淺析X80管線鋼性能特征及技術挑戰

張 純

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

近年來，隨著改革開放的逐步深入，我國經濟獲得了飛速的發展，工業生產過程中需要用到更多高性能的鋼材料。尤其是在油氣運輸中，管道是最為安全、可靠的運輸方式之一。為了進一步滿足工業生產的需要，就要不斷提升油氣運輸的能力，因此，能夠適應油氣管道性能要求的高強度管線鋼得到了更加深入的研究和應用。其中，X80管線鋼是當前應用最為廣泛的高強度鋼材料之一，其主要是通過合金化工藝生產得來，通過近些年的研究發現，在材料中添加少量合金元素后，可以進一步提高鋼材的強度與韌性，從而可以充分滿足管道運輸的需要。

1 X80管線鋼的性能特征

提高鋼材料的強度，不僅能夠提高管道的操作壓力進而擴大運輸量，還能降低管道厚度，有效控制生產成本，這必然推動了高強管線鋼的持續研發與生產。下面對X80管線鋼的性能特征展開論述。

1.1 冶金技術

（1）合金化處理。實踐表明，X80管線鋼有著高度細化晶粒、高清潔度的特征，組成成分中的硫含量比較低，氧化物等有害物質含量也比較少，包含極少量的碳以及鈮、釩等元素。經過合金化處理，可以利用固溶、沉積硬化等作用有效的增強金屬性能，同時其中的合金成分會根據不同的產品而隨之發生變化，以滿足特定生產情況下對不同性能的要求。

（2）加工工藝。目前，對其的研究主要是集中在以下兩個方面：一是，顯微結構控制；二是，不同形態沉積相的析出等，最終目的是進一步增強材料的強度與韌性等。

上世紀中期，熱機處理技術得到了快速的發展和應用，并逐漸應用在高強鋼的加工方面。實踐證明，該技術不僅在成本方面較低，有著極高的經濟價值，還能夠實現較為精準的組織控制，進而改善材料的延展性能。此外，加速冷卻的使用，可以提高材料的韌性以及強度等，從而充分滿足在生產設計方面的特定要求。到了上世紀末段，隨著相關技術的發展與完善，熱機處理技術得到了更深層次的優化、升級，可以通過沉積硬化，減少可擴散的游離碳含量，從而有效地平衡了高強度與高韌性。總之，在生產實踐中，通過對熱機處理技術的靈活運用，既可以通過相變等獲得高強度，也可以通過微觀結構的控制獲得高韌性，進而實現了兩種性能的有機結合。

1.2 冶金特征

一般來說，金屬的微觀結構在很大程度上決定了其最終的性能，對于X80管線鋼來說，不同的組成成分以及不同的生產工藝會產生多種不同的微觀組合。下面我們就其中三種主要的微觀結構及其特征展開論述：

（1）貝氏體單相。該結構是在溫度高于一定閾值時，迅速降溫冷卻而得到的。這一結構的實現，需要對其組成成分進行極為精確的控制。在軋制、冷卻階段，通過生成低角度晶界的微觀結構，可以實現同時提高材料強度與韌性的目的。近年來的實踐表明，該結構可確保在低至零下40度條件下具有較為理想的性能。

（2）貝氏體-鐵素體雙相。該結構也是在溫度低于某一閾值時，迅速降溫冷卻而得到。一般情況下，對其性能造成影響的因素有：鐵素體、貝氏體的形態、尺寸，以及具體的分布情況等。其中，鐵素體主要是用來減輕晶界的脆性，進而避免裂紋的進一步外擴。而且，還可以為材料提供高應變所需的變形特性。相比于其他鋼材料，該種結構還有著基于應變需要的特征，比如，延展性受粒度、分布控制，沒有可見的屈服點，應變硬化行為突出。

（3）下貝氏體-板條馬氏體。在溫度高于某一閾值時，迅速降溫冷卻，并在中溫時保持直至降到室溫而獲得，一般具有高度變形以及細化的特征，可以獲得較高的強度與韌性。此外，若是以下貝氏體為主，則具有較為理想的沖擊韌性，同時，通過二次強化作用，可以獲得更高的韌性。

1.3 焊接工藝

目前，主要應用的是以下兩種工藝：①熔化極氣體保護下向自動焊根焊、填充及蓋面，該工藝在實踐中得到了較為廣泛的應用，表現出了較高的效率，且勞動強度較低、操作穩定性強，更多的使用在流水作業過程中。②纖維素型焊條下向電弧焊根焊、填充蓋面，該工藝的應用也是非常廣泛的，表現出了操作方便、成型好、效率高等特征，不足之處在于環焊縫沖擊韌性離散型較大，在特定條件下的作業難度隨之增加。

在具體的焊接操作中，對焊接質量構成影響的因素主要有：①焊接熱輸入。其主要是對焊縫冷卻速率以及性能構成一定程度的影響。在其他相關因素不變的情況下，沖擊韌性是隨著線能量的上升而降低的，且大線能量下，有著較為明顯的分散性，熱輸入速率的進一步增大會擴大焊縫的尺寸。②二次加熱作用。其主要是對材料的強度和韌性造成影響，使得焊接熱影響區發生某種程度的脆化。在進行單道焊時，熱影響區晶粒較母材更粗大，在韌性方面有所下降，在相應的作用下會使得晶粒隨之變大。③預熱溫度。其主要是對最終的焊接質量造成影響。有研究者對此展開研究，結果表明：在預熱溫度上升時，臨界斷裂應力有著一定程度的提升，抗開裂敏感性能力隨之變強；當其達到150℃時，冷裂紋敏感性變小，斷口形貌表現為韌窩狀；在冷卻速率增大時，顯微硬度有著一定程度的提升，而斷裂韌性則是從高到低，接著再從低到高，當冷卻速率達到某一特定值時，可獲得較為理想的斷裂韌性；如果接著提升冷卻速率，斷裂韌性會迅速的下降。

2 X80管線鋼的技術挑戰

目前來說，X80管線鋼的失效類型主要有腐蝕、氫致開裂、應變失效、焊縫區失效等，下面我們對此一一展開研究，進而探討發展X80管線鋼的技術挑戰。

（1）腐蝕。一般來說，腐蝕是造成材料損傷的重要因素，對于油氣管道來說更是如此。近年來的研究表明，在除氧條件下，X80管線鋼處在活性溶解狀態。陽極極化，會造成產物膜的破壞，使得腐蝕作用不斷加劇。陰極極化，在相應反應過程中形成的氫原子會進入到材料的內部。而隨著氫原子的不斷積累，材料的電化學活性必然隨之提高。在特定作用下，材料的腐蝕會進一步加劇，可以說，氫、壓力的共同作用，會在一定程度上加劇材料的腐蝕，降低其總體性能。

（2）氫致開裂。研究表明，在鋼強度級別增加時，氫致開裂的敏感性是隨之上升的。這是管線鋼在實際應用中必須優先解決的一個問題。在生產實踐中，氫的形成是非常容易的，既可以由無處不在的腐蝕作用形成，也可以由焊接操作形成，此外，當管線工作的環境具有一定數量的硫酸鹽還原菌時，也將形成大量的氫，并逐漸積累，最終對鋼材的正常運行構成影響。

（3）應變失效。鋼材在生產、加工以及應用過程中，會面臨著應變失效的問題。近年來的研究指出：該作用會使得鋼材料發生脆化，隨著失效溫度的上升，材料的強度、硬度隨之增大，而塑性則是隨之降低。有研究發現，在應變失效出現后，腐蝕活性會變大，特別是開裂敏感性增加，斷口表現出較為明顯的脆斷特征。因此，這一作用不僅會造成鋼材料韌性的下降，還會影響到材料的抗腐蝕性能。

（4）焊縫區失效。在實踐中不難發現，焊縫區有著大量的雜質、微裂紋等，在這里可以很容易的積累大量的氫。一般可分為強氫陷阱與弱氫陷阱。目前的研究表明，前者的穩定性比較好，而后者在受熱條件下，存在氫釋放的現象。

有學者對此進行了較為深入的研究，在進行多層多道焊時，前一焊道會受到后續的熱循環影響，其中的氫會產生熱釋放，且弱氫陷阱中的氫，是在熱循環升溫段就基本完成了釋放，而強氫陷阱，則是在整個操作過程中只有很少的氫被釋放，加熱速度的提高會使得氫釋放率有所降低，且冷卻段釋放的氫會在很大程度上增加氫致開裂的風險。

3 結語

總的來說，隨著經濟社會的發展，對各類高性能鋼材料的需求不斷增加，其中，X80管線鋼是當前應用最為廣泛的高強度管線鋼之一，通過合金化、熱機處理后，能夠獲得較好的強度、韌性，進而能夠充分的滿足大管徑、高壓力環境下的生產要求。因此，本文對X80管線鋼的性能特征及技術挑戰進行了研究，希望為我國鋼材料技術的未來發展提供一定借鑒。研究發現，腐蝕、氫致開裂、應變失效、焊縫區失效等是造成鋼材料失效的重要因素，在未來需要進一步加強相關領域的研究，并提出針對性的解決辦法，以在總體上提高鋼材料的性能，從而為我國經濟的持續穩定發展提供重要保障。