管線用低合金鋼

介紹

石油、天然氣長輸，油田集輸，X46級以上的管線用鋼板和熱連軋帶鋼的總稱，簡稱管線鋼。

石油、天然氣是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和國防建設不可缺乏的燃料和原料，采用管線形式長距離輸送的經(jīng)濟性和可靠性，使制管行業(yè)和必須的板材生產(chǎn)獲得了優(yōu)先開發(fā)。中國管線鋼的研制和生產(chǎn)，在2000年前后面臨一個新的發(fā)展時期，在管線用鋼的系列化方面，在產(chǎn)量和質(zhì)量上都迫切需要有一個較大的飛躍。從1995年開始，將陸續(xù)敷設25條陸上和海洋油氣輸送管線，總長度13000km。煤炭行業(yè)煤粉漿體輸送也采用長輸管線，8條輸煤管線的可行性研究總長度為5500krn。

技術(shù)要求

管線鋼的生產(chǎn)都按API SPEC 5L 驗收和供貨。美國石油學會API技術(shù)規(guī)范以其先進性、通用性和安全性在國際上享有很高聲譽，并為多數(shù)國家所采用(原有的SPEC 5LS和5LX已合并于1995年4月的API第41版本之中)。

(1)化學成分

API對制管(包括無縫鋼管和焊接鋼管)用材的熔煉分析化學成分規(guī)定如表所示。

該規(guī)范包括由A25～X80共12個強度級別的管線用鋼，高于X42級，可以添加鈮、釩、鈦及其他元素，根據(jù)制成鋼管的規(guī)格尺寸確定添加數(shù)量。

(2)高強度

要求管線鋼具有高的屈服強度，從而獲得較好的經(jīng)濟效益。對于X65級以上的貝氏體類型的管線鋼，由于制管工藝引起的包辛格效應將有所減弱。

(3)高韌性

夏氏V型缺口沖擊試驗(SR5)和落錘撕裂試驗(SR6)，可以作為附加條件評定鋼的脆性破壞的傾向。對于使用于“高寒地帶的管線，高硫油氣的管線和海底管線用鋼，又針對管線敷設條件和油氣田特性，提出不同的技術(shù)要求。經(jīng)驗表明，管線斷裂特性中，管內(nèi)介質(zhì)減壓波速度大于管線脆性斷裂擴展速度時為延性破斷，相反則表現(xiàn)為脆性破壞。因焊管中不可避免存在各種缺陷，當管材沖擊韌性確定之后，管徑越大、壁厚越大，則容許的缺陷值越高。當管材工作溫度高于FATT時，采用夏氏V型缺口沖擊試驗；低于FATT時，以COD試驗來預測管線的止裂能力較為適宜。

(4)良好的焊接性

鋼材焊接性的設計原則，實際上就是馬氏體點(Ms)和最大馬氏體硬度(HVmax )的控制，通常以鋼的焊接碳當量(Ceq)和焊接裂紋敏感性系數(shù)(Pcm)來評定管線鋼的焊接性水平。由于野外敷設管線的惡劣條件以及制管的工藝技術(shù)水平，力求焊縫的高質(zhì)量。管線多數(shù)采用的是螺縫焊管，但這種管線有一些不可忽視的缺點，如焊接熱影響區(qū)大，焊縫成形易造成局部應力集中，管壁的殘余拉應力可導致鋼管承壓能力的減弱。UOE管焊縫可靠性高，適用于海底、河流穿越、大落差地段以及較難以維護地段的管線。高頻電阻焊(ERW)管的焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定，易于實現(xiàn)自動化操作，并解決了在線焊縫退火處理和超聲波探傷，近年ERW管已由陸地管線擴大用于海底管線。

(5)耐腐蝕性和抗應力腐蝕的能力

管線鋼最為普遍的是經(jīng)受內(nèi)壁高硫油氣的H2S腐蝕和外表面的海水腐蝕。

成分設計 管線鋼成分設計的基本方案是低碳、高錳和鋁鎮(zhèn)靜，以及微合金化。

首先摒棄了迄今的提高鋼中碳含量、犧牲鋼的塑韌性為代價、而追求強度的傳統(tǒng)設計思想，從適應現(xiàn)場焊接條件和優(yōu)良的強度、塑性、韌性的匹配出發(fā)，先后開發(fā)了微珠光體鋼(≤0.08C)、無珠光體鋼(≤0.05C)、針狀鐵素體鋼(≤0.05Xc)和超低碳貝氏體鋼(≤0.03%C)等鋼種。其次是力求降低鋼中硫含量和控制鋼中硫化物的形態(tài)，新型管線鋼的硫含量都≤0.008%，實際控制水平則更低，如X60級管線鋼含硫量一般控制在0.008%～0.015%、X65級為0.005%～0.008%，X70級在0.002%～0.005%。微合金化是新型管線鋼合金設計的特點之一，添加碳氮化物形成元素鈮、釩、鈦等，通過細化晶粒、改變相變動力學和溶質(zhì)原子過飽和狀態(tài)的脫溶行為，以獲得超越傳統(tǒng)管線鋼的性能水平，微合金化元素對鋼的組織和性能的影響如圖1所示。

特別是鈮-釩、鈮-鈦復合微合金化則充分利用了不同碳氮化物形成元素的溶解析出行為，得到優(yōu)于單一元素微合金化的管線鋼。鋼中鈮、釩、鈦的微合金化的細化晶粒和析出強化的效果又與鋼中的氮含量有關(guān)，釩一鈦一氮管線鋼是很有特色的品種。在傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)型低合金高強度管線鋼中，硼的加入對提高鋼的淬透性具有積極影響，在非調(diào)質(zhì)的微合金化管線鋼中，硼的存在使鈮微合金化效果更好。X80~X100級管線鋼合金設計的另一成功范例，即在鋼中加入0.5%鎳和0.3%銅，以充分利用了銅的析出強化效果。較高鎳銅含量的X70級沉淀硬化型管線鋼在國外已試制成功，如在正火 回火狀態(tài)下使用的IN787和NiCu age70鋼。

生產(chǎn)工藝

長輸油氣管線用鋼生產(chǎn)流程及其要點見圖2。

根據(jù)性能要求，在合金設計時，首先要考慮鋼的組織類型微觀精細結(jié)構(gòu)和強韌化機制，在以后的冶煉、軋制、熱處理等工序操作中，都包括著豐富的化學冶金、物理冶金和力學冶金的內(nèi)容。作為現(xiàn)代管線鋼生產(chǎn)的工藝要點為：

(1)在70年代前，管線鋼的冶煉采用平爐、電爐和純氧頂吹轉(zhuǎn)爐三種冶煉方式。此后，基本上都采用頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐冶煉，X80級管線鋼和一小部分X70級管線鋼，仍沿用電爐冶煉。轉(zhuǎn)爐冶煉的短周期和高產(chǎn)量與連續(xù)澆注相結(jié)合是最佳的工藝模式，可以順利地冶煉各種合金類型的低碳超低碳管線鋼。根據(jù)不同的需要，可采取鐵水預處理和鋼水吹氬、噴粉、真空脫氣等二次精煉工藝，以實現(xiàn)脫氣、成分均勻化、合金微調(diào)、夾雜物形態(tài)控制等諸多目的。微鈦處理的管線鋼，連鑄工藝的應用則具有更大的意義。

(2)新型管線鋼的生產(chǎn)，采用微合金化與控制軋制、控制冷卻的工藝相結(jié)合才是完善的。后者又稱之為鋼的組織和性能的在線控制。再結(jié)晶控制軋制和常規(guī)控制軋制是兩類典型控制軋制工藝，其核心是高溫奧氏體再結(jié)晶、非再結(jié)晶區(qū)的富化生核和碳氮化物的析出強化?？刂栖堉聘饕蛩氐南嗷リP(guān)系如圖3所示。

帶鋼軋后的適宜的速度冷卻通過相變溫度區(qū)，是獲得高強度等級管線鋼的有效工藝手段。間隙式加速冷卻或連續(xù)式加速冷卻，可以調(diào)整鋼中鐵素體的類型、鐵素體中位錯密度、貝氏體相的尺寸、貝氏體中析出相的數(shù)量和尺寸。

(3)X70級以下的新型管線鋼生產(chǎn)都是在控制軋制或控制軋制一控制冷卻狀態(tài)下獲得最終性能的。調(diào)質(zhì)型的管線鋼和沉淀硬化型管線鋼，仍需進行熱處理。 2100433B

管線用無縫管標準

API SPEC 5L——美國石油學會標準

GB/T9711.2——中國國家標準

管線用無縫管主要生產(chǎn)鋼管牌號

B、X42、X52、X60、X65、X70

中國鋼產(chǎn)量已突破6億噸，鋼材數(shù)量不再是主要矛盾，鋼材品種結(jié)構(gòu)不合理的矛盾十分突出。當前行業(yè)的主要任務是努力提高產(chǎn)品的市場競爭力，站在可持發(fā)展的新起點上，把大力開發(fā)低合金鋼列入發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。許多普鋼企業(yè)在鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和編制科技發(fā)展規(guī)劃中，已意識到低合金鋼生產(chǎn)是提高產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值的關(guān)鍵，對低合金鋼開發(fā)中碰到的種種問題心中無數(shù)，一些科技管理干部覺得“成也低合金鋼，敗也低合金鋼”，迫切要求對低合金鋼有個全面的了解。

我國普通低合金鋼生產(chǎn)情況可歸納成以下幾點：

1. 在含碳量方面屬于低碳，含碳量一般小于0．20%；

2. 在合金方面一元鋼和二元鋼占有較大的比重；

3. 在供貨狀態(tài)方面多為熱軋狀態(tài)交貨；

4. 不少鋼種加入稀土元素以提高綜合性能；

5. 大部分普通低合金鋼是屬于鐵素體 珠光體型的。