管線鋼綜述報告

InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences72WenhuaRoad,Shenyang,China110016Email:hduan16b@

管線鋼綜述報告

2017年9月7日

段賀1.管線鋼的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展2.管線鋼的合金化3.管線鋼的軋制4.管線鋼的顯微組織及分類5.管線鋼的強度和韌性報告內(nèi)容一.管線鋼的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展1.1油、氣管道工程的現(xiàn)狀1806年在英國倫敦安裝了第一條鉛制管道，1825年在美國敷設了第一條輸氣管道后，1843年鑄鐵管道開始用于天然氣管道。20世紀20年代焊接方法在管道上的應用，開創(chuàng)了管道運輸史上嶄新的一頁。自1925年在美國建成第一條焊接天然氣管道后，管道的直徑和長度都在不斷擴大。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國政府建設了兩條長距離原油和成品油管道。戰(zhàn)后管道工業(yè)蓬勃發(fā)展，標志性工程包括1958年加拿大3000km的長輸氣管道和1967年伊朗至阿塞拜疆的跨國天然氣管道。20世紀90年代至今，管道工業(yè)進入了一個新的發(fā)展時期。我國近代管道建設開始于1949年。1958年建成第一條長輸原油管道。1966年建成第一條長輸天然氣管道。20世紀60年代至80年代，由于大慶油田和四川氣田的開發(fā)，我國管道工業(yè)得到快速發(fā)展。20世紀90年代初，以西氣東輸管道為代表的長距離管道建設，標志著我國管道建設進入了一個新的發(fā)展時期。1.2管道工程面臨的挑戰(zhàn)與管線鋼的發(fā)展趨勢A管道的大管徑、高壓輸送與高強度管線鋼C管道的大位移環(huán)境與大變形管線鋼E管道的腐蝕環(huán)境與耐腐蝕管線鋼B管道的低溫環(huán)境與高韌性管線鋼D管道的深海環(huán)境與海底管道的厚壁化F管道在惡劣環(huán)境下的焊接與易焊鋼管1.2.1管道的大管徑、高壓輸送與高強度管線鋼輸氣管道中，輸送量與輸送壓力和管道直徑的關系如圖1-1所示。可見，加大管道直徑，提高管道工作壓力是提高管道輸送量的有力措施和油氣管道的基本發(fā)展方向。圖1-1輸氣管道輸送量與輸送壓力和管道直徑的關系1.2.1管道的大管徑、高壓輸送與高強度管線鋼由管道設計準則可知，管道工程的大口徑、高壓輸送這一目標可以通過增加鋼管壁厚和鋼管強度來實現(xiàn)，然而，提高強度才是一種理想的選擇。這是因為高強度管線鋼的采用不僅可減少鋼管壁厚和重量，節(jié)約鋼材成本，而且由于鋼管管徑和壁厚的減少，可以產(chǎn)生許多連帶的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，在大口徑管道工程中，25%-40%的工程成本與材料有關。一般認為，管線鋼每提高一個級別，可使管道造價成本降低5%-15%。50~60年代——X5270~80年代——X60~X6590年代——X70~X80新世紀——X100和X120成為熱點圖1-2高強度管線鋼的發(fā)展歷程1.2.2管道的低溫環(huán)境與高韌性管線鋼材料由韌性狀態(tài)脆性狀態(tài)：更大的韌性儲備極寒地區(qū)：低溫超純凈管線鋼超細晶管線鋼低碳或超低碳AF-40℃超純凈管線鋼：鋼中的雜質(zhì)含量和夾雜物形態(tài)得到有效控制的一類管線鋼。S≤0.0005%、P≤0.002%、N≤0.002%、O≤0.001%和H≤0.0001%超細晶粒管線鋼：通過嚴格控制控軋、控冷條件，目前可獲得這種有效晶粒尺寸達到1-2um,因而賦予了管線鋼優(yōu)良的韌性?，F(xiàn)代管線鋼的Akv大都在200-300J以上，50%FATT可達-45℃以下。經(jīng)過精心控制的管線鋼，其Akv可高達400-500J以上，DWTT的85%FATT可降至-60℃以下。1.2.3管道的大位移環(huán)境與大變形管線鋼大變形管線鋼大位移環(huán)境高的均勻伸長率高的形變強化指數(shù)低的屈強比大變形管線鋼是一種適應大位移服役環(huán)境的，在拉伸、壓縮和彎曲載荷下具有較高極限應變能力和延性斷裂抗力的管道材料。高強韌性a）B+F組織b）B+M/A組織圖1-3大變形管線鋼中的SEM顯微組織大變形管線鋼的主要組織特征是雙相組織。它通過低碳、超低碳的多元微合金化設計和特定的控制軋制和加速冷卻技術，在較大的厚度范圍內(nèi)分別獲得B-F和B-M/A等不同類型的雙相組織1.2.4管道的深海環(huán)境與海底管道的厚壁化海底管道經(jīng)受自重、設計內(nèi)壓、外水壓等工作載荷以及風、浪、流、冰和地震等環(huán)境載荷造成管道平移和振動。小直徑和厚壁化成為近海管道的主要特點。海底管線鋼成分設計的主要特點是：低的含碳量、低的碳當量、低的S，P含量1.2.5管道的腐蝕環(huán)境與耐腐蝕管線鋼由于含HS油氣井、含CO2油氣井和H2S、CO2共存油氣井的開發(fā)，在管道的各種腐蝕形態(tài)中，尤其以酸性介質(zhì)的腐蝕最為嚴重。含碳量小于0.06%硬度小于22HRC或250HV含硫量小于0.002%通過鋼水鈣處理，以改善夾雜物形態(tài)通過減少C、P、Mn，以防止偏析和減少偏析區(qū)硬度通過對Mn、P偏析的控制，以避免帶狀組織要求2二.管線鋼的合金化2.1管線鋼合金設計的基本特征管線鋼是低合金高強度鋼和微合金化鋼中一種典型的鋼種，合金設計的基本特征表現(xiàn)在以下幾個方面：2.1.1低碳或超低碳早期的管線鋼是以抗拉強度為依據(jù)來設計的，而強度通常用碳含量來獲得。但由于極地管道和海洋管道的發(fā)展，要求不斷改善鋼的低溫韌性、斷裂抗力以及延性和成形性，從而導致鋼中碳含量逐漸降低。圖2-1不同等級管線鋼的碳含量圖2-2鋼中含碳量與強度和韌性的關系2.1.2增加錳含量圖2-3Mn含量對管線鋼強度的影響圖2-4Mn/C比對管線鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響目前Mn作為管線鋼中主要的合金元素被采用，是因為Mn的加入引起固溶強化。Mn還能降低γ-α相變溫度，而γ-α相變溫度的降低對α的晶粒尺寸有細化作用，同時可以改變相變后的微觀組織。1.0%~1.5%Mnγ-α相變溫度下降50℃細化鐵素體晶粒1.5%~2.0%Mn進一步降低相變溫度促使γ轉(zhuǎn)變?yōu)锳FMn在提高強度的同時，還能提高鋼的韌性，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。2.1.3微合金化

管線鋼是微合金化理論最成功的應用領域。一般而言，在鋼中質(zhì)量分數(shù)為0.1%左右而對鋼的微觀組織和性能有顯著或特殊影響的合金元素，稱為微合金元素。在管線鋼中，主要是指Nb、V、Ti等強烈碳化物形成元素。TiN最為穩(wěn)定，幾乎在1400℃左右才發(fā)生溶解；最不穩(wěn)定的是VC；在管線鋼控軋再熱溫度規(guī)范下（1200℃左右或更低），NbN和TiC也表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性。圖2-5管線鋼中第二相的平衡溶度積在不同的溫度范圍內(nèi),各化合物的溶度積由低到高的排列順序為:TiN、AlN、NbN、TiC、VN、NbC、VC。在鋼板的控軋過程中，通過固溶微合金元素Nb、V、Ti的溶質(zhì)原子拖曳和應變誘導沉淀析出的微合金碳、氮化物質(zhì)點對晶界和亞晶界的釘扎作用，可顯著阻止形變γ的再結晶，從而通過由未再結晶γ發(fā)生的相變而獲得細小的相變組織。圖2-7Nb、V、Ti對再結晶溫度的影響微合金元素Nb、V、Ti在管線鋼中的主要作用：1）阻止奧氏體晶粒長大在控軋再熱過程中，未溶微合金元素Nb、V、Ti的碳、氮化物將通過質(zhì)點釘扎晶界的機制而明顯阻止奧氏體晶粒的粗化過程。2）延遲γ的再結晶圖2-6γ晶粒粒尺寸與加熱溫度的關系3）延遲γ-α的相變過程圖2-8Nb、V、Ti對針狀鐵素體體積分數(shù)的影響

在高溫形變后的冷卻過程中，微合金元素Nb、V、Ti在晶界偏聚會阻礙新相的形成，從而降低γ-α相變溫度，抑制多邊形鐵素體相變，促進針狀鐵素體形成。4）沉淀析出強化在軋制及軋后的連續(xù)冷卻過程中，通過正確地控制微合金碳、氮化物的沉淀析出過程可達到沉淀強化的目的。微合金碳、氮化物可在熱軋過程中從γ中析出，或在相變過程中在相界析出（相間沉淀），或在最終冷卻過程中從過飽和α中析出。2.1.4多元合金化圖2-9Mo對強度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響早期的微合金化管線鋼：單一的微合金元素，（如Mn-Nb鋼、Mn-V鋼、Mn-Ti鋼）現(xiàn)代管線鋼：少量多元合金化（如Mn-Nb-V-Ti）Mn-Nb-V管線鋼在20世紀60年代得到廣泛應用。Nb限制γ長大，延遲控制軋制過程中的再結晶，通過細化晶粒改善鋼的強度和韌性。V除有一定的細化晶粒的作用外，還通過析出強化提高強度，兩者互為補充。Mo：多元合金化的一個典型范例Mo降低過冷奧氏體的相變溫度，抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體轉(zhuǎn)變。含Nb管線鋼中，Mo可提高Nb（C、N）在奧氏體中的固溶度，降低Nb（C、N）的析出溫度，使更多Nb（C、N）在低溫α中析出，提高沉淀強化效果。Mo合金化管線鋼除具有優(yōu)良的強韌性外，還具有連續(xù)的應力應變曲線。三.管線鋼的軋制控制軋制和控制冷卻技術（TMCP）一種定量的預定程序地控制熱軋鋼的形變溫度、壓下量（形變量）、形變道次、形變間歇停留時間、終軋溫度以及終軋后的冷卻速率、終冷溫度、卷取溫度等參數(shù)的軋制工藝。根本目標：以取得最佳的細化晶粒和組織狀態(tài)，通過多種強韌化機制改善鋼的性能。3.1控制軋制控制軋制與普通軋制的區(qū)別：控軋不僅通過熱加工使鋼材達到所規(guī)定的形狀和尺寸，而且通過鋼材晶粒的細化和組織的改善而獲得良好的綜合性能?？剀垖嶋H上是高溫形變熱處理的一種派生形式。通常將控軋分為三個階段奧氏體再結晶階段（＞1000℃）奧氏體非再結晶階段（950℃~Ar3）（γ+α）兩相區(qū)軋制階段（Ar3~Ar1）3.1.1控軋的三個階段圖3-1控制軋制的三個階段

(1)奧氏體再結晶階段（＞1000℃）奧氏體變形和再結晶同時進行，因再結晶而獲得的細小奧氏體晶粒將導致鐵素體晶粒的細化(2)奧氏體非再結晶階段（950℃~Ar3）(3)（γ+α）兩相區(qū)軋制階段（Ar3~Ar1）形變使奧氏體晶粒被拉長，在伸長而未再結晶的奧氏體內(nèi)形成高密度的形變孿晶和形變帶，同時微合金碳、氮化物因應變誘導析出，因而增加了鐵素體的形核位置，細化了鐵素體晶粒奧氏體和鐵素體均發(fā)生變形，形成亞結構，亞晶強化使強度進一步提高。3.1.2控軋的主要參數(shù)控制軋制的目的：相變過程中，通過控制熱軋條件而在奧氏體基體中引入高密度的鐵素體形核地點，包括奧氏體晶粒邊界、由熱變形而激發(fā)的孿晶界面和變形帶，從而細化相變后鋼的組織主要參數(shù)：再熱溫度形變量形變溫度終軋溫度圖3-2控軋工藝參數(shù)作用示意圖3.2控制冷卻管線鋼控制軋制后引入加速冷卻，使γ-α相變溫度降低，過冷度增大，從而增加了α的形核率。同時，由于冷卻速度增加，阻止或延遲了碳、氮化物在冷卻中過早析出，因而易于生成更加彌散的析出物。進一步提高冷卻速度，則可形成針狀鐵素體或貝氏體，進一步改善鋼的強韌性。圖3-3在線冷卻速率對強韌性的影響在3~15℃區(qū)間，隨冷卻速率的提高，在韌性（50%FATT）不損害的情況下，強度水平明顯升高在熱軋管線鋼中，控制冷卻循環(huán)的過程參數(shù)還有冷卻終止溫度或卷取溫度。3.3控軋、控冷技術的研究進展1）高的冷卻速率和低的終冷溫度通過高的冷卻速率和低的終冷溫度的實施，可使管線鋼獲得細小的針狀鐵素體或貝氏體組織，從而達到高強韌的目的。一般認為，>10℃的冷卻速率是大多數(shù)管線鋼加速冷卻的典型工藝。X80以上管線鋼，典型冷卻速率為20~35℃，終冷溫度可達300℃以下圖3-4終冷溫度對強韌性的影響較高冷卻速率不僅有利于通過相變強化獲得高強度，而且有利于通過細化相變的顯微組織獲得高韌性，所以能降低合金加入量高冷卻速率可使厚鋼板離散性小，組織和力學性能均勻2）高溫軋制技術（HTP）鋼中含碳量降低，提高了Nb在γ中的溶度積，容許添加較高的Nb含量。當γ中Nb固溶量增加時，γ再結晶溫度顯著提高，因而可以采用較高的軋制溫度來生產(chǎn)滿足油氣管道需要的高強度鋼板。這種方法被稱為高溫軋制技術（HTP）。傳統(tǒng)軋制技術終軋溫度：接近于Ar3HTP技術終軋溫度：Ar3+80℃以上3）雙相組織的控軋、控冷技術圖3-5雙相組織的TMCP和傳統(tǒng)TMCP比較獲取B-F組織，始冷溫度低于Ar3獲取B-M/A組織，采用“在線加熱配分”技術4）超細晶粒的控軋、控冷技術形變誘導鐵素體相變（DIFT）技術馳豫-析出-控制相變（RPC）技術四.管線鋼的顯微組織及分類鐵素體-珠光體（F-P）針狀鐵素體（AF）貝氏體-馬氏體（B-M）回火索氏體（S）微合金化控制軋制和控制冷卻狀態(tài)管線鋼淬火、回火狀態(tài)管線鋼4.1鐵素體-珠光體管線鋼鐵素體-珠光體管線鋼是20世紀60年代以前開發(fā)的管線鋼所具有的基本組織形態(tài)，X52以及低于這種強度級別的管線鋼均屬于鐵素體-珠光體鋼?；境煞郑篊和MC：0.10%~0.20%Mn：1.30%~1.70%一般認為，F(xiàn)-P管線鋼具有晶粒尺寸約為7μm的多邊形鐵素體和體積分數(shù)約為30%的珠光體圖4-1鐵素體-珠光體的光學顯微組織圖4-1鐵素體-珠光體的TEM電子顯微組織珠光體是決定強度的主要因素，而每增加10%的珠光體，韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）升高22℃。少珠光體鋼成分：Mn-Nb、Mn-V、Mn-Nb-V等C含量小于0.10%，Nb、V、Ti總含量為0.10%左右代表鋼種：X56、X60和X65對于少珠光體鋼，晶粒尺寸可細化至4~5μm，所以由于晶粒細化使屈服強度每增加15MPa的同時可導致韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降10℃，獲得較好的強韌配合。通常認為少珠光體管線鋼具有晶粒尺寸約為5μm的多邊形鐵素體和體積分數(shù)約為10%的珠光體表4-1鐵素體-珠光體管線鋼的成分4.2針狀鐵素體管線鋼針狀鐵素體管線鋼的研究始于20年代60世紀末，70年代初投入實際工業(yè)生產(chǎn)。當時，在Mn-Nb系基礎上發(fā)展起來的低碳-Mn-Mo-Nb系微合金管線鋼，通過加入Mo，降低相變溫度以抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變，并提高碳、氮化鈮的沉淀效果，因而提高鋼的強度的同時，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。近年來另一種獲取針狀鐵素體的高溫軋制技術（HTP）正在興起。圖4-3鐵素體-珠光體的光學顯微組織圖4-4針狀鐵素體的TEM電子顯微組織管線鋼中針狀鐵素體組織是以連續(xù)冷卻過程中形成的，具有高的亞結構和位錯密度的非等軸鐵素體，并帶有一定數(shù)量的島狀馬氏體和滲碳體組織，具有切變和擴散混合型相變機制，形成溫度略高于上貝氏體。針狀鐵素體主要的顯微特征：（1）板條是針狀鐵素體最顯著的形態(tài)特征。若干板條平行排列構成板條束，板條界為小角度晶界，板條束界為大角度晶界。一般認為針狀鐵素體板條寬度為0.6~1μm（2）相鄰板條鐵素體間分布有粒狀或薄膜狀M-A組元（3）板條內(nèi)有高密度的位錯與貝氏體鐵素體的最大區(qū)別：貝氏體鐵素體具有原奧氏體晶界網(wǎng)的特征，而針狀鐵素體沒有原奧氏體晶界網(wǎng)控制強韌性的有效晶粒是針狀鐵素體板條束。解理斷裂小裂面板條束的大小改變軋制和冷卻參數(shù)細化有效晶粒γ-AF轉(zhuǎn)變形成高位錯密度的亞晶島狀組織細小不易誘發(fā)裂紋良好的強韌性表4-2AF管線鋼的成分4.3貝氏體-馬氏體管線鋼圖2-63X120的TEM電子顯微組織下貝氏體（LB）和馬氏體