超高強(qiáng)度X120管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

1、超高強(qiáng)度X120管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀 摘要：總結(jié)回顧了超高強(qiáng)度X120管線鋼在世界范圍的發(fā)展?fàn)顩r。系統(tǒng)整理和分析了X120級管線鋼采用的合金化設(shè)計方案、各種不同的生產(chǎn)工藝和最優(yōu)的選擇，并從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度討論了X120級管線鋼的應(yīng)用前景、目前仍存在的技術(shù)難點和需要進(jìn)行更深入研究的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞：管線鋼，X120，超高強(qiáng)度，韌性0 前言能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動力，石油和天然氣已成為世界各國最重要的能源資源，不斷提高長距離輸送管線的經(jīng)濟(jì)性和安全性成為石油、天然氣以及相關(guān)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。提高油氣輸送壓力可以有效地提高長距離輸送管線的經(jīng)濟(jì)性，為保障提高輸送壓力后管線工程的安全性，過去幾十年內(nèi)，高強(qiáng)度、

2、高韌性且焊接性能良好的高鋼級管線鋼在世界范圍內(nèi)得到了長足的發(fā)展1-4。目前，X70、X80級管線鋼已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用，X100、X120級超高強(qiáng)度管線鋼也開展了廣泛的試制和工藝、性能研究，并均已完成試驗段的建設(shè)。采用超高強(qiáng)度X120管線鋼替代現(xiàn)使用的X70、X80級管線鋼建設(shè)長輸管線具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，未來在技術(shù)條件許可的情況下，必將成為X120管線鋼啟動的關(guān)鍵因素。1 國外超高強(qiáng)度X120管線鋼的發(fā)展歐美發(fā)達(dá)國家對超高強(qiáng)度管線鋼的研究起步較早。1993年，美國?？松梨谑凸绢A(yù)見到了天然氣區(qū)域性需求的增長并研究了低造價管線所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益，開始增加天然氣輸送管線的覆蓋面，尤其是長

3、距離輸送管線，與此同時，開始致力于超高強(qiáng)度X120管線鋼的研究開發(fā)，以期通過大幅提高管線鋼的強(qiáng)度降低管線造價，同時利用現(xiàn)有技術(shù)對普遍認(rèn)為不具有商業(yè)價值的長距離能源進(jìn)行開發(fā)，并于1996年分別與日本新日鐵和住友金屬簽訂了X120管線鋼的聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，進(jìn)行了超高強(qiáng)度X120管線鋼的合作開發(fā)，包括X120管線鋼板和焊接材料的開發(fā)、直縫埋弧焊接和現(xiàn)場環(huán)縫焊接工藝、X120管線鋼的止裂性能等多方面的深入研究5。韓國浦項也于同期開展了X120管線鋼的研制工作。日本新日鐵、住友金屬、韓國浦項和?？松梨谑凸居?000年前后先后申報了X120管線鋼的專利6-8。2004年2月，在加拿大阿爾波特省北部的皮爾

4、利斯湖項目中，TransCanada公司采用日本新日鐵生產(chǎn)的外徑914mm、壁厚16mm的X120鋼管建設(shè)了世界上首條，也是目前唯一一條X120管線示范段。該示范段提供了獲得寒冷天氣使用X120管線鋼管現(xiàn)場建設(shè)經(jīng)驗的機(jī)會，成功地實施了包括現(xiàn)場彎曲和環(huán)焊等各種現(xiàn)場建設(shè)作業(yè)9。2 超高強(qiáng)度管線鋼在中國的發(fā)展我國超高強(qiáng)度管線鋼的研發(fā)工作與西方發(fā)達(dá)國家相比滯后近20年。2005年以前，在我國還沒有超高強(qiáng)度管線鋼X100/X120的研制報道。2005年以后，隨著冀寧聯(lián)絡(luò)線X80管線鋼的成功開發(fā)，武鋼、鞍鋼等大型鋼企相繼開始了X100/X120管線鋼的研究開發(fā)。2006年3月和6月，鞍鋼、南鋼與華北石油鋼

5、管有限公司合作，分別成功開發(fā)出了81314.3mm和81312.5mm的X100直縫埋弧焊管10。2006年10月，寶鋼在新投產(chǎn)的5000mm寬厚板軋機(jī)上成功試制出超高強(qiáng)度X120管線鋼板11，其各項力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到新日鐵、住友金屬等國際先進(jìn)鋼企所試制X120管線鋼板的實物性能。2007年8月，武鋼成功開發(fā)出X100板卷，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。2008年3月，太鋼在2250mm熱連軋生產(chǎn)線上成功試制出X120板卷，成為全球首家實現(xiàn)X120管線鋼卷板試生產(chǎn)的企業(yè)12。此外，武鋼、鞍鋼、南鋼、舞鋼等大型鋼企均在開展超高強(qiáng)度X120管線鋼的研制工作，并已取得顯著進(jìn)展13，14。目前尚處于設(shè)計階段的西氣

6、東輸三線主干線擬建設(shè)X100/X120級管線鋼的試驗段。通過鋼廠和國內(nèi)制管企業(yè)的密切合作，我國在超高強(qiáng)度管線鋼的研究開發(fā)方面取得了長足的進(jìn)步，大大縮小了與西方發(fā)達(dá)國家之間的差距。3 超高強(qiáng)度管線鋼X120的成分設(shè)計、組織特征和生產(chǎn)工藝3.1 超高強(qiáng)度X120管線鋼的成分設(shè)計超高強(qiáng)度管線鋼大都以低C（超低C）-高M(jìn)n為基，結(jié)合Nb、V、Ti的微合金化作用，并根據(jù)鋼的級別適量添加Cu、Ni、Cr、B等進(jìn)行合金化設(shè)計。X120級管線鋼的成分設(shè)計基本原理如下15-17：1）C：C是鋼中最經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化元素，但它同時顯著惡化鋼的韌性和焊接性能，因此多年來國際管線鋼中的碳含量逐年降低，甚至向超低碳發(fā)展。然

7、而，并不是碳含量越低越好。首先，降低碳含量帶來的強(qiáng)度下降需要添加更昂貴的合金元素來彌補(bǔ)。此外，有研究表明，當(dāng)碳含量小于0.01%時，由于間隙碳原子的減少和熱循環(huán)后Nb（C，N）的沉淀析出而弱化了晶界，使熱影響區(qū)晶界相對脆化。因此，X120管線鋼的碳含量一般控制在0.02%-0.06%。2）Mn：Mn有顯著的固溶強(qiáng)化作用，在一定范圍內(nèi)還可以提高鋼的韌性、降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，所以早期的管線鋼以C-Mn鋼為主。但是，Mn含量過大會加劇控軋鋼板的中心偏析，從而引起鋼板和鋼管力學(xué)性能的各向異性，且導(dǎo)致抗HIC性能的降低。因而，在超高強(qiáng)度管線鋼中，Mn含量應(yīng)保持在一個合理的高水平范圍內(nèi)。通?？刂圃?.5

8、%-2.0%。3）Si：增加Si含量可以提高鋼的強(qiáng)度，但是同時會顯著惡化鋼的韌性和焊接熱影響區(qū)的韌性，因此，應(yīng)盡量減小Si的含量，一般控制在0.5%以下。4）Nb：Nb可以延遲奧氏體再結(jié)晶、降低相變溫度，通過固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等機(jī)制來使鋼獲得所要求的性能。在超高強(qiáng)度貝氏體鋼中，添加過量的Nb會促進(jìn)M-A島的生成，降低HAZ的韌性。此外，含Nb鋼還存在高溫延展性能明顯降低的脆化溫度區(qū)間（900-700），易在連鑄時出現(xiàn)裂紋。但在添加微量Ti后，脆化溫度區(qū)消失。目前，在超高強(qiáng)度管線鋼中，Ti和Nb幾乎同時存在。Nb含量一般控制在0.06%、0.011%。5）V：V在鋼中可以補(bǔ)充Nb析出強(qiáng)

9、化的不足，還可以改善鋼材的焊后韌性。因其有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化和較弱的細(xì)晶作用，故其韌脆轉(zhuǎn)變溫度比加入Nb、Ti時高，在管線鋼的合金設(shè)計中，一般不單獨使用。6）Ti：鋼中Ti的作用與Nb、V相似，在阻止奧氏體晶粒長大方面，Nb、Ti較明顯，V較弱，在延遲奧氏體再結(jié)晶和軋后快冷的細(xì)晶強(qiáng)化方面，NbTiV，在析出強(qiáng)化方面，VTiNb。在超高強(qiáng)度管線鋼中，一般僅進(jìn)行微Ti處理，加入量為0.01%-0.03%。7）Mo：Mo是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中加入一定量的Mo能夠增加碳的擴(kuò)散激活能，降低碳的活度系數(shù)，抑制塊狀鐵素體的形成、促進(jìn)針狀鐵素體和貝氏體組織的轉(zhuǎn)變，并能夠提高Nb（C，N）的沉淀強(qiáng)化效果。此外，

10、當(dāng)Si含量較高時，Mo增加可以改善鋼板焊接HAZ的韌性，當(dāng)Si含量很低時，也可以得到良好的HAZ韌性。在超高強(qiáng)度管線鋼中，Mo的含量通?？刂圃?.1%-0.4%。8）S：S是危害管線鋼性能最主要的元素之一。它嚴(yán)重惡化管線鋼的沖擊韌性、抗HIC和抗SCC性能，還導(dǎo)致管線鋼的各向異性，所以應(yīng)盡可能地降低S含量，X120級管線鋼中S含量應(yīng)控制在20ppm以下。9）P：P在鋼中是易偏析元素，且會惡化管線鋼的焊接性能，顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此應(yīng)嚴(yán)格控制管線鋼中的P含量，超高強(qiáng)度管線鋼中一般要求P含量小于120ppm。10）H：鋼中H是導(dǎo)致白點和發(fā)裂的主要原因。管線鋼中的H含量

11、越高，HIC產(chǎn)生的幾率就越大，腐蝕速率越高，平均裂紋長度增加越顯著，因此應(yīng)嚴(yán)格控制鋼的H含量。11）B：B是利用急冷獲得高強(qiáng)度極有效的高淬透性元素，可以顯著抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，擴(kuò)大貝氏體形成區(qū)域，使鋼在軋后一個很寬的冷速范圍內(nèi)獲得貝氏體組織。研究表明，含B和不含B均可以通過合適的生產(chǎn)工藝達(dá)到X120鋼所要求的力學(xué)性能，但是含B可以顯著的節(jié)約合金加入量。需要注意的是，B必須存在于沿晶界的固溶體中，防止BN和Fe23（CB）6的形成。因此，B的加入量需限制在一個非常窄的范圍。通常B的加入量控制在0.0010%-0.0030%。12）從經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)品性能方面考慮，X120級管線鋼中通常還會加

12、入適量的Cu、Cr、Ni等元素，以替代Mo，提高鋼的強(qiáng)度、淬透性和耐腐蝕性能。目前已開發(fā)成功的X120鋼的典型化學(xué)成分如表1所示。3.2 超高強(qiáng)度X120管線鋼的生產(chǎn)工藝與組織特征超高強(qiáng)度X120管線鋼的冶煉工藝與一般高鋼級X70、X80管線鋼相比，除對有害元素和夾雜物的要求更為嚴(yán)格外，沒有本質(zhì)上的區(qū)別，而鑄坯二次加熱后的控軋控冷和熱處理工藝則與后者有很大不同。目前已報道多種生產(chǎn)工藝可以實現(xiàn)X120級管線鋼的開發(fā)，包括直接淬火+回火工藝（DQ-T）、間斷式直接淬火工藝（IDQ）、淬火+熱處理分割工藝、在線熱處理工藝（HOP）、遲滯淬火工藝（DLQ）、兩相區(qū)加工工藝（DPP）等18，采用這些生產(chǎn)

13、工藝相應(yīng)的可以得到不同的顯微組織：貝氏體+回火馬氏體、粒狀貝氏體+下貝氏體+馬氏體、馬氏體+殘余奧氏體、回火貝氏體+MA等。幾種典型生產(chǎn)工藝的示意圖如圖1所示。美國?？松梨谑凸九c日本新日鐵公司對X120管線鋼的多種合金化設(shè)計和不同生產(chǎn)工藝進(jìn)行了大量的實驗研究，最終確定了間斷式直接淬火工藝（IDQ）生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼作為X120管線鋼生產(chǎn)的基本技術(shù)原理，這種選擇是基于X120級管線鋼的力學(xué)性能要求、制造成本、軋機(jī)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率等多方面的綜合考慮作出的19。因為X120級管線鋼的相變溫度很低，采用DLP和DPP工藝生產(chǎn)需要很長的待溫時間，而采用IDQ以外的其它生產(chǎn)工藝則需要進(jìn)行較復(fù)雜的

14、熱處理工藝，這一方面會降低生產(chǎn)效率，顯著提高制造成本，而且還對生產(chǎn)設(shè)備有比較苛刻的要求。因此，近年來國內(nèi)外所開發(fā)的X120級管線鋼無一例外的采用ID0工藝生產(chǎn)，獲得以下貝氏體為主體的精細(xì)組織，如圖2所示。4 超高強(qiáng)度X120管線鋼的應(yīng)用前景和目前存在的問題使用超高強(qiáng)度管線鋼建設(shè)管線，典型的經(jīng)濟(jì)效益在于降低鋼管壁厚，節(jié)約材料成本。但通常鋼管制造的集約效應(yīng)在于鋼管強(qiáng)度、直徑和壁厚的結(jié)合。當(dāng)增大管線傳輸壓力以及減小管徑和壁厚時，使用高強(qiáng)度鋼管可全面受益于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩個方面。使用高強(qiáng)度鋼不但可以制造出管徑較小、中等壁厚、承壓較大的鋼管以降低材料成本，同時也可以降低施工和氣體壓縮成本20。已有研究結(jié)果表

15、明，使一條850km的輸氣管線，用X120級管線鋼替代X70級管線鋼，不僅可以節(jié)約管線建設(shè)投資5%-15%，而且還可以降低管線總運(yùn)行費用5%-15%21。因此，從經(jīng)濟(jì)的角度看，為最大限度降低管道建設(shè)和運(yùn)營成本，超高強(qiáng)度X120管線鋼的大規(guī)模使用將成為必然。在技術(shù)上，日本新日鐵、住友金屬、JFE、韓國浦項和中國寶鋼等先進(jìn)鋼企均已成功開發(fā)出X120級管線鋼，_且已有在嚴(yán)寒環(huán)境下建設(shè)試驗段的經(jīng)驗，未來開展大規(guī)模的工程應(yīng)用是完全可行的。但是，自2004年TransCanada公司建設(shè)世界上首條X120管線鋼試驗段后，X120管線鋼的研究開發(fā)開始止步不前，其主要原因是世界各國對X120級管線鋼大規(guī)模工程

16、應(yīng)用的安全性疑慮重重。從已有的研究結(jié)果看，在一定的工況條件下，X100級管線鋼能夠自行止裂，但如果未來沒有重大的技術(shù)突破，X120級管線鋼依靠自身的韌性止裂幾乎是不可能的，需要使用止裂環(huán)22。而且，現(xiàn)有的計算模型（巴特爾雙曲線、HLP等）均被證明不能有效地預(yù)測超高強(qiáng)度X100、X120級管線鋼的止裂能力23，24。因此，要實現(xiàn)超高強(qiáng)度X120管線鋼的大規(guī)模工程應(yīng)用，還需要對X120級管線鋼的韌性、焊接工藝、止裂能力預(yù)測模型等多方面進(jìn)行更深入的研究。5 結(jié)語超高強(qiáng)度X120管線鋼在世界范圍內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀可以歸結(jié)為以下幾點：1）超高強(qiáng)度X120管線鋼的研究開發(fā)在世界范圍內(nèi)已取得顯著進(jìn)展。日本新日鐵、

17、住友金屬、韓國浦項、中國寶鋼均已實現(xiàn)成功開發(fā)，TransCanada公司已完成X120管線鋼在寒冷條件下的試驗段建設(shè)。2）X120管線鋼的成分設(shè)計主要采用低C（超低C）-高M(jìn)n-Nb-Ti-Mo系的合金化設(shè)計，并適量添加Cu、Cr、Ni、B等合金化元素，以實現(xiàn)X120級管線鋼的超高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性能。3）采用DQ-T、DPP、DLQ、IDQ、Q-P等多種生產(chǎn)工藝均可以達(dá)到X120管線鋼所要求的性能，但綜合考慮生產(chǎn)效率、制造成本和產(chǎn)品性能等多方面因素，IDQ是最有效、可行的生產(chǎn)方式，可以獲得細(xì)小、均勻、下貝氏體為主體的精細(xì)組織和理想的力學(xué)性能。4）采用X120級管線鋼建設(shè)長輸管線能夠大

18、幅降低長輸管線的建設(shè)和運(yùn)營成本，在未來實現(xiàn)大規(guī)模的工程應(yīng)用將成為必然。根據(jù)超高強(qiáng)度X120管線鋼在世界范圍內(nèi)業(yè)已取得的成果，X120管線鋼未來的實際應(yīng)用在技術(shù)上是完全可行的。5）要實現(xiàn)X120級管線鋼的大規(guī)模工程應(yīng)用，還需要對X120級管線鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理、止裂能力、焊接工藝等多方面開展更深入的研究工作。參考文獻(xiàn)1 鄭磊，付俊巖.高等級管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀 J. 鋼鐵，2006，41（10）：1-10.2 孫梅.我國高等級管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用 J. 技術(shù)論壇，2009（3）：41-49.3 王儀康，潘家華，楊柯，等.高性能輸送管線鋼（續(xù)） J. 焊管，2007，30（2）：13-18，4 黃開文.國外

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