管线钢完整版本

一、管线钢一、管线钢

管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口经焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。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。制造石油、天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称为管线用钢（steelforpipeline）。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。国内拥有70万t／a口径在1800mm以内的螺旋焊管的生产能力，近年已建立了口径在1600mm以内的直缝厚壁焊管的生产线。国内能生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史，首推宝钢，还有鞍钢、武钢、攀钢、酒钢、舞钢等，稳定生产X60～X70级管线钢并在国际市场上占有一定的地位，目前已投入生产的X80级管线钢质量也达到了国际先进水平，X100级管线钢已经研制出来，尚未投入批量生产。管线钢的技术要求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。目前管线工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高寒和腐蚀的服役环境、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。优化的生产策略是提高钢的洁净度和组织均匀性，C≤0．09％、S≤0．005％、P≤0．01％、O≤0．002％，并采取微合金化，真空脱气＋CaSi、连铸过程的轻压下，多阶段的热机械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。目前国内外管线规范中没有管线用钢材的韧性指标，仅对管材有具体要求：（1）最低使用温度下（－5℃）DWTT≥85％SA；（2）最低使用温度下（－5℃）夏比冲击吸收功≥145J。当前管线钢的技术条件普遍采用美国石油协会标准APISpec5L，但是国内具体工程或具体用户的订货技术条件往往较API标准严格得多。(一)、成分设计思想1管线钢中碳的作用与控制，碳是增加钢的强度的有效元素，但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响。降低碳含量可以改善脆性转变温度和焊接性极地管线和海洋管线对低温韧性、断裂抗力以及延性和成形性的需要，要求更低的含碳量。对于微合金化钢，低的碳含量可以提高抗HIC的能力和热塑性。按照API标准规定管线钢中的碳通常为0.025一0.12，并趋向于向低碳方向或超低碳方向发展。在综合考虑管线钢抗HIC性能、野外可焊性和晶界脆化时，最佳C应控制在0.01一0.05之间。2管线钢中锰的作用与控制为保证管线钢中低的含碳量，通常是以锰代碳，Mn的加入引起固溶强化，用锰来提高其强度。锰在提高强度的同时，还可以提高钢的韧性。但如果锰含量过高对管线钢的焊接性能造成不利影响，有可能导致在管线钢铸坯内发生锰的偏析，且随着碳含量的加，这种缺陷会更显著。因此，根据板厚和强度，管线钢中锰的加入量一般是1.1-2.0。3管线钢中硫的作用与控制硫是管线钢中影响抗HIC能力和抗SSC能力的主要元素。随着硫含量的增加，HIC敏感性显著增加，只有当S<0.0012时，HIC明显降低。值得注意的是硫易与锰结合生成MnS夹杂物。当MnS夹杂变成粒状夹杂物时，随着钢强度的增加，单纯降低硫含量不能防止HIC。如X65级管线钢，当硫含量降到20ppm时其裂纹长度比仍高达30%以上。硫还影响管线钢的冲击韧性，硫含量升高冲击韧性值急剧下降。管线钢中硫的控制通常是在炉外精炼时采用喷粉、真空、加热造渣、喂丝、吹气搅拌进行，实践中常常是几种手段综合使用。此外，条状硫化物是产生氢致裂纹的必要条件，对钢水进行钙处理将其改变为球形，可降低其危害。4管线钢中磷的作用与控制由于磷在管线钢中是一种易偏析元素，在偏析区其淬硬性约为碳的二倍。由二倍磷含量与碳当量2P+Ceq，对管线钢硬度的影响可知，随着2P+Ceq的增加，含碳0.12~0.22%的管线钢的硬度呈线性增加，而含0.02~0.03%的管线钢，当2P+Ceq大于0.6%时，管线钢硬度的增加趋势明显减缓。磷还会恶化焊接性能，对于严格要求焊接性能的管线钢，应将磷限制在0.04%以下。磷能显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。而且低温环境用的高级管线钢，当磷含量大于0.015%时，磷的偏析也会急剧增加。对于高质量的管线钢应严格控制钢中的磷含量越低越好。通常采用铁水预处理去除鳞。在炼钢整个过程中均可脱磷，如铁水预处理、转炉以及炉外精炼，但最终脱磷都是采用炉外精炼来完成。5管线钢中氢的作用与控制，管线钢中氢的质量分数越高，HIC产生的几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著，自真空处理技术出现以后，钢中氢已可稳定控制在0.0002%以下。钢中氢是导致白点和发裂的主要原因。管线钢中的氢含高，HIC产生的几率越大，腐蚀率越高，平均裂纹长度增加越显著。利用转炉CO气泡沸腾脱氢和炉外精炼脱气过程可很好地控制钢中的氢含量。采用RH、DH或吹氩搅拌等均可控制[H]≤1.5ppm。

另外，要防止炼钢的其它阶段增氢。采用钢包和中间包预热烘烤可以有效降低钢水的吸氢量。连铸过程中，在钢包和中间包系统中对保护套管加热和同一保护套管的反复使用可明显降低钢液的吸氢量。6管线钢中氧的作用与控制钢中氧含量过高，氧化物夹杂以及宏观夹杂增加，严重影响管线钢的洁净度。钢中氧化物夹杂是管线钢产生HIC和SSCC的根源之一，对钢的各种性能都起着有害的作用尤其是当夹杂物直径大于50μm后，严重恶化钢的各种性能。为了防止钢中出现直径大于50μm10-6m的氧化物夹杂，减少氧化物夹杂数量，一般控制钢中氧含量小于0.0015。采用炉外精炼可获得较低的氧含量，国外许多厂家经炉外精炼处理后成品钢中T[O]最低可达5ppm10-6%的水平。另外，由于耐火材料供氧，钢水在运输和浇注过程中应尽量减少二次氧化。通过改进以及选择良好的中间包覆盖渣和连铸保护渣，取得较好的效果。目前工业上已能生产杂质含量小于0.01的高纯钢，预计到21世纪中叶有可能生产出杂质含量只有百万分之几的高纯钢。7管线钢中铜的作用与控制加入适量的铜，可以显著改善管线钢抗HIC的能力。随着铜含量的增加，可以更有效地防止氢原子渗入钢中，平均裂纹长度明显减少。当铜含量超过0.2%时，能在钢的表面形成致密保护层，HIC会显著降低，钢板的平均腐蚀率明显下降，平均裂纹长度几乎接近于零。但是，对于耐CO₂腐蚀的管线钢，添加Cu会增加腐蚀速度。当钢中不添加Cr时，添加0.5%Cu会使腐蚀速度提高2倍。而添加0.5%Cr以后，u小于0.2%时，腐蚀速度基本不受影响，当Cu达到0.5%时，腐蚀速度明显加快。8管线钢中其它元素的作用与控制化学成分中的碳和铌是控制钢板的强度、韧性、可焊性和焊接热影响区裂纹敏感性及对氢诱裂纹和应力腐蚀裂纹敏感性的主要因素。微合金元素Nb、V、Ti、Mo在管线钢中的作用与这些元素的碳化物、氮化物和碳氮化物的溶解和析出行为有关。管线钢除了以上三种普遍使用的合金元素外，还应根据钢的性能要求加入其它少量合金元素，例如B、Mo、Ni、Cr、Cu等。铌是管线钢中不可缺少的微合金元素，能改善低温韧性。API标准中规定的管线钢铌含量下限为0.005%然而实际在钢中的控制水平都在0.03~0.05%之间，为标准中的下限值的6~10倍。钒有较高的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用，一般在管线钢设计中不单独使用钒。管线钢中加入微量的钒，可以通过增加沉淀硬化效果来提高钢板的强度。国外实物钢板中的含钒量多数控制在0.05~0.10%之间，为API标准中的下限值的2.5~5.0倍。钛与钢中的C、N等形成化合物，为了降低钢中固溶氮含量，通常采用微钛处理，使钢中的氮被钛固定。钢中加入微量的钛，可以通过提高提高钢板强度和韧性的目的，尤其是对提高焊接热影响区的韧性具有独特的贡献。钼也是管线钢中主要的合金元素之一，随着钼含量的升高，抗拉强度升高。钢中钼有利于针状组织的发展，随着钢中钼的质量分数增加，针状铁素体的含量增加，因而能在极低的碳含量下得到很高的强度。钢中加入钙、锆、稀土金属，可以改变硫化物和氧化物的成分，使其塑性降低。采用这种方法，可以使钢板的各向异性大大减轻，使横向夏比冲击功增加一倍，达到或接近纵向夏比冲击功数值。为了使钢板各向异性达到最小，稀土与硫的比例控制在2.0左右最为合适。9管线钢中夹杂物的作用与控制在大多数情况下，HIC都起源于夹杂物，钢中的塑性夹杂物和脆性夹杂物是产生HIC的主要根源。分析表明HIC端口表面有延伸的MnS和Al2O3点链状夹杂，而SSCC硫化物应力腐蚀开裂的形成与HIC的形成密切相关。因此，为了提高抗HIC和抗SSCC能力，必须尽量减少钢中的夹杂物、精确控制夹杂物形态。钙处理可以很好地控制钢中夹杂物的形态，从而改善管线钢的抗HIC和SSCC能力。当钢中含硫0.002~0.005%时，随着Ca/S的增加，钢的HIC敏感性下降。但是，当Ca/S达到一定值时，形成CaS夹杂物，HIC会显著增加。因此，对于低硫钢来说，Ca/S应控制在一个极其狭窄的范围内，否则，钢的抗HIC能力明显减弱。（二）生产工艺焊接钢管按工艺区分主要有电阻焊(ERW)、螺旋埋弧焊(SSAW)和直缝埋弧焊(LSAW)三种工艺。这三种工艺生产的焊管，因其原料、成型工艺、口径大小以及质量的不尽相同，在应用领域里各有定位。1.直缝电阻焊管(ERW)

电阻焊管是我国最早生产、应用范围最广、生产机组最多(2000余家)、产量最高(占焊管总产能的80%左右)的钢管品种，产品规格为Ф20～610mm，在国民经济建设中发挥了重要作用。ERW219－610mm机组自20世纪80年代以来，约有30余套是从国外引进的较先进技术。经过多年生产实践，装备技术水平又有较大进步，产品质量也在不断改善。因其投资少，见效快，应用范围广而发展迅猛。随着板材CSP生产工艺的发展，为其提供了低本钱、质量可靠的原料，并为其今后进一步发展创造了良好的条件。这部分产品已由流体输送、结构领域向无缝管应用领域的油井管、管线管发展。其典型生产工艺流程应为：板带原料→原料预处理→冷弯成型→焊接→焊缝热处理→焊缝(管体)探伤→精整→成品焊管。2.螺旋埋弧焊管(SSAW)螺旋埋弧焊管设备投资较少，因采用价格较低的窄带(板)卷连续焊接生产大口径(Ф1016～3200mm)焊管，生产工艺简单、运行用度低，具有低本钱运行上风。目前，我国油气输送螺旋焊管已形成了以石油系统所属钢管厂为主的基本格式。采用低残余应力成型和管端机械扩径等先进技术，经过严格质量控制的螺旋焊管在质量上可与直缝焊管相媲美，我国西气东输等油气长输管道工程中获得了广泛应用，是我国油气长输管道工程采用的主要管型。其目前的产能已经能够满足我国油气长输管道工程建设的需要，并已大量出口。3.直缝埋弧焊管(LSAW)直缝埋弧焊在我国是较晚发展起来的先进制管技术，过往主要采用UOE技术制造。近年来渐进式JCOE在我国和全世界逐渐成为另一种新的主流技术。直缝埋弧焊管质量可靠，广泛应用于油气高压输送主干线上。该焊管机组由于投资相对较大，使用的原材料为本钱较高的单张宽厚板，工艺较复杂，生产效率低，产品本钱较高。由于我国高压油气输送管线每年需要大中口径焊管100万t左右，主要采用螺旋焊管，直缝埋弧焊管将作为螺旋焊管的补充，主要应用于螺旋焊管机组不能生产的大壁厚钢管(17．5mm以上)和弯管用母管，其用量受到一定限制。(三)显微组织管线钢作为低碳微合金高强度结构用钢已被各大钢厂广泛重视，根据管线钢各相显微硬度可分为多边形铁素体(PF)、珠光体(P)、针状体素体(AF)、粒状铁素体(GF)、贝氏体铁素体（BF）、下贝氏体(LB)、马氏体（M）顺序依次升高。下面对其形貌进行简单叙述与区分。1：多边形铁素体(PF)又称为等轴铁素体，是在很慢的冷却速度下形成的先共析铁素体，具有规则的晶粒外形，一般在如果转变量很少，常常从晶界开始，围绕原奥氏体母相晶界的轮廓析出，故常称它们为仿晶界型F(AllotriomorphFerrite)。(低碳超低碳微合金化管线钢显微组织的研究进展)准多边铁素体或块状铁素体也是先共析铁素体的产物，但通过另一类相变方式―块状转变而得到。块状转变的特点是新相与母相成分相同，因此只要把合金过冷至新相和母相自由能相同的温度下，就能发生这类转变。含碳很低的碳钢在快速冷却时有可能满足这个条件，以块状转变方式实现先共析转变。和准多边F(QF)或块状M(MF)多边F故称其为多边F或等轴F。2：准多边形铁素体也称块状铁素体(MF)，但是现在很多文献也通称为多边形铁素体或等轴铁素体，是在较低温度下通过令一类相变方式——块状转变而得到。块状转变的特点是新相与母相成分相同，合金只要过冷至新相、母相自由能相同温度下，就能发生这类转变。QF的生长都是由热激活过程所控制，铁素体晶粒生长可越过奥氏体晶界，使原奥氏体晶界的轮廓被掩盖。3：珠光体(P)是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状（球状）珠光体和针状珠光体，其中管线钢中常见的是片状珠光体，这是因为渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层层紧密堆叠而成。一般通过金相电镜就能看到是黑乎乎一个多边形体（珠光体团），很少观察到片层结构。通常珠光体均在奥氏体晶界上形核，然后向一侧的奥氏体晶粒内长大成珠光体团，珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间不存在位向关系，形成可动的非共格界面，但与另一侧的不易长入的奥氏体晶粒之间则形成不易动的共格界面，并保持一定的晶体学位向关系。在一个珠光体团中的铁素体与渗碳体之间存在着一定的晶体学位向关系，这样形成的相界面，具有较低的界面能，同时这种界面可有较高的扩散速度，以利于珠光体团的长大。4：针状铁素体(AF)针状铁素体是低碳钢(C＜0.15﹪)典型的贝氏体组织，由带有高位错度的板条铁素体组成，若干铁素体板条平行排列构成板条束，一个奥氏体晶粒可以形成很多板条束，板条界为小角度晶界，板条束界面则为大角度晶界，板条间可能有条状分布的M/A岛。针状铁素体形态与低碳钢中的无碳贝氏体相似，只是由于成形温度稍高，略高于上贝氏体。板条特征不如无碳贝氏体发达，有些板条界在形成还会发生回复，以至常能观察到板条界不连续的现象。。它的温度以扩散和剪切的混合机制实现转变，因为转变只涉及到铁素体(F)，不形成Fe3C，其中的少量奥氏体只是残留相(部分奥氏体冷却时转变为马氏体)，故称该产物为铁素体，而不称贝氏体。又由于铁素体呈板条形态，因此命名为针状铁素体，获得这类组织的钢种称为针状铁素体钢。从本质上看，针状铁素体属于贝氏体，针状铁素体钢就是贝氏体钢。至于准多边铁素体，虽然是介于多边铁素体和贝氏体之间的产物，但其本质还是先共析铁素体。针状铁素体的概念是由YESmith在1971年提出的，它是指低合金高强度钢中所形成的一种不同于铁素体―珠光体的类贝氏体组织，是微合金化钢在控轧控冷过程中，在稍高于贝氏体温度范围，通过切变和扩散的混合相变机制而形成的具有高密度位错的非等轴铁素体。有资料将其归类于贝氏体范畴。针状铁素体在光学显微镜下的特征是不规则的铁素体块，所谓的"针状"，是在透射电镜下观察到的形貌。它没有完整连续的晶界，粒度参差不一，分布集中，晶粒间或晶粒内分布着细小的灰色颗粒，即富碳(M/A)岛；针状铁素体内部隐约可见由浮凸和析出相勾勒出的亚晶条纹，晶内具有较高密度的位错。5：粒状铁素体(GF)与针状铁素体(AF)有很多相似之处，都属于奥氏体中温转变产物，只是粒状贝氏体的成形温度稍高，或冷却速度稍慢，因而组织形态稍有不同，所以把它们列为独立的一类组织。与针状F相同的是，都有弥散的奥氏体或M/A岛分布与F基体中，不同的是，小岛具有粒状或者等轴形状。TEM证实铁素体基体由含有较高位错密度细小亚晶组成，亚晶一般为等轴状，在亚晶相遇处形成了封闭的岛状组成物。对粒状铁素体和粒状贝氏体组织存在着很多争议，研究贝氏体相变的不少学者认为，粒状铁素体和粒状贝氏体虽然形貌有相似之处，但转变机理和本质是不同的。前者是通过块状转变析出的先共析铁素体，岛状物呈不规则分布，而后者为中温转变形成的贝氏体，基体亚结构为板条，岛状物呈长条状，近于平行排列。我国不少学者把这两种组织归作一类，我们一般他这个归结为一类；也有文献提出粒状铁素体是粒状贝氏体和准多边形铁素体之间的过渡产物。(低碳超低碳微合金化管线钢显微组织的研究进展)粒状贝氏体(GB)，是由“上贝氏体型铁素体＋小岛状组织(M/A岛)”组成的，典型金相组织为不连续长条状小岛相互趋于平行分布于上贝氏体型铁素体基体中。粒状贝氏体的形成温度是各种贝氏体转变过程中最高的，其特点是碳的扩散系数较大，碳在奥氏体中能长距离地扩散，在低碳区形成铁素体(α)相。条片状α形成长大中，条片间一些小块未转变区域中，碳含量增加，在随后冷却中，部分转变为马氏体及贝氏体等组织，并部分残留为室温下的奥氏体，这些区域就成为粒贝中的小岛。随着α相长大，碳几乎集中到一些孤立的奥氏体小岛中，α相长大成块状，含碳极低。是介于QF和BF之间的范围内形成的显微组织，为中温转变产物。只是形成温度稍高，组织形态稍有差异，内部基体上分布着粒状或等轴状的组织。连续冷却条件下GF的形成同样有一温度区间。较高温度下形成的GF组织中，铁素体的亚结构不呈板条状。而是等轴亚晶，基体上的岛趋于无序分布。较低温度下形成的GF组织中铁素体亚结构为板条状，基体上的岛分布于板条间，较为有序。应当指出，不少贝氏体研究学者认为较高温度下形成的GF是通过块状转变得到的，应称之为“粒状组织”；较低温度下形成的GF是通过切变机制得到的，可称为粒状贝氏体。研究认为粒状组织往往粗大，对强度和韧性不利，而粒状贝氏体则有较好的性能。6：板条铁素体又称贝氏体铁素体(BF)是由相互平行具有很高位错密度的铁素体板条束构成，板条界为小角度晶界，板条束界面为大角度晶界。根据其板条特征，又称之为板条铁素体(LF)，板条间有时有条状分布的M/A岛。通常BF是在连续冷却的一定温度区间形成，当形成温度较高时板条不够发达，有些板条形成还会发生回复，出现板条界不连续的现象。实际上贝氏体研究中经常提及的BI、无碳贝氏体等组织均属于贝氏体铁素体范畴。BF的鉴别要依靠透射电镜，由于BF板条是互相平行的，具有几乎相同的晶体学方位，会使低角度铁素体晶界没有侵蚀区，使得BF束在光学显微镜下呈无特征的铁素体晶粒，且观察不到原奥氏体晶界。另外当铁素体晶粒之间存在奥氏体或M/A组元时，在光学显微镜下铁素体晶粒显示出针状形态。从性能上看，由于BF的亚晶强化、位错强化和晶粒细化的作用对强度和韧性有益，就其自身而言，板条束的大小和板条长宽比的不同将产生较大的性能差异。7:下贝氏体(LB)是一种两相组织，是由铁素体和碳化物组成。铁素体针细小而均匀分布，而且铁素体内又沉淀析出，多量而弥散的ε―碳化物，故具有很高位错密度。因此下贝氏体不但强度高，而且具有良好的塑韧性。(高强度管线钢的连续冷却转变研究)当碳含量较低时，下贝氏体铁素体的形态与马氏体很相似。形核部位大多在奥氏体晶界上，也有相当数量位于奥氏体晶内。碳化物为渗碳体或-ε碳化物，碳化物呈极细的片状或颗粒状，排列成行，约以55~60°的角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在铁素体的内部。钢的化学成分，奥氏体晶粒大小和均匀化程度等对下贝氏体组织形态影响较小。8：马氏体(M)是由奥氏体至A1线以上快速冷却到Ms以下，抑制性分解的条件下形成的。由于马氏体转变温度极低，过冷度很打，形成速度极快，因此，铁、碳原子不能进行扩散，奥氏体只能发生非扩散性的晶格转变，由γ-Fe的面心立方晶格转变为α-Fe的体心立方晶格，α-Fe最大溶碳量为ωc=0.0218%，这样奥氏体将直接变成一种含碳过饱和的α固溶体，成为马氏体。管线钢中的马氏体组织形态为低碳板条状组织，在每个板条内存在有高密度位错，因此板条状马氏体又称位错马氏体。位错马氏体形成时一般不穿过奥氏体晶界，后形成的马氏体也不能穿过先形成的马氏体，而是在一个奥氏体晶粒可以形成几个位相不同的区域，一个晶区有事有可被几个纳斯特板条束所分割，每个马氏体板条束由排列成束状的细长的板条所组成。晶区可以看到两种板条束组成，也可有一种板条束组成。（四）力学性能力学性能：标准牌号抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）屈强比伸长率（％）0℃冲击功

Akv（J）热处理状态

APISPEC5LGB/T9711.2B≥415245～440≤0.8022≥40正火X42≥415290～440≤0.8021≥40正火X52≥460360～510≤0.8520≥40正火X60≥520415～565≤0.8518≥40正火X65≥535450～570≤0.9018≥40淬火＋回火

X70≥570485～605≤