X80管线钢的研究现状

X80管线钢的研究现状摘要：采用高强度管线钢，长距离高压大输量输送富气，可以节约钢材，大幅度减少管线工程的投入，增加管线的运行效益，提前回收投资。为了确保输送管线建设的经济性、运行的安全性和可靠性，X8高性能管线钢在管线建设上的应用将越来越普遍。本文介绍近年来出现的X80管线钢的研究与应用，包括该钢种的化学成分、组织特点、生产工艺、焊接中出现的问题等内容。关键字：X80管线钢控轧控冷工艺焊接应用目前我国经济发展迅速，对石油天然气的需求日益旺盛。大直径管道作为石油天然气安全经济有效的输送途径之一，随着西气东送等大建设项目相继投入，国家已将其放在了优先发展的位置。为了降低管线建设和运营成本，提高管线安全性和可靠性，高压大口径管线用钢不仅要具有更高强度还要具有更高韧性[1,2]，所以建设高压长距离输送管线是解决长时期、大规模运输天然气的主要措施，并且我国今后将在国外寻找油资源通过海运或管道输送至国内。目前我国石油天然气管道中应用最广的是X65和X7O针状铁素体管线钢[l,3],因此，国内钢铁企业为了占据市场有利位置，纷纷投入巨资进行高等级管线钢的开发与生产。1、X80管线钢的化学成分特点X80管线钢典型的碳含量为0．04％～0．08％，有些含碳量达到0．02％的超低碳水平。由于近海和极地管线开发的需求，管线钢具有低的碳当量以便在恶劣的环境下无预热焊接，不进行焊后热处理和保证接头的低硬度、避免硫化物应力腐蚀开裂。C的减少使屈服强度下降，通过其它强化机制的应用予以补偿。最常用的是以Mn代C。Mn的加入引起固溶强化，Mn提高强度的同时还提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。由于Mn含量的增加会加速控轧钢板的中心偏析，因此根据板厚和强度的不同要求，钢中Mn的添加范围一般为1．1～2．0％[4]。管线钢中的微合金元素主要指Nb、V、Ti等强氮化物形成元素。其作用之一是在控轧过程中阻止奥氏体晶粒长大。另一作用是在轧制钢板时延迟γ的再结晶。Nb具有显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强化作用，在增加强度的同时还降低韧脆转变温度。钢中加Ti可以在焊接峰值温度下能通过生成稳定的氮化物，从而有效控制晶粒长大。V有较高的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用，因而其韧脆转变温度比含Nb和含Ti的钢都高，一般在管线钢设计中都不单独使用V。2、X80管线钢的组织特点与性能要求随着强度的提高，管线钢的组织也呈现不同的形态。X80管线钢的典型组织为针状铁素体或低碳贝茵体，成分设计上，以低碳的Mn—Nb—Ti系为主，适量添加Ni、Mo、Cu以强化基体，并在保障所需组织的基础上，结合超纯净和超细晶粒，达到高钢级管线钢的高强度、高韧性和优良的焊接性能要求。传统的控轧铁素体一珠光体型管线钢，又称少珠光体型钢，是7O年代初发展完善的第一代管线钢，由于该钢在保证高韧性和良好的焊接性能条件下，强度极限水平为500—550MPa，因此主要X7O以下级别的钢。针状铁素体型管线钢则是8O年代后期发展完善的第二代，是X7O、X80钢的典型组织。这种钢具有比铁素体一珠光体型钢更好的焊接性能(Pcm≤O.20%)，抗HIC性能[5,6]和相当高的冲击韧性(夏比冲击功25O～450J左右)[7],是现代高压输气管线专用钢种。铁素体一珠光体型管线钢管的延性断裂止裂是通过在管道上间隔一定距离放置止裂环来实现的，而用高韧性的针状铁素体型管线钢建造的管道可以充分满足对延性断裂的止裂要求[8]。针状铁素体钢(一般C≤0.06％)的特点是，针状铁素体组织中含碳量低，铁素体板条相界不存在碳化物。同时由于转变温度低，晶内位错密度高。这类钢的典型成分为：0．06％C一1．9％Mn一0．3Mo一0．06％Nb，高的Mn含量是因为Mn能推迟铁素体一珠光体转变，降低BS点，有利于形成细晶粒的针状铁素体，同时起固溶强化的作用，但锰的含量不宜超过2.0％,因锰易在钢中形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀性。少量的钼(O．2％～0.4)可促使针状铁素体的形成。这类钢采用在高温动态再结晶临界温度Tr上下温度区间进行控制轧制与在线强制加速冷却，来进一步细化晶粒，使铁素体基体的均匀化程度提高,位错密度增加。这类钢屈服强度可达650MPa。针状铁素体管线钢在进行拉伸试验时，出现连续屈服，无自然屈服点，制管成型时由于迅速加工硬化抵消了包辛格效应，屈服强度下降幅度小或不发生下降。同时它具有相当优越的焊接性能，非常有利于焊管和现场铺设管线工程。而对极地和近海的大口径、远距离长输管线，超低碳贝氏体钢(一般C≤O．03)将充分发挥其超低含碳量、低碳当量的优势。这类钢不仅具有优越的低温韧性，还具有良好的野外焊接性。这类钢在成分设计上选择了C、Mn、Nb、Mo、B、Ti的最佳配合，从而在较宽广的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织[9]。这类钢的典型成分为:0．02C一1．72％Mn一0．18Mo一0．04％Nb一0．01Ti一0．001％B。这类钢的显微组织为：高密度的亚结构一细小均匀的贝氏体[10]，其屈服强度可达650～800MPa。目前国际上X80、XlOO管线钢较多采用此类型组织。高钢级管线钢管的使用，虽降低了钢管自重，减少了野外焊接工作量，节约了管线工程建设成本，但同时对钢材提出了更高的性能要求：高的屈服应力；高韧性和低的脆性转变温度；良好的野外焊接性能；一定的耐腐蚀能力；良好的成型性；高的钢质纯净度。3、控轧控冷工艺在X80钢中的应用除通过微合金化保证钢材的性能以外，X80管线钢还通过控轧控冷工艺获得优良的性能。所谓控轧就是一种定量、预定程序地控制热轧钢的形变温度、压下量、形变道次、形变间隙停留时间、终轧温度以及终轧后冷却的轧制工艺，以取得最佳的细化晶粒和第二相均匀分布的组织状态，从而有效地改善钢的性能。通过降低终轧温度的方法来改善钢的力学性能，在二十世纪30年代就引起人们的注意1925年H．Hanemann和F.Lucke发现通过降低最终热加工的变形温度可使α晶粒细化，从而提高钢轧制产品的力学性能。然而由于低温轧制较大的轧制负荷使一般轧机难以承受，因而这项技术很长时间并未在工业上得到实际应用。上世纪50年代采用控制轧制生产出的352MPa级别的C-Mn钢，是世界上首次采用形变热处理工艺进行的商业性产品。直至60年代人们认识到Nb对奥氏体再结晶的强烈阻止作用，可使钢在相对高的温度下控轧，这项技术才开始得到广泛的注意和应用。60年代英国研究人员对控制轧制进行了系统的研究，之后日本和法国的科研人员也相继进行了深入的探索和开发。他们的研究成果为开发现有的控轧状态的低碳、低合金、沉淀强化以及具有高韧性和高强度的钢种提供了基础[11]。控轧钢的一个近代发展是轧后的控制冷却。轧后引入加速冷却，使γ→α相变温度降低，过冷度增大，从而增加了α的形核率。同时由于冷却速度的增加，阻止或延迟了碳、氮化物在冷却中过早析出，因而易于生成更加弥散的析出物。进一步提高冷却速度，则可形成贝氏体或针状铁素体进一步改善钢的强韧性。合理的化学成分设计是获得优良的组织、提高产品最终性能的途径之一；严格控制热加工工艺则是另一种获得优良组织和性能的有效方法，两种途径最终体现到钢中组织的形态和晶粒大小上。控轧控冷后，X80管线钢显微组织含有较多的针状铁素体，不仅有利于钢材韧性的提高[12]，而且也能大幅提高钢材的强度[13]。组织中细小弥散分布的M／A岛，能阻碍位错，运动和疲劳裂纹扩展，不易因应力集中而诱发裂纹，并使其长度小于裂纹失稳扩展临界尺寸[14]。4、X80管线钢对焊接的要求X80管线钢通过形变强化而使材料具有很高的强韧性。而且X80钢也是高度的洁净钢，因而该钢对焊接加工提出了特殊的要求，主要表现在：如何防止焊接热影响区的晶粒粗化、局部软化与脆化，如何实现焊缝金属的纯化与细化，如何选择焊接方法以及改进焊接工艺等。4.1焊接热影响区的晶粒粗化焊接热影响区晶粒粗化是不可避免的现象，晶粒长大弱化了焊接接头的使用性能。尤其是X80钢的原始组织为针状铁素体，其晶粒直径在5～10μm之间，由晶粒长大动力学可知，晶粒越细越容易长大，焊接后其晶粒尺寸在70μm左右。为控制管线钢热影响区在高热输入下的晶粒长大，可以通过向钢中加入微合金元素来实现，其中Ti的加入是最富于成功的例子。焊接工作者常采用小的焊接线能量或高能束焊接方法使粗晶区范围变窄，以至于不影响焊接接头的服役能力，但即便如此也未能彻底解决热影响区的晶粒粗化问题。4.2焊缝金属的纯化与细化除电子束焊、激光焊外，一般熔化焊满足不了超纯的要求。焊缝中的S、P等杂质元素受焊接材料的影响极大，在最佳的焊接条件下，一般电弧焊焊缝中S可控制在0．01％以下，P可在O．O15％以下，但气体含量要大大高于母材及焊丝，在某种程度上一定的氧含量是有益的，因为焊缝中针状铁素体的核心是尺寸为0．2～0．6μm的氧化物质点[13]。另外焊缝金属的细化主要是联生生长的柱状晶的细化，目前仅电子束熔切扫描比较有效，但对一般电弧焊来说采用变质剂、机械振荡、超声波振荡均无明显的效果。5、X80管线钢的应用X80管线钢在1985年由德国Mannesmann钢管公司研制成功，并铺设了3.2km的试验管道。1992～1993年又用这种定名为GRS55的X80钢材在德国鲁尔区铺设了管径为1220mm，壁厚为18.3mm和19.4mm，长度为250km的鲁尔天然气输送管道，输送压力为10MPa，这一管道至今运行情况正常。加拿大在90年代初也进行了X80的研制。1994年由IPSCO钢铁公司开始生产X80管线钢和螺旋焊管，NOVA公司首先用它来铺设管道，至1997年共铺设了205km长的管道。加拿大Stelco钢铁公司也在1996年研制成功X80管线钢，并在其Welland焊管厂生产螺旋焊管。TransCanada管道公司(NOVA被其兼并)1999年还准备再建一条管径为1016mm、长度为30km的X80输气管道。在加拿大IPSCO钢铁公司的1998年报告中明确指出，IPSCO现在具备了生产各种规格尺寸的X80钢管的能力。根据对欧洲钢管公司提供的1991～1999年7月期间直缝埋弧焊管生产的统计结果，在总生产量为5442156t钢管中，B级～X56级的生产量占总产量的3.46％，X60为9.46％，X65为41.67％,X70为42.7％，X80为2.68％。由此可见，世界范围内的管线钢钢级是随着输送压力的提高向高钢级发展的。目前主要集中在X70、X65两个钢级上，X80是近年来发展的比较新的钢级，其生产和使用量还不多[15]。6、结论(1)、高钢级、大管径已经成为管线钢管发展的方向。(2)、X80钢的成分设计采用低碳一锰一铌一钛系，根据厚度的不同，添加适量的钼、铜、镍等合金元素来提高强度，改善韧性。(3)、X80管线钢的典型组织为针状铁素体或低碳贝氏体，针状铁紊体管线钢制管后屈服强度下降小，同时具有相当优越的焊接性能，非常有利于焊管和现场铺设管线工程。而超低碳贝氏体钢不仅具有良好的野外焊接性，还具有良好的低温韧性，是X80及以上高钢级管线钢的理想组织。(4)、国内X80钢的研制起步较晚。加快开发步伐，为拟建的跨国管线工程提供技术储备和技术支持已成当务之急。参考文献：[1]郑磊，傅俊岩．高等级管线钢的发展现状[J]．钢铁，2006，41(10)：1-10[2]庄传晶，冯耀荣，霍春勇，等．国内X80级管线钢的发展及今后的研究方向[J]．焊管，2005，28(2)：10—14[3]郑瑞，李铁军．我国管线钢的生产与发展[J]．重型机械科技，2003，(4)：47-51[4]高惠临．管线钢一组织、性能、焊接行为[M]．陕西科学技术出版社．1995[5]赵明纯，单以银，等．显微组织对管线钢抗硫化物应力腐蚀开裂的影响．金属学报，2001，(1O)：1087[6]赵明纯，单以银，等．针状铁素体的强韧性行为和抗H2S性能的研究．2001年中国钢铁年会文集．北京：冶金工业出版社，2001．10[7]王仪康，杨柯，等．我国高压输送管线钢的发展．WTO与管道建设一2002石油天然气管道建设与技