管線鋼綜述

(西北有色金屬研究院(集團)西部寶德科技股份有限公司 陜西 西安 710201)

引言

石油和天然氣是現代社會中不可或缺的兩種能源，占全球一次能源的57%。將能源通過長距離管道進行運輸是最安全，最經濟，最環保的方式。根據國家能源規劃，中國石油天然氣集團完成了油氣管道和管網建設的全面布局，特別是“十一五”以來開始建設與西北中亞、東北俄羅斯、西南緬甸的三大陸上油氣通道，統籌國內外資源與市場，基本上形成了連通海外、覆蓋全國的油氣骨干管網。

現代管線鋼屬于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，管線鋼生產幾乎應用了冶金領域近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。因此現代管線鋼應當具有高強度、低包申格效應、高韌性和抗脆斷性、低焊接碳當量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕的能力。優化的生產策略是優化鋼的潔凈度和組織均勻性等特性。經歷幾十年的發展，目前管線鋼和管線鋼管已成為材料科學和管道工程中最富活力、最具研究成果的領域，其研究、開發和生產水平已成為一個國家冶金工業水平和裝備制造工業水平的重要標志。

一、管線鋼的生產技術

管線鋼通常指用于生產焊接大口徑輸送管的熱軋板卷。其主要的生產工藝，包括煉鋼和軋鋼工藝。制定工藝制度時，應根據管線鋼成分和性能的要求及生產廠的設備情況來確定。簡單地說，生產管線鋼必須采用爐外精煉和控軋控冷技術。其主要流程如下：

冶煉：目的是提高鋼水純凈度,使鋼水的硫、磷及一些夾雜物含量降低，其關鍵在于必須進行鐵水預處理，進行脫硫、脫磷、脫硅；轉爐冶煉時，進行頂底復吹、少渣冶煉，脫碳升溫或采用爐后鋼包底吹氬，使鋼中的夾雜上浮。

精煉：重點在于低硫工藝路線，此外，實施鈣處理或稀土處理以達到對夾雜物的變態處理，對提高橫向韌性和抗氫誘裂紋、抗腐蝕性能起關鍵性作用。

連鑄：可提高最終產品的成材率，降低生產成本，低的過熱度、緩流澆注和適宜的二次冷卻以及可實施電磁攪拌、輕壓下等新技術，能夠得到優質鑄坯，為下一步獲得優質軋材提供保證。

軋制：控制軋制與控制冷卻(TMCP)技術是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，來控制奧氏體和相變產物的組織形態，從而控制鋼材的組織性能,實現鋼的強度和韌性的最佳匹配。

二、管線鋼的組織性能

20世紀60年代以前，管線鋼的主要組織為鐵素體-珠光體。鐵素體-珠光體管線鋼經濟成本低，是第一代微合金化管線鋼,其基本成分是碳和錳，X52以及低于此強度級別的管線鋼的主要組織形態均為鐵素體-珠光體組織，通常認為，鐵素體——珠光體管線鋼具有晶粒尺寸約為7μm的多邊形鐵素體(體積分數約70%)。隨著珠光體的含量增加，鋼的強度提高，但會導致鋼的韌脆轉變溫度升高，焊接性變差。為避免珠光體對管線鋼韌性的損害，保證管線鋼良好的焊接性以及強韌性，則在降低碳和珠光體含量的同時，添加適量微合金元素，于是60 年代末則出現了以X56、X60和X65為代表的少珠光體鋼。

20世紀70年代初針狀鐵素體管線鋼投入實際工業生產，是第二代微合金化管線鋼，強度級別可覆蓋X60～X100管線鋼。廖波等采用TEM及原位TEM拉伸裂紋擴展觀察等試驗手段,研究了管線鋼針狀鐵素體組織及各組織單元對位錯運動及裂紋擴展的影響，研究發現，管線鋼針狀鐵素體組織由細小的塊狀鐵素體、非等軸狀鐵素體、板條鐵素體、M/A組元以及基體中高密度的位錯和細小的碳化物析出所構成的復合組織。

20世紀80年代，隨著高壓、大流量天然氣管線鋼的發展，貝氏體-馬氏體管線鋼應運而生，其典型鋼種為X100、X120管線鋼。X120管線鋼的典型顯微組織為下貝氏體-板條馬氏體，在馬氏體板條內的碳化物呈魏氏形態分布，板條間存在殘余奧氏體。下貝氏體和馬氏體板條內均有高密度的位錯。X120管線鋼的這種組織賦予它高的強韌性，其屈服強度大于827 MPa，-30℃時沖擊功超過230J。

隨著管線鋼的不斷發展，對管線鋼的性能要求也不斷提高。單純的控軋控冷技術已經不能滿足要求，則在此基礎上，采用淬火+回火的熱處理工藝，以獲得回火索氏體組織，從而滿足厚壁、高強度、高韌度的綜合要求。張清清等研究發現，熱處理后金屬材料的強化機制包括固溶強化、細晶強化、位錯強化和析出強化，主要受晶粒和析出相尺寸、形態等方面因素影響。微合金元素的適量加入，可顯著細化回火后的組織并提高強度，使材料具有高的強韌性。

三、管線鋼的開發應用

由于現代油氣輸送管線經常要經過地震、泥石流、凍土、沙丘、斷層等地質災害多發區，在這種環境下管道要能承受較大的位移及應變，因此一種基于應變設計的管線鋼-抗大變形管線鋼應運而生。抗大變形管線鋼一般采用低碳或超低碳，以拉伸應變和壓縮應變為設計基礎，其典型特點在于其組織主要是軟硬結合的具有較高強度、韌性及優異塑性的雙相或多相組織，一般為多邊形鐵素體+貝氏體(F+B)組織和貝氏體+M/A島狀(B+M/A)組織，該組織結構具有良好的抗彎折(壓縮應變)和抗斷裂能力(拉伸應變)。抗大變形管線鋼在滿足高強度、高韌性的前提下，同時具有較低的屈強比(≤0.85)、較高的均勻延伸率(≥10%)和形變強化指數(>0.1)，且應力-應變曲線為無屈服平臺的拱頂形(Round House)特征。上述性能，使得抗大變形管線鋼避免了因應變而引起的延性斷裂和屈服失穩導致的失效，使得其在大應變地區具有良好的應用性。

此外，油氣管線在鋪設的過程中會經過土壤、海洋等酸性環境，容易對管線鋼造成腐蝕失效。楊吉春等研究發現，鋼中加入適量的稀土Y不僅可以細化晶粒，還可以變質鋼中的有害夾雜，有利于鋼基表面形成均勻致密的內銹層，阻礙腐蝕介質進入到鋼基，從而提高鋼的抗腐蝕性能。但當Y含量過高時，鋼中夾雜物呈群聚態存在，從而使鋼基抗腐蝕性能下降。

四、結語

1)管線鋼通常指用于生產焊接大口徑輸送管的熱軋板卷。其主要的生產工藝,包括煉鋼和軋鋼工藝。目前比較成熟的軋鋼工藝有TMCP工藝、HTP工藝以及弛豫技術。

2)材料的組織和性能之間存在著密切的聯系。根據顯微組織的不同,可將管線鋼分為四類:即鐵素體-珠光體(F-P)管線鋼、針狀鐵素體(AF)管線鋼、貝氏體-馬氏體 (B-M)管線鋼和回火索氏體(S′)管線鋼，其綜合性能后者優于前者。

3)管道工程的發展與管線鋼的發展相輔相成。長距離、高強度、大口徑、高壓力油氣輸送管道是長輸油氣管道的發展方向。油氣資源運輸過程中遇到的種種挑戰要求未來管線鋼不僅需要具有更高的強韌性，還需要具有更好的塑形以及耐腐蝕性能，以適應復雜多變的環境。