管線鋼

管線鋼是指用於輸送石油、天然氣等管道所用的一類具有特殊要求的鋼種，根據厚度和後續形成等方面的不同，可由熱連軋機組、爐卷軋機或中厚板軋機生產，經螺旋焊接或UOE直縫焊接形成大口徑鋼管。

基本介紹

• 中文名：管線鋼
• 外文名： pipe line steel
• 解釋：輸送石油天然氣等大口徑焊接鋼管
• 用途：製造石油、自然氣集輸和長輸管等
• 分類：鐵素體珠光體型、針狀鐵素體型等
• 技術要求：高強度、高衝擊韌性等

簡介

管道運輸與鐵路運輸、公路運輸、水路運輸和航空運輸並列為現代五大交通運輸方式。從最初的工業管道至今，油、氣管道建設經歷了近兩個世紀的發展。我國管線鋼的生產和套用起步較晚，1985年前還沒有真正的管線鋼生產。然而，近年來，我國管線鋼的研製、開發和套用得到了快速發展，通過西部管道、西氣東輸管道和西氣東輸二線管道等重大管道工程的推動，又先後完成了X60、X70和X80管線鋼的生產和套用，並獲得了X100和x120的研究成果。

管線鋼的組織類型

管線鋼的組織結構是決定其使用性能和安全服役的根據，目前，根據顯微組織可將管線鋼分為以下4類：

1、鐵索體-珠光體管線鋼

鐵素體一珠光體管線鋼是20世紀60年代以前開發的管線鋼所具有的基本組織形態，X52以及低於這種強度級別的管線鋼均屬於鐵素體一珠光體，其基本成分是碳和錳，通常碳含量（質量分數，下同）為0.10%一0.20%，錳含量為1.30%～1.70%，一般採用熱軋或正火熱處理工藝生產。當要求較高強度時，可取碳含量上限，或在錳系的基礎上添加微量鈮和釩。通常認為，鐵素體一珠光體管線鋼具有晶粒尺寸約為7μm的多邊形鐵素體和體積分數約30%的珠光體。常見的鐵素體一珠光體管線鋼有5LB、X42、X52、X60、X60和X70。

2、針狀鐵素體管線鋼

針狀鐵素體管線鋼的研究始於20世紀60年代末，並於70年代初投入工業生產。當時，在錳一鈮系基礎E發展起來的低碳．錳一鉬一鈮系微合金管線鋼，通過鉬的加入，降低相變溫度以抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體轉變，並提高碳、氮化鈮的沉澱強化效果，因而在提高鋼強度的同時，降低了韌脆轉變溫度。這種鉬合金化技術已有近40年的生產實踐。近年來，另一種獲取針狀鐵素體的高溫工藝技術正在興起，它通過套用高鈮合金化技術，可在較高的軋制溫度條件下獲取針狀鐵素體。常見的針狀鐵素體管線鋼有X70、X80。

3、貝氏體一馬氏體管線鋼

隨著高壓、大流量天然氣管線鋼的發展和對降低管線建沒成本的追求，針狀鐵素體組織已不能滿足要求。20世紀後期，一種超高強度管線鋼應運而生。其典型鋼種為X100和X120。1988年日本SMI公司首先報導了，X100的研究成果。經歷了，多年的研究和開發，X100鋼管於2002年首次投入工程試驗段的敷設。美國ExxonMobil公司於1993年著手X120管線鋼的研究，並於1996年與日本SMI公司和NSC公司合作，共同推進X120的研究進程，2004年X120鋼首次投人丁程試驗段的敷設。

貝氏體一馬氏體管線鋼在成分設計上，選擇了碳一錳—銅—鎳—鉬—鈮—釩—鈦—硼的最佳配合。這種合金設計思想充分利用了硼在相變動力學上的重要特徵。加入微量的硼(ω_B=0.0005%～0.003%)，可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上形核，使鐵素體曲線明顯右移。同時使貝氏體轉變曲線變得扁平，即使在超低碳(ω_C=0.003%)情況下，通過在TMCP中降低終冷溫度(<300℃)和提高冷卻速度(>20℃/s)，也能獲得下貝氏體一板條馬氏體組織。常見的貝氏體—馬氏體(B—M)管線鋼有X100、X120。

4、回火索氏體管線鋼

隨著社會的發展，需要管線鋼具有更高的強韌性，如果控軋控冷技術滿足不了這種要求，可以采剛淬火+回火的熱處理工藝，通過形成回火索氏體組織來滿足厚壁、高強度、足夠韌性的綜合要求。在管線鋼中，這種同火索氏體也稱為同火馬氏體，是超高強度管線鋼X120的一種組織形態。

管線鋼一般技術要求

現代管線鋼屬於低碳或超低碳的微合金化鋼，是高技術含量和高附加值的產品，管線鋼生產幾乎套用了冶金領域近20多年來的一切工藝技術新成就。目前管線工程的發展趨勢是大管徑、高壓富氣輸送、高冷和腐蝕的服役環境、海底管線的厚壁化，因此目前對管線鋼的性能要求主要有以下幾方面：

(1)高強度。管線鋼的強度指標主要有抗拉強度和屈服強度。在要求高強度的同時，對管線鋼的屈強比(屈服強度與抗拉強度之比)也提出了要求，一般要求在0.85～0.93的範圍內。

(2)高衝擊韌性。管線鋼要求材料應具有足夠高的衝擊韌性(起裂、止裂韌性)。對於母材，當材料的韌性值滿足止裂要求時，其韌性一般也能滿足防止起裂的要求。

(3)低的韌脆轉變溫度。嚴酷的地域、氣候條件要求管線鋼應具有足夠低的韌脆轉變溫度。D州的剪下面積已經成為防止管道脆性破壞的主要控制指標。一般規範要求在最低運行溫度F試樣斷口剪下面積不小於85%。

(4)優良的抗氫致開裂(HIC)和抗硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)性能。

(5)良好的焊接性能。鋼材良好的焊接性對保證管道的整體性和野外焊接質量至關重要。近代管線鋼的發展最顯著的特徵之一就是不斷降低鋼中的碳含量，隨著碳含量的降低，鋼的焊接性得到明顯的改善。添加微量鈦，可抑制焊接影響區韌性的下降，達到改善焊接性能的目的。這其中的難點和重點是高韌性。隨著石油、天然氣輸送的不斷發展，對石油管線鋼性能的要求不斷提高，尤其是對韌性要求的提高。這些性能的提高就要求把鋼材中雜質元素C、S、P、O、N、H含量降到很低的水平。高強度、高韌性是通過控冷技術得到貝氏體鐵素體組織來保證的，同時應降低鋼中碳的含量和儘可能去除鋼中的非金屬夾雜物，提高鋼的純淨度。其中要求碳含量不高於0.09%、硫含量低於0.005%、磷含量低於0.01%、氧含量不高於0.002%；輸送酸性介質時管線鋼要抗氫脆，要求氫含量低於0.0002%；對於鋼中的夾雜物，最大直徑要小於100μm，並要求控制氧化物形狀，消除條形硫化物夾雜的影響。

管線鋼發展的動態和趨勢

早期管道離中心城市較近，地理環境和社會依託條件都較優越。如今，新發現的油、氣田大都在邊遠地區和地理、氣候條件惡劣的地帶，如向西歐市場供氣的阿爾及利亞氣田，可向遠東市場供氣的西伯利亞氣田，可向美國市場供氣的北阿拉斯加氣田和我國東部、西北部油氣田等。隨著邊遠油氣田、極地油氣田、海上油氣田和酸性油氣田等惡劣環境油氣田的開發，油氣管道工程面臨著高壓輸送和低溫、大位移、深海、酸性介質等惡劣環境的挑戰。為保證管道建設和運行的積極性和安全性，管線鋼的基本要求和發展趨勢是高強度、高韌性、大變形性、厚壁化、高腐蝕性和好的焊接性。