管线钢组织及性能研究

管线钢的发展趋势及组织特征2017年09月管线钢的发展趋势A管线钢典型组织特征B内容提要管线钢生产案例分析C随着国民经济发展和环保要求提高，天然气需量与日俱增，预计2020年我国天然气消费需求将达3600亿立方米。而我国天然气资源60%集中在西部地区或进口中亚和俄罗斯天然气，为保证大输量和安全输气，高压大输量长距离输送必将成为我国天然气管道输送的发展趋势。高压大输量长距离输送必将成为我国天然气管道输送的发展趋势。管道建设正在向高钢级、大型化（大口径、大壁厚）方向发展。国内发展动态大输气量2011年8月第6页西四线、西五线线路走向示意图抓吉霍尔果斯瑞丽吐鲁番红柳靖边韶关永清轮南大连LNG唐山LNG江苏LNG深圳LNG南部贵阳南宁泰安南昌榆林平顶山樟树吉安湘潭厦门LNG上海格尔木兰州哈尔滨长春沈阳拉萨大庆银川敦煌西二线轮南支干线忠武线川渝管网中缅气管道涩宁兰管道西一线西二线陕京线系统重庆西一线广州孝感秦皇岛永唐秦管道冀宁线桂林枣阳武汉西安伊宁揭阳西三线揭阳LNG精河玛纳斯木垒喀纳斯达坂西五线西三线西二线西四线西五线干线长度：4735公里设计规模：450亿方/年西五线台州-福州支干线长度：555公里设计压力：10兆帕管径：1016毫米福州西四线长度：2515公里设计规模：450亿方/年中卫台州更高压力----增到17MPa更大口径----增到1422mm更大壁厚----增到30.8mm更高钢级----X90或X100/X120更高标准----API第45版、专业石油公司附加标准更安全----全生命周期完整性管理技术趋势50-70年代70－90年2012-至今90-2000年2000-07年07年-2012管线钢主要采用A3、16Mn日本进口的TS52K(相当于X52)1996年陕京管道工程：管径660mm钢级：X60压力：6.4MPa2000-2002年,西气东输管道工程管径：1016mm壁厚：最大26.2钢级：X70压力：10MPa2007-2009年,西气东输管道工程二线管径：1219mm壁厚：最大27.5钢级：X80压力：12MPa趋势：管径：1219-1422mm壁厚：最大30.8mm压力：17MPa钢级：X90/100油气输送钢管发展趋势提高钢级，从X80提升为X90/100，钢管已进行单炉或小批量试制增大输气量的四个方案增大管径，从OD1219mm,增到OD1422mm，正进行产品试制提高设计系数，从0.72提高到0.8，进行了近12.5万吨的批量生产提升输气压力，从12MPa增到17MPa，北美将采用输送压力超过17MPa。同时，边远荒漠、高寒冻土带和海洋等极限及特殊环境区域的油气田开发日益兴起，这些地区恶劣的地理环境和管道服役条件，对焊管在耐腐蚀性能、耐低温、抗变形以及适应海洋服役等方面提出了特殊要求，不断挑战钢板和钢管的技术极限，产品开发具有广阔的市场前景和较高的附加值。因此各钢管厂为满足钢管新需求，积极主动参与到各种钢管研制过程中。特殊性能抗低温钢管CVN温度从-10℃降低到-40℃，DWTT从0℃降低-20℃增加特殊性能要求深海用钢管增大厚径比，提到低温韧性，提高加工几何尺寸精度大应变钢管增加均匀延伸率和纵向拉伸性能，要求较低的屈强比抗腐蚀钢管提高管材抗HIC和SSCC能力，甚至采用复合钢板加工厚壁螺旋钢管X80钢级，1219螺旋钢管壁厚增加到22mm抗低温钢管巴库-第比利斯-杰伊汉管道“耶稣鱼”管道项目抗酸钢管墨西哥湾深2412m、长222km的ITP管道波罗的海海底管线—北溪管道深海管线用钢管管线钢的发展趋势A管线钢典型组织特征B内容提要管线钢生产案例分析C铁素体多边形铁素体（PolygonalFerrite）：在很慢的冷速下形成的先共析F，具有规则的晶粒外形；准多边形铁素体（Quasi-polygonalFerrite）：在较低的温度下以块状转变（MassiveTransformation）而获得，又称块状F；块状转变特点是新相和母相成分相同，故只有含碳量很低的钢在快速冷却时可发生此类相变；具有不规则的晶粒外形；性能上来讲，QF的显微组织具有较高的强度水平和延性；另外，其内部较高的位错密度和少许MA组织，还使得此类组织具有较低的屈强比和高的硬化速率。（抗大变形管线钢的一种组织）多边形铁素体（PF）准多边形铁素体（QF）粒状贝氏体20世纪50年代，Habraken等在低碳/中碳合金钢中首先发现粒状贝氏体组织。该组织在较慢的冷却速率下出现；相变特点：由于冷速较慢，碳有足够的时间由α/γ相变前沿界面向γ内以较快速度扩散；避免了碳化物的析出，导致残余奥氏体碳含量升高，发生奥氏体稳定化，在随后冷却过程中，富碳奥氏体或转变为马氏体，或保留至室温；组织特征：板条束铁素体/先共析铁素体基体上弥散分布有M-A小岛，由于小岛呈现颗粒形态，故命名为粒状贝氏体（GranularBainite）。=50μm;E1-3+BC+GB;Step=0.7祄;Grid210x91=50μm;BC;Step=0.7祄;Grid210x91粒状贝氏体及EBSD图片（GB）典型X80粒状贝氏体显微组织针状铁素体针状铁素体（Acicularferrite）：低碳低合金钢冷却过程中，在较低温度下，与贝氏体相变相近的区域形成（形成温度高于板条贝氏体）；其二维特征呈针状，并具有片状界面特征；针状铁素体首先在钢中预先存在的缺陷处（如MnS、VCN、氧化物冶金等夹杂物）形核、长大，随后不断激发新的晶核；针状铁素体内位错密度较高1014m-2；管线钢组织判定中：针状F（AF）泛指具有贝氏体特征的组织，即包括粒状贝氏体、板条贝氏体铁素体等。针状铁素体（AF）=20μm;E1-3+BC+GB;Step=0.3祄;Grid233x184板条贝氏体对低合金管线钢，当冷却速率较快时，贝氏体呈板条状；与粒状贝氏体相比，板条贝氏体更细。BF：由相互平行且带有很高位错密度的板条铁素体组成，板条界为小角度晶界；若干铁素体板条平行排列成板条束，板条束界面为大角度晶界；板条间有条状或断续点状残γ（M-A相）。EBSD分析显示：与粒状贝氏体不同，板条贝氏体内BF板条束以大角度晶界分割，且板条贝氏体中BF要细小的多。板条贝氏体（BF）=20μm;BC;Step=0.6祄;Grid200x125=20μm;E1-3+GB;Step=0.6祄;Grid200x125M-A组元低碳微合金钢连续冷却转变为贝氏体时，在形成贝氏体F的过程中，碳在参与奥氏体中逐渐富集。由于相变温度高，相变驱动力小，转变不彻底，少量奥氏体残留下来，以岛的形式分布在板条贝氏体内，同时在大角度晶界上也常有小岛的存在。对管线钢成分而言，富碳奥氏体难以保留至室温，大部分奥氏体冷却时转变为马氏体，称M-A，它对抗HIC性能有一定影响，理想的状态为数量少、尺寸小，M-A为脆性相，小岛的数量、大小、形态和分布对管线钢的韧性寸小、均匀分布、形态应趋于球状，那些长条状、或带尖角的MA对性能不利。SEM照片中的M-ALepera试剂染色后的M-A分布Gr.B-X60显微组织L245(Gr.B)-200*L360(X52）-500*L415（X60）-500*X60及以下级别的管线钢属于铁素体-珠光体，这类钢一般以C-Mn为主，C含量一般在0.10%~0.15%，有时也加入微量的Nb等元素，这类钢终冷温度控制比较高（一般在630以上，相应的显微组织也比较简单，一般为铁素体+少量珠光体（如图）。这类管线钢在卷管过程中会出现包辛格效应而使屈服强度降低，其主要原因在于其基体位错密度低，晶粒相对较粗，没有加工硬化效果，软相铁素体和硬相珠光体将发生不均匀变形，将会导致管线钢屈服强度降低，所以这类管线钢一般要采用提高强度余量以保证钢管性能合格。X65显微组织20mm-L450(X65)-0.25-500*26.4mm-L450(X65)-0.25-500*X65级别的管线钢基体组织属于多边形铁素体+针状铁素体+少量粒状贝氏体（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量一般在0.05%~0.07%，这类钢终冷温度一般在550-600之间。强度级别在580Mpa左右，基体组织受板厚影响，其软硬相占比有明显不同，20mm以下规格主要以针铁+粒贝为主，与X70类似，而在大壁厚特别是深海管线中其厚度方向组织中多变形铁素体占比较大，这也是为保证其低温韧性而设计的。抗酸X65MS显微组织18.54mm-X65MS-0.25-500*18.54mm-X65MS-0.5-500*抗酸X65MS管线钢基体组织属于多边形铁素体+针状铁素体+少量粒状贝氏体（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Ni设计，C含量一般在0.03%~0.05%，Mn含量一般在1.10%之内，强度级别在570Mpa左右。成分采用低C、Mn、P、S设计，以减少HIC敏感性，减轻中心偏析，如图。在大冷速的作用下，以促进AF的形成来保证强度及低温韧性。X70显微组织17.5mm-L485(X70)-0.25-500*21mm-L485(X70)-0.25-500*X70级别的管线钢基体组织属于QF+AF+GB（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量一般在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度一般在480-550之间，强度级别在630Mpa左右。X70近年来应用在油气管道中较为普遍，如中缅线、西二线、西三线、广西LNG天然气项目、大唐煤制气项目等均有使用，该钢在25mm以下供货较多，基体组织中随厚度的变化QF含量增多，晶粒度在12级以上，由于GB及针铁的大量出现，在制管过程中，受到加工硬化、第二相粒子钉扎作用等作用下，包辛格效应消除，屈服强度、屈强比均会上升，所以在钢板生产时有意将屈服强度及屈强比做低。28mm-L485(X70)-0.25-500*抗大变形X70HD显微组织17.5mm-X70HD-0.25-500*21mm-X70HD-0.25-500*抗大变形X70HD管线钢基体组织属于QF+少量AF+板B（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量一般在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度一般在300-380之间，强度级别在670Mpa左右。与以往常规X70管线钢所不同的是，该钢需要保证各项应力比及均匀延伸率，即：纵向Rt1.5/Rt0.5≥1.12，Rt2.0/Rt1.0≥1.05，Rt5.0/Rt1.0≥1.09，均匀延伸率≥10%，从工艺角度出发，必须保证拉伸曲线足够拱，抗拉强度足够高，低温韧性足够好才能满足上述条件，因此在研制该钢的工艺中，将入水温度设定在Ar3以下30-50℃，返红温度设定在400℃，以保证双相组织的形成，即软相QF大量先析，板B在大冷速、低返红形成，从而使得各项应力比、强度等满足工艺条件。X80显微组织15.3mm-X80-0.25-500*22mm-X80-0.25-500*X80管线钢基体组织属于AF+GB（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr设计，C含量一般在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度一般在300-380之间，强度级别在700Mpa左右。X80是21世纪以后应用较为普遍的高强度管线钢，这与以往低钢级管线钢不同，其组织有质的变化，在微合金Mo、Cr的加入使得Ar3更低，进一步扩大未再结晶区，形变诱导析出AF效果更为明显，X80主要是以粒B+MA为主，晶粒度可达到12级以上，MA的出现对该钢强度的提升起到较大的影响。X80供货规格应用较普遍的在22mm以下，在长期规划中如中俄管线、新浙粤项目等重大工程上，大口径、大壁厚X80将会使用到。X90-X100显微组织16.3mm-X90-0.25-500*17.8mm-X100-0.25-500*X90-X100管线钢基体组织与X80类似，属于AF+GB（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr设计，C含量一般在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度一