28、AW ）方法制造。最高达1.5%变形量的钢管口径冷扩管技术常被采用以提高钢管的尺寸精度，管径达NPS72和壁厚达50mm 的各种强度级别钢管可采用其中的一种或多种制管技术制造。a) ERWb) UOEc) 螺旋成形图8 制管技术示意图4 管材钢管的力学性能变化 4.1 总体关系目前，钢管制造商经常变化，甚至不在同一大陆之内，钢板生产也是如此。了解钢板和钢管间的性能关系是十分重要的，其最终目标是钢管的性能应达到设计的要求。一般来说，钢板强度与管体强度是线性相关的，但是，统计表明，与实验室和现场检测数据相比，钢管强度略有降低。缺口韧性指标也有相似的变化。依据钢的组织和制管工艺、钢管厚度、直径等因素

29、变化，测量的钢管强度即可能偏高、也可能偏低，两者间的不同是变化的。a) X70 UOE 一些北美最新项目数据统计 b) 最近的 X70和 X80 显示与屈服强度变化相比，抗拉强度变化很小或略有提高图9 管线与钢板强度关系近来的X70 X80生产数据众所周知，对铁素体珠光体钢来说，钢管屈服强度一般低于钢板屈服强度，有时甚至达到70MPa。而铁素体/针状铁素体组织可使制管后强度明显增加。一般情况下，钢板与钢管的抗拉强度变化很小，在制管过程中钢管的强度一般不变或略有增加。因此，钢管与钢板的屈服强度和抗拉强度的变化规律是不同的，图9a b显示了这些变化情况。图9a是2000年以来几个北美管线项目使用的

30、不同钢板轧制和制管机组的X70钢数据情况，该图清晰地给出了F/P钢和F/AF钢不同的强度变化规律。图9b是最新的两个北美管线项目的X70 和X80数据， F/AF的X80钢的屈服强度和抗拉强度变化与F/P组织的X70管线钢的变化规律相同，对F/AF钢来说，屈服强度和抗拉强度在制管过程中有增加趋势，而对F/P组织的X70钢来说，屈服强度出现降低、抗拉强度出现增加的趋势。图中显示的另外一个特征是：即使对同一组织类型钢来说，从钢管到钢板的强度变化规律也不是固定的。例如，图9a显示在F/AF钢中，当钢的屈服强度增加时，钢管与钢板的屈服强度差减小。在F/P组织钢中，较高的屈服强度可能导致制管过程中强度升

31、高，而较低的屈服强度可能导致强度降低。图10显示了钢管强度与Mo含量的关系。对大口径X80管线钢来说，在Mo含量为0.25%时，Mo基针状铁素体管线钢在制管过程中所表现出的行为与HTP（0.095%Nb+Cr）针状铁素体管线钢基本相同。图10 板管屈服强度变化与Mo含量的关系X65 X80 钢在过去30年的文献资料中已对强度变化现象进行了详细的研究和解释。然而，对焊管生产企业来说，他们一直期望能有基于管线标准，不用过多认识和了解后期制管工艺而制定的强度目标设定方法。目前，这一目标仍难以实现，因此引发了大量的有关探索更简捷、实用的管线强度估算方法的研究工作。与强度变化相似，制管过程中韧性也发生变

32、化，见图11。虽然韧性变化的原因尚不清楚，但对焊管制造企业来说，建立一种焊管韧性的实用估算方法也是十分重要的。通常情况下，可采用比规定要求更低的温度进行钢板测试来研究焊管的韧性（如在比焊管测试规定要求低15或更低的温度下进行韧性测试），实践证明这是可行的。但是，对通过低S、高洁净度控制而生产的高韧性水平钢来说，人们发现了管材与钢管间的差异，表明在制管过程中缺口韧性是有明显变化的，见图115。图11 钢板钢管的 CVN韧性变化在深入了解钢板与钢管性能间关系时，钢板的各项异性也应被重视，原因有二： 在螺旋成形焊管中，与直缝管不同，标准钢管试验方向与钢板横向是不一致的； 在应变基础的管线设计中，纵向

33、和横向强度都是重要的，对横纵向强度比有一定的规范要求。各向异性在较大程度上受晶体结构的影响。一般来说，控轧钢板的横向强度最高，图12。根据轧制工艺变化，45度方向的强度即可能比0 或 90方向高，也可能比0 或 90方向低。通常情况下，两相区轧制可加剧这种变化。a) 45 vs. 90b) 与轧制方向成各种角度的试验图12 钢板强度各向异性说明 X80如图13所示，韧性也有方向性。有趣的是，在45方向出现低谷，在该方向上，钢板的强度也较低。图13 钢板不同方向的韧性变化（ 14.2mm X70 MoNb）6钢板生产企业应深入了解性能方向性变化与合金设计及轧制工艺的关系，以便向采用各种制管技术的

34、企业提供合理的钢铁产品。4.2 钢的屈服行为钢管的强度主要取决于钢板的屈服强度，钢板的屈服强度在制管和随后的冷扩（如果应用的话），以及拉伸实验过程中又随应变途径不同屈服行为发生改变。这些应变途径主要包括拉应变、压应变和表面的扭转应变，这取决于所采用的制管和拉伸方法。图14所示的是UOE制管过程中试样的应变途径。内表面 外表面图14. UOE制管和拉伸过程中，管材内表面和外表面的应变途径该图表明，管材的内表面主要承受的是环向压缩，随后在冷扩、拉伸试样压平及拉伸实验中又经历了环向拉伸。相比之下，管材的外表面在最初的制管过程中先受到某些压缩之后主要经历了环向拉伸，在冷扩时经受拉应力，在拉伸试样压平过

35、程中承受压应力，在拉伸实验中又经受拉应力。管材厚度方向上的每部分都要承受这些不同的环向应力，因此，最后钢管的强度就是在这些往复的拉、压应力的复合作用下建立起来的。钢的屈服行为可以通过它的应力-应变曲线、制管过程中的包申格效应来表征。包申格效应是指在经受预应变之后，再受压应力将使材料屈服强度降低，反之亦然的现象。应力-应变曲线主要可以表示：基本的屈服强度、屈服点或吕德斯平台、加工硬化率和抗拉强度。这些值都受到材料内部原子和晶体结构的影响，比如，组织特征、合金元素、微合金化等。铁素体/珠光体钢的屈服行为与针状铁素体钢的屈服行为明显不同，如图15所示。图15. 管线钢典型的应力应变曲线 图15表明，

36、与F/AF钢的连续屈服不同，F/P钢有明显的屈服点和屈服平台。钢的这种基本屈服行为可以作为预测从钢材到钢管过程中屈服强度变化的基础。图16显示了X707 和 X80在制管过程中强度变化随管材屈服强度或吕德斯平台的变化情况。图16. X70 和 X80制管过程中强度变化随管材屈服强度的变化关系, t/D0.9-1.2%如图16所示，F/P 和F/AF这两种钢的屈服点延伸是不同的，F/AF约02，F/P约1.53.5。屈服平台很大程度上取决于钢的组织构成，含具有高硬化特征的组织越多，应力应变曲线中连续屈服程度越大。4.3 制管制管过程中，对钢管强度有影响的实际应变途径有： 钢管的成形比 t/D 冷

37、扩管 钢管强度的测试方法，比如，选择压平板状拉伸或环向拉伸或圆棒拉伸首先，高的成形比可获得高的强度， 如图177所示。通常，在大口径钢管成形过程中，每增加0.2的成形比，从钢板到钢管的强度将增加13MPa。图17. 制管过程中钢管成形比与强度的变化关系制管后，通常采用冷扩（1.5应变）来提高API钢管的直径均匀性和管径精度。这个过程通常也会引起钢管强度增加，如图18所示。在图18中对F/P 和 F/AF两种钢也做了对比。图18. 制管和冷扩过程中强度的变化情况总之，对于管材和钢管制造商来说，了解从钢板到钢管的强度变化并分析其原因都是非常重要的。由于组织成分的差异，F/AF 钢和F/P钢的屈服行

38、为明显不同。根据简单的统计、经验关系式等方法可以建立计算机模型来预测这方面的性能下一部分将详细介绍。5 合金设计/组织控制的指导思想5.1 数学模型5.1.1 管材强度二十世纪六十年代以来，采用了多种复杂的数学模型来预测主要合金元素和加工工艺参数对管材和钢管力学性能的影响。最初，在钢板和钢卷领域采用多项线性回归模型来预测板和卷的强度和韧性，这个模型主要考虑了化学成分和轧制工艺参数等因素。 比如： = S ai(化学成分) + S bi(轧制参数) . (1)其中，“轧制参数”主要包括板材的最终厚度、终轧温度和卷取温度。轧制参数，比如板材厚度也可以和化学成分这一项组合在一起。这种方法的使用范围受

39、公式中各独立参数范围的制约，所以通常只适用于特定的（板或卷）轧机。然而，从图19可以清楚地看出，该方法对基本要素的影响能正确地做出预测8，所以这种方法仍然在使用，可以成功地指导管材的合金设计和成本分析。TS=a0+S(ai+bit)Cidit=厚度; Ci=合金和微合金; di=+1 或1/2, 取决于特定的合金或微合金 图19. 一个板材抗拉强度预测模型（英制单位）的准确度分析适应范围：厚度11.6-19mm统计学的方法不能解释隐藏在力学性能背后的真正原因。该领域最初的模型主要以扩展的Hall-Petch关系为基础，屈服强度和韧性是各种强韧化机制的叠加。 YS (或 FATT) = s +

40、kd-1/2 .(2)其中， d = 晶粒直径, s = Saisisi = 除晶粒尺寸外影响强度的各种因素，比如，固溶强化、析出强化、错强化、织构等。这个方法以冶金学为基础，正确地描述了各种强化机制对强度贡献的大小，并且适宜于解释和调整合金设计方案，但是这种方法对性能预测的准确性有待提高。过去的二十年里，这些方法逐渐被更多的理论模型所取代，新的模型能够更好地解释基本的物理冶金现象，包括低碳钢的热变形、复杂的合金设计（由最终的晶粒结构预测力学性能）、合金化和析出数量等方面的内容。在二十世纪七十年代后期，Sellars和其他人创建了一些能描述钢基本构成和再结晶行为的实用方程式9。目前，这些模型的

41、使用已经超出学术范畴，在工业生产中指导新产品开发。现在已经发展得比较成熟，可以根据原始的化学成分和轧制参数准确地预测出微观组织和力学性能。现在，这些模型又开始用于根据特定性能指标来设计合金成分和轧制工艺参数10。5.1.2 钢管强度管材生产者们想出了很多方法来计算从管材到钢管的强度变化，从试验规模的制管数据到经验统计技术、到计算机模型。然而，预测钢管强度的模型并不能同轧制模型一样，经久不衰地运用下去。在热轧机中，通常采用简单的回归分析方法，把管材 TS 或Y/T比与钢管的 YS之间建立起关系，来指导日常的生产操作。 钢管YSa + b (钢板TS or Y/T).(3) 其中，钢板TS可以通过

42、公式(1)来预测。如图20所示，在钢板到钢管过程中强度的变化与管材Y/T比成直线关系，而与微观组织无关。这种关系是固有的，但是随合金化路线的不同而改变，然而，在轧机使用中却具有实际应用价值。 图20. 制管过程中强度变化随管材Y/T 比的变化关系这些简单的关系只对特定的轧机和钢种适用，后来被一些经验方程所取代，这些方程能够较好地反映钢材的屈服行为（如方程4）和制管及拉伸实验过程中应变路径对强度的影响。钢管 YS = a0 + a1*钢板YS + a2*屈服点+ a3*成形率 +a4*扩张率 + a5*测试方法 (4)如果存在一个管材和钢管性能、制管参数的数据库，这个模型用起来将比较有说服力。这

43、个数据库仅限于某个大制造商使用。再者，尽管管材供应商数量增加，而不是制管商数量增加，也需要有更多的方法能真实地模拟制管过程中的屈服行为。这些模型能够为任何钢种和制造过程预测钢管强度变化11，12。图217显示了一个模型的准确性，这个模型需要对管材的屈服行为（比如应力应变曲线）进行准确测量，并对随后的制管过程、扩口率和拉伸实验方法有很好理解。包申格效应根据统计规律准确估计。总的误差是/10MPa。图21. 不同强度级别和组织钢管强度预报模型的准确性分析不论哪种模型，其精确性取决于方程式、支持的理论和用来创建该模型的数据的准确性。在过去的几十年里，该模型领域取得了巨大进步。大部分关于制钢、轧制和成

44、形过程的先进数学模型都已经成熟，这些模型通过计算机可以帮助轧钢工程师和冶金工作者们进行合金和工艺设计。5.2 组织控制/合金设计方法比较 给定一个钢级，如何选择组织/合金设计方案? 需要考虑以下问题：l 总的钢材成本l 板带轧机和制管设备的生产效率l 易于制造l 制管过程中管材的性能变化情况l 管材和钢管的物理性能要求表7显示了各种组织控制和合金设计方法的优缺点。 表7. 各种组织控制和合金设计方法的优缺点组织强度范围化学成分成本(合金元素、可轧制性、生产效率)优点缺点F/PX42-X70C (0.10)V, Nb (0.065)成本最低可轧制性中等（依轧机能力而定）生产效率中等（TMCP）,

45、依轧机而定可选用高碳、低成本的合金设计，-29时，韧性较好制管过程中强度损失大，因低温TMCP工艺使轧机负荷增加F/AF-（Mo系）X65-X100C (0.06)Nb (0.08) + Mo (+Cr,Ni,Cu)成本高可轧制性具有挑战性生产能力低（轧机负荷大，终轧温度低）对于 X8013mm， X7017mm可采用空冷即可得到 AF，制管过程中强度增加低温TMCP到 Ar3甚至两相区控轧Mo使奥氏体强化，所以轧机负荷大，管材较厚时需加速冷却。F/AF-（ Nb 系HTP）X65-X100C (0.06)Nb (0.11) (+Cr,Ni,Cu X80) 成本中等（可以低成本获得F/AF）可

46、轧制性很好（高温轧制）生产能力中等（TMCP）终轧温度高 (Ar3+80 C)轧机负荷小制管过程中强度增加，合金元素成本低，轧制F/AF容易 X80时需加速冷却选择组织/合金化方案时，以下内容可作为总的指导原则： F/P 成本低，强度只能满足X70需要，轧机能力不是问题，不能满足要求严格的低温韧性，不重点关注制管过程中的性能变化。 F/AF o Mo 系 强度可满足X70要求，轧机能力可能是要考虑的问题，能满足低温冲击韧性，具有低的屈强比，可适应于对制管过程性能变化有要求的钢种。o Nb 系（ HTP） 强度可满足X70钢级要求，轧机能力可能是要考虑的问题，能满足低温冲击韧性，具有低的屈强比，

47、适于对制管过程性能变化有要求的钢种，成本低。选择轧制工艺路线时，以下内容可作为总的指导原则： 热轧(HR)：该轧制方法适应于强度是唯一要考虑的最终性能指标。通过合理的成分控制可以使材料在0(32 F)以上具有中等韧性。 控制轧制 (CR) ：该方法适用于对强度有较高要求、对-30 C (-22 F) 到0 C (32 F)温度范围的韧性有中等要求。另外，还可以通过合理控轧提高材料的成形性（弯曲）。 TMCP：该方法适用于对抗拉（屈服、最终）强度有很高要求、对 -30 C (-22 F)韧性有严格要求的管材生产。 HTP技术、热机械处理技术 (TMCP) 适用于对强度有很高要求、和/或对 -30

48、 C (-22 F)的韧性有严格要求、和/或对轧机的能力限制有所考虑的钢级。在炉卷轧机上这两种工艺技术也能得到很好应用，但炉卷轧机在最终几个道次的温降应尽可能降低。5.3 轧制操作图22对X80的两种轧制工艺（HTP 和MoNb）中几个重要的温度控制点做了对比。对于HTP钢，通常规定： 中间坯3T（产品厚度的3倍）以后的变形温度要略低于计算得到的再结晶终止温度（1020）。而在MoNb钢操作中，当轧机的能力较低时，通常设定2T（2倍终轧厚度）时的温度于该钢的再结晶温度（920C）上下13。 这两种工艺的主要区别在于：MoNb钢的最后一个道次温度接近于Ar3温度，而HTP工艺的终轧温度较高。尽管

49、这两种钢在再结晶温度以下温度范围内的热流变应力基本相同(图23所示)，但是MoNb钢较低的终轧温度使轧制后期轧机负荷增加，随之而来的问题是对薄规格钢板板型的控制难度增加。 图22. X80管材的两种轧制工艺（HTP 和TMCP）中几个重要温度点对比图23. X70和X80管线钢平均热轧流变应力比较6 最近项目结果这部分概括介绍了最近北美X70和 X80管线项目的一些结果，重点比较了这几种合金化方法的相同点和不同点。首先，表8给出了最近这些管线项目的化学成分。表8. 近5年来，用于NPS36到 48, 12-17mm高韧管线钢的化学成分钢级组织类型化学成分*TMCP路线CMnMoCu+Ni+Cr

50、VNbPcmX65F/P0.081.55NA0.10.050.0650.17短, 强层流冷却X70F/P0.061.55NANA0.0550.0550.15空冷X70F/AF0.051.50.250.2NA0.080.18空冷X80F/AF0.0451.750.300.65NA0.0850.2层流X80F/AF-HTP0.051.6NA0.6NA0.0950.16加速冷却*所有钢：S0.003, P0.015, Ti 0.015表8中的这些管线钢在传统热轧机上或炉卷轧机上都采用了TMCP或者HTP工艺路线如前图6所示。图24总结了管材和钢管的强度结果。显示了不同管线钢的平均强度和强度范围。 图

51、24. 最近北美X70 和X80管线钢项目的板和管的强度 与前图9一样，图24表明在铁素体/珠光体X70管线钢中，冷扩口以后，钢管的屈服强度与钢板的屈服强度相比略有降低；而铁素体/针状铁素体X70管线钢中,冷扩口后，钢管的强度却有较大增加。对MoNb合金化的X80管线钢来说，抗拉强度提高较为明显，但是对采用5C/s层流冷却的12mm厚 MoNb X80钢的效果不甚明显14。在现代的高洁净、真空冶炼技术下，低碳管线钢的冲击韧性主要决定于钢中S、P含量和最终的晶粒尺寸，如图2515所示。对于含Nb钢，晶粒尺寸主要受轧制变形量、轧制速度和轧后加速冷却速率的影响。这与轧机的型号和能力、加速冷却能力有关

52、。能力较强的轧机可以承受较大的道次变形量(如 e 0.2)，并且具有较短的道次间隔时间，这将有助于扁平状奥氏体的形成，从而得到较细铁素体晶粒，如4-5mm。图26显示了最近开发的一些X80管线钢的冲击韧性结果。图25. 11.4mm x 42NPS X70 和12-13mm X80管线钢的冲击功随钢中S量的变化关系 图26. 不同 X80管线钢管体的冲击功图26表明，在低S的X70和 X80管线钢中，在-5C时 CVN 很容易就能超过200J。实际上，管材有时通常在很低的温度下（比如，在-45下代替-20）进行冲击韧性测量以避免突破传统冲击试验机的极限测试能力。不管合金设计路线如何，这些管线钢

53、的50% FATT通常都低于-45，如图27所示。 图27. X80钢管的TCVN图28显示了最近采用不同组织/合金化设计方案生产的管线钢的DWTT实验结果。结果表明，V的加入降低了钢管的冲击韧性。另外，轧制方法对不同组织/合金化方法的管线钢在非常低的温度下的性能产生了重要影响。图28. 不同合金化方法的F/AF 和 F/P组织的DWTT实验结果所采用的焊接材料成分、焊接工艺参数、钢基体的化学成分都会对焊缝的硬度产生很大影响。如图29所示，整个焊接区域内，铁素体/珠光体钢（低Pcm值）的平均硬度是最低的。随合金含量增加（生产铁素体/针状铁素体管线钢），焊缝区的硬度也随之提高。含Mo管线钢因为Mo是很强的淬透性元素，所以整个焊缝区的硬度最高。图29显示了最近开发的管线钢焊缝处的硬度变化。图29. 最近开发的管线钢焊缝区的硬度变化7、结论(1) 恶劣的环境和逐渐增加的管道输送压力对管线设计以及钢管材料均提出了巨大的挑战。以应力设计和以应变设计为基础的现代管线都需要管材具有较高强度