管线工程中的含铌钢

管线工程中的含铌钢J.MalcolmGray（MicroalloyingInternational,Inc.,USA）摘要：铌是现代管线钢首要的强化和韧化元素。在这些产品中铌铁的消耗实际上已从昀初1957年的零磅增长到2001年超过1400万磅（6000吨）（按铌计算）。期间，钢的强度从X42级别到X100及X100以上有一个平稳的增长，以及要求提高在-50°F（-46°C）以下的韧性。管线的压力已经增大并且完成了在水深大于9000ft.(2592m)以下的安装。对力学性能、良好的现场焊接性能以及抗介质如天然气中H2S和CO2腐蚀能力的共同要求，可以用低的碳含量和钼、铬、铜之类的元素以及利用铌在热轧过程中延迟奥氏体再结晶的作用来实现。后者的技术被归纳为热机械处理（TMCP）操作。本文示出了管线钢的发展史和年代表，同时用双面埋弧焊（DSAW）、无缝和电阻焊（ERW）管线管的例子阐述了当今铌的应用，并提供了近期工程的技术数据。1引言铌在管线钢中第一次应用至今不到50年。从那时起技术发展到几乎到了所有的高强度管线钢都依赖于加入少量铌，通常比0.10％少得多这一程度，以便同时提高强度和韧性。Kosasu在1975年（3）曾提出“铌是管线钢成分结构和冶金学的基石”。今天，这些钢大约消耗了所有铌产量的三分之一，即1400万磅，这些Nb每年足以强化1100万吨成品管线管。2历史铌在提高热轧碳-锰钢强度方面的作用已在1938～1949年（4，5）的专利文献中有了报导。关键机理仍然不为所知，但是总结了主要由于铌碳化物细化晶粒的作用。第一次商业化应用在管线钢中是由Barkow(1)和Altenberger(2)分别在1961年和1960年作了报导。表1所示为新的热轧半镇静中碳钢替代了已有很高碳和锰含量的钢从而改善了现场焊接性能。表1热轧半镇静中碳钢重量百分比化学成分CMnNb(Cb)昀小0.200.890.004昀大0.271.280.015平均0.241.100.008同时期的其它报导指出新的钢种由于在正常的空冷过程中在铁素体晶粒边界形成了网状碳化物或形成了铁素体魏氏体组织，导致缺口韧性较差。同时，发现这两个难题能够用提高锰含量（9）和细化热轧过程中的奥氏体晶粒尺寸来消除。后者成为奥氏体控制轧制和其它热机械处理方法大量应用的先驱（10）。现代管线钢属于高强度低合金钢（HSLA）或微合金钢的专用钢种。这种材料也被广泛应用于厚板、棒材、板材、线材、锻材以及其它钢产品，因此这些产品生产部门以及管线工业的需求推动了物理冶金和炼钢生产方面的技术发展，反过来后者也促进了前者的发展。在过去50年管线钢的发展过程中，下面按年代记录记载，许多重要的事件可以用管线管和板钢方面技术条件的变化或冶金技术的进步被确认。在过去的半个世纪中管线管的强度得到很大的提高应归功于表2中所列事项的推动，其发展年代录如图1所示，有关现行的规范和技术要求更详细的概况发表于其他地方（11）。表2在管线钢发展中的影响因素日期事件工业行为1943发现在碳钢中的韧－脆性转变在船板的规格书中引入15ft-lbCVN能量（20J）要求1954上述特征考虑与管线也有关TUV对管线引入3.5m-kg/cm2能量要求1960NPS30管线中13km的脆性裂纹扩展开发了Battele落锤撕裂试验（DWTT）1968.12～1969.01裂纹塑性延展在非脆性、假设可止裂的裂纹延性扩展材料。根据各种断裂模型引入昀小夏比能量要求。1970设计建造Alaskan/Canadian输气管线管线钢的开发热点集中在X80（551MPa）和-69°C（-90°F）的韧性要求。1972在阿拉伯Ummshaif海湾的X65BP管线的HIC失效引入BP试验（NACETM-02-84[B溶液]）。1974全尺寸试验不可预测裂纹的止裂。由于富气、分离、高环向应力和失效模型。引入开裂止裂器，改进裂纹止裂模型和修正高强度管线钢的轧制概念。1978在新铺设的澳大利亚至加拿大管线的应力腐蚀开裂。优化的冶金学（硬度）控制和改进外涂层。改进操作经验。1978钼的不足和价格的上涨。用钼设计X70级别以上的钢种。引入Nb+Cr设计加上TMCP。1988/89钒价格上涨到$50/公斤。许多钢中不加钒。用钼和铬＋TMCP替代。1990开采深水油气储量和设计Oman-India和黑海管线。开发特厚壁抗压溃DSAW管线管以及具有高强度（80ksi）无缝柱管。1997为极地开采所需的高压力系统。考虑超高强度钢（135ksi昀大抗张强度）和对普通钢进行复合增强。铌钢首次引入于1959年（1）。早于那些以碳-锰为基础的或通过扩径引起的冷作强化的低强度钢级。约在1953年第一个微合金X52钢，是用钒强化并通常藉常化处理获得足够的韧性。然而，在认识到改进奥氏体工艺（控制轧制）的益处，铌作为一个重要的微合金化元素添加在热轧管线钢中的含量通常≤0.01％。经过四十多年的发展，发现当今几乎每一种高强度管线钢的铌添加量均在0.01％到0.11％范围内。下面章节中应用的数据无论是在大口径管线工程还是在小口径的管线工程中，都是指用无缝（SMLS）、电阻焊接（ERW）和双面埋弧焊接的产品。图1高强度管线管发展时期DSAW管线管的发展对壁厚较高的高压长输海底管线的有利作用推动了更高强度级别的发展（达到120ksi和以上的屈服强度）。采用类似的冶金方法生产的高频ERW管线管，用热轧板卷制造，但其屈服强度尚不能超过80ksi。在深海管线中，实用屈服强度限制在65～70ksi范围内以防止塑性压溃。在昀极端的情况下，正在铺设的壁厚在1.125～1.845英寸范围内的管线将在后面详述。在无缝管线管的情况下，采用淬火和回火获得需要的屈服强度级别，看起来只能保持在80ksi。每种钢级、产品类型和用途的化学成分、铌含量将在后面叙述。在本卷的文章中及其先行者已经记载了铌强化管线管冶金理论和实践基础，在这里就不详述。然而，指明今后的发展方向是有益的，这已总结于图2中。在图2中提出的B级钢和X42钢的韧性极差。从断裂吸收能和冲击转变温度观点出发，在夏比试验中，低的吸收功与高的碳含量和高硫含量以及低的纯净度有关，特别是半镇静钢的情况下，而粗的铁素体晶粒和高的碳含量导致了高的夏比试验和DWTT试验转变温度。在这些钢中，有效的铌含量小于0.03％，即便在这一水平也要求小心加入以免在热轧产品中出现不良的组织（8）。因此，早期的高强度钢通常靠常化处理以得到足够细的晶粒。在上个世纪60年代中到后期，发现了低精轧温度的益处，这样热机械处理很快得到广泛的应用。同时，引入低的碳含量（图3），这不仅可以模拟铌碳化物的溶解度进行合金设计，而且可以从昀终用户希望提高可焊性来模拟，由此导致了图2中X60和X70级别管线钢韧性得到显著的提高。这种类型的钢已被成功地应用在1973年建造的Alyeaska输油管线工程中（参阅图3），日本生产的该类钢的典型化学成分如表3所示。图2同时提高强度和韧性（也根据时间）的发展过程表3日本早期生产的管线微合金钢CMnSiSPAlVNbN0.121.500.250.0060.0200.0250.080.030.007在1970～1980年代期间，炼钢和精炼技术得到巨大的进步，许多方面影响到合金设计和铌微合金化技术。连续铸造代替了模铸，以及引入钢包精炼技术，使脱磷、脱碳、钙处理和生产韧性非常高的纯净钢更为简易。图3高强度管线钢碳含量的演变韧性的提高应归功于硫的降低，如图4所示。对酸性服役的管线提出更高的要求推动了硫含量降低到0.002％以下，并且到1980年要求更低的硫含量。在后来的钢中，通常将锰含量降低以减少偏析，而铌的添加量约在0.04％以保持其强度和缺口韧性。图4硫含量对管线管韧性的影响约在1980年代表性的X60钢的化学成分如表4所示。这种钢被用来建造在沙特阿拉伯和北海的多条主要管线。表480年代早期生产的X60钢级的化学成分化学成分，wt%尺寸CMnSiSPAlNbTiN30外径×0.600厚0.070.950.200.0030.0150.030.040.0120.005应该指出当碳含量降低时，稍高的铌含量的冶金有效作用，导致对铌的依赖不断增加，使其在当今某个X70钢级在以0.01％Nb与0.03C的匹配方案中达到了顶点（13，14）。图2第三部分详细叙述了商用X80级别管线管的发展和附加的屈服强度接近120ksi的超高强度钢的研究数据。所有这些钢依靠采用低碳铌微合金化碳－锰钢的复合热机械处理（图5），这些钢含有0.045％～0.095％的Nb（15～19）。代表钢种的化学成分如表5所示。表5高级别管线钢的代表成分年代CSiMnPSNbVNTiMoCuNiCrBCeqPcm级别壁厚（in）直径水冷文献19880.020.131.880.0210.0030.042--0.0140.290.470.00090.390.146X-1000.750(19.1mm)36DQ1619880.050.261.740.0140.0010.0380.0470.0110.200.270.45--0.410.173X-1000.750(19.1mm36DQ1619880.060.251.800.0050.0020.040.040.020.19YesYesNo0.440.20X-1000.750(19.1mm)30(763mm)IACFCR300°C1719900.060.161.850.0200.0010.044--0.0140.200.200.20--0.430.175X-1000.750(19.1mm)36ACDQ1619950.06/0.080.251.85/2.00.015Max.0.0020.045--0.0050.015/0.020.25/0.300.20/0.250.20/0.25X-1000.800(20.3mm)28IAC19970.030.181.600.0100.0020.070.0110.20--0.300.500.0008X-1201.00(25mm)28IAC19980.040.301.950.045--0.0040.0120.300.320.30X-1000.80(20.3mm)36IAC19980.050.242.000.04--0.0030.0190.100.040.03X-1000.60(15.2mm)36IAC20000.060.351.90----0.05--0.0040.0180.28--0.25----0.460.19X-1000.629(16mm)36IAC1920000.070.091.800.0040.0020.048--0.0040.0110.210.290.510.16--0.500.21X-1000.750(19.1mm)30AC1920000.050.231.940.0080.0030.040--0.0020.0080.100.170.42----0.440.18X-1000.750(19.1mm)30AC1920000.080.261.860.0100.0020.047--0.0030.0150.270.240.210.03--0.480.22X-1000.750(19.100)30AC1920000.070.291.730.0030.0020.0370.0400.0040.0140.220.220.200.04--0.450.20X-1000.750(19.1mm)30AC19图5典型管线钢的碳含量和屈服强度之间的关系图6对热轧钢板和板卷强化组元所需的组合这些钢的轧制操作必须能使晶粒足够细化并使其它的强化量昀大化（如图6所示）。用于制造DSAW管线管的钢是在传统的热轧带钢轧机（18）、Steckel炉卷轧机、或厚板轧机（对24英尺直径的管线管）上生产，而用来制造HFERW管的板材既可以在常规的热轧带钢轧机上生产也可以用正在兴起的薄板坯（50～125mm）直接进行轧制。表6示出了在常规热板带轧机上生产的X80管线钢典型化学成分