超高強度管線鋼的研究現狀與展望

劉西暢 陳震 李喜慶 馮寧波

摘 要：隨著輸油輸氣行業的迅速發展，管線鋼作為主流用鋼，其經濟性、可靠性和穩定性越來越受到關注。本文從我國管線鋼的發展歷程出發，以寶鋼為例，介紹了現階段我國管線鋼的生產情況和應用情況，并通過組織成分、生產工藝以及焊接工藝等方面重點介紹了現階段超高強管線鋼的研究現狀，并肯定了其未來廣闊的發展前景。

關鍵詞：管線鋼；超高強度；X100/X120；研究現狀

1 引言

隨著近年來石油和天然氣需求量的日益增長，輸油輸氣管線也在迅速發展。由于惡劣的開采環境，開采作業中管線鋼的經濟性、可靠性和穩定性越來越受到關注。研究表明，與X80相比，X120的強度提高了近50%，可節省管線工程投資10%左右。近年來，使用高等級、大壁厚管線用鋼呈現出越來越強的發展態勢[1]。

2 我國管線鋼的發展歷程

我國管線鋼的發展十分迅速。上世紀六七十年代主要采用國內生產的A3、16Mn，隨后因強度不足很快淘汰。八十年代后按美國API標準生產的管線鋼板開始興起，但由于國內技術落后，多使用進口板。九十年代后，國內管線板生產發展很快，各大鋼廠相繼開發生產高鋼級管線鋼。以寶鋼為例，寶鋼于1995年開始批量生產X52管線鋼，在十多年的時間里，寶鋼生產的常規和抗腐蝕高鋼級管線鋼總量超過400萬噸。近兩年在寶鋼人的努力下，不僅產量得到飛躍，還成功開發了超高強管線鋼種。目前管線鋼板卷已經用于西氣東輸管線，中俄管線等國內外輸油輸氣重大工程[2-3]。

3 超高強度管線鋼的研究現狀

超高強管線鋼對于降低輸送管線的建設成本和確保安全性方面優勢明顯，其將來必定會成為管線產業的新寵。

3.1 超高強度管線鋼的化學成分與微觀組織

不同強度級別的管線鋼不僅化學成分不同，也有著完全不同的微觀組織，不同的顯微組織決定了其不同的機械性能。根據顯微組織的不同，管線鋼可分為鐵素體-珠光體型管線鋼、針狀鐵素體型管線鋼、貝氏體-馬氏體型管線鋼及回火索氏體型管線鋼[4]。

為保證X120鋼高強度和高韌性的設計要求，采用低Pcm的低C-Mn-Ni-Mo-Nb-V-B設計，如表1[5-7]。

由上表可以看出，與X100鋼相比，X120鋼中添加了B元素。文獻[6]指出B元素的作用是提高鋼材的淬透性，促進M及下貝氏體的形成，并提高其韌性。與X100的上貝氏體組織相比，通過B元素的添加，X120可獲得M+下貝氏體組織，從而獲得更優異的機械性能。

3.2 超高強度管線鋼生產工藝

現階段管線鋼軋制工藝比較成熟的有TMCP、HTP等技術。

TMCP就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制的基礎上，再實施空冷或控制冷卻及加速冷卻的技術總稱。其通過控制軋制溫度和軋后冷卻速度、冷卻的開始溫度和終止溫度來控制鋼材高溫的奧氏體組織形態和相變過程，最終控制鋼材的組織類型、形態和分布，提高鋼材的組織和力學性能[8]。而HTP是通過增加Nb含量，從而提高終扎溫度，配合扎后快速冷卻，得到細小的針狀鐵素體型組織，提高力學性能[9]。

目前X120管線鋼的熱處理方法可分為以下兩種：DQ-T和TMCP工藝。經綜合評定研究發現，得到下貝氏體+M的TMCP工藝生產出的X120管線鋼更為理想[1]。

3.3 超高強度管線鋼的焊接及接頭強韌機制

由表1可知，X100/X120管線鋼含碳量和Pcm值較低，焊接性較好。管線鋼的強度主要依靠細晶強化及位錯強化等，而由于焊接的不均勻性，焊縫組織會產生復雜的變化，從而破壞其原有強度。

文獻[10-11]指出，焊縫金屬以貝氏體及板條馬氏體為強化相，通過細小的針狀鐵素體對晶粒的分割作用增加韌性。熔敷金屬通過位錯強化、細晶強化和固溶強化來獲得強度。而不含碳化物的貝氏體條能有效阻止裂紋萌生和擴展以獲得韌性。焊材選擇以Mn-Ni-Mo-Cr為主要合金系。Ni的作用是提高其低溫韌性，適量的Ti，B，V等微合金元素用以提高貝氏體的含量。更多有關超高強度管線鋼的焊接及接頭研究請參閱文獻[10-12].

4 展望

目前世界范圍內石油和天然氣的開發還在繼續，由此帶動了管線產業的蓬勃發展。而由于增加內徑、提高管線的長度與輸送壓力具有安全便捷、成本低等優勢。因此，使用高等級管線用鋼已成為發展趨勢。雖然由于技術問題，超高強度管線鋼的應用還很受限，但我相信超高強度管線鋼的前景將會一片光明。

參考文獻：

[1] 李繼紅，楊亮，張敏.X120管線鋼的研究現狀和發展前景[J].材料熱處理技術，2012，41（22）：99-103.

[2] 胡會軍，田正宏，王洪兵，職建軍.寶鋼管線鋼煉鋼生產技術進步[J].寶鋼技術，2009，1：65-68.

[3] 孫梅.我國高等級管線鋼的開發與應用[J].中國鋼鐵業，2009，3：41-49.

[4] 彭玲利.X100高鋼級管線鋼研發[D].重慶：重慶大學，2011.

[5] 劉志軍，張歌，李超，高飛，汪翰云.X120管線鋼管的開發及其力學性能[J].焊管，2011，34（10）：78-82，87.

[6] 李繼紅，楊亮，張敏.X120管線鋼的研究現狀和發展前景[J].材料熱處理技術，2012，41（22）：99-103.

[7] ZHANG Yong-qing et al.Development and Production of X120 Strip With Excellent Toughness in Shougang Steel[J].Journal of Iron and Steel Research，2011，18（Supplement 1-2）：908-914.

[8]張偉衛，熊慶人，吉玲康，宮少濤，李洋.中國金屬學會.2010年全國軋鋼生產技術會議文集.中國內蒙古赤峰.2010

[9] Stalheim D G. The Use of High Temperature Processing Steel for High Strength Oil and Gas Transmission Pipeline Applications[J].Iron&Steel;，2005，40（Supplement）：699-704.

[10]栗卓新，馬司鳴，HEE Jin-kim.X100/X120管線鋼焊接接頭強韌化研究進展[J].電焊機，2013，43（4）：1-7.

[11]馬司鳴.X120管線鋼金屬芯焊絲及焊縫強韌化機制的研究[D].北京：北京工業大學，2013.

[12]李延豐.X120鋼級螺旋縫埋弧焊管研制結果及分析[J].鋼管，2012，41（2）：34-37.