超高强度X120管线钢的发展现状

1、    超高强度X120管线钢的发展现状         摘要：总结回顾了超高强度X120管线钢在世界范围的发展状况。系统整理和分析了X120级管线钢采用的合金化设计方案、各种不同的生产工艺和最优的选择，并从经济和技术的角度讨论了X120级管线钢的应用前景、目前仍存在的技术难点和需要进行更深入研究的关键问题。关键词：管线钢，X120，超高强度，韧性0 前言能源是经济发展的驱动力，石油和天然气已成为世界各国最重要的能源资源，不断提高长距离输送管线的经济性和安全性成为石油、天然气

2、以及相关行业进一步发展的关键。提高油气输送压力可以有效地提高长距离输送管线的经济性，为保障提高输送压力后管线工程的安全性，过去几十年内，高强度、高韧性且焊接性能良好的高钢级管线钢在世界范围内得到了长足的发展1-4。目前，X70、X80级管线钢已经实现了大规模的工程应用，X100、X120级超高强度管线钢也开展了广泛的试制和工艺、性能研究，并均已完成试验段的建设。采用超高强度X120管线钢替代现使用的X70、X80级管线钢建设长输管线具有显著的经济效益，未来在技术条件许可的情况下，必将成为X120管线钢启动的关键因素。1 国外超高强度X120管线钢的发展欧美发达国家对超高强度管线钢的研究起步较早

3、。1993年，美国埃克森美孚石油公司预见到了天然气区域性需求的增长并研究了低造价管线所能带来的经济效益，开始增加天然气输送管线的覆盖面，尤其是长距离输送管线，与此同时，开始致力于超高强度X120管线钢的研究开发，以期通过大幅提高管线钢的强度降低管线造价，同时利用现有技术对普遍认为不具有商业价值的长距离能源进行开发，并于1996年分别与日本新日铁和住友金属签订了X120管线钢的联合开发协议，进行了超高强度X120管线钢的合作开发，包括X120管线钢板和焊接材料的开发、直缝埋弧焊接和现场环缝焊接工艺、X120管线钢的止裂性能等多方面的深入研究5。韩国浦项也于同期开展了X120管线钢的研制工作。日本

4、新日铁、住友金属、韩国浦项和埃克森美孚石油公司于2000年前后先后申报了X120管线钢的专利6-8。2004年2月，在加拿大阿尔波特省北部的皮尔利斯湖项目中，TransCanada公司采用日本新日铁生产的外径914mm、壁厚16mm的X120钢管建设了世界上首条，也是目前唯一一条X120管线示范段。该示范段提供了获得寒冷天气使用X120管线钢管现场建设经验的机会，成功地实施了包括现场弯曲和环焊等各种现场建设作业9。2 超高强度管线钢在中国的发展我国超高强度管线钢的研发工作与西方发达国家相比滞后近20年。2005年以前，在我国还没有超高强度管线钢X100/X120的研制报道。2005年以后，随着

5、冀宁联络线X80管线钢的成功开发，武钢、鞍钢等大型钢企相继开始了X100/X120管线钢的研究开发。2006年3月和6月，鞍钢、南钢与华北石油钢管有限公司合作，分别成功开发出了813×14.3mm和813×12.5mm的X100直缝埋弧焊管10。2006年10月，宝钢在新投产的5000mm宽厚板轧机上成功试制出超高强度X120管线钢板11，其各项力学性能指标达到新日铁、住友金属等国际先进钢企所试制X120管线钢板的实物性能。2007年8月，武钢成功开发出X100板卷，填补了该领域的空白。2008年3月，太钢在2250mm热连轧生产线上成功试制出X120板卷，成为全球首家实现

6、X120管线钢卷板试生产的企业12。此外，武钢、鞍钢、南钢、舞钢等大型钢企均在开展超高强度X120管线钢的研制工作，并已取得显著进展13，14。目前尚处于设计阶段的西气东输三线主干线拟建设X100/X120级管线钢的试验段。通过钢厂和国内制管企业的密切合作，我国在超高强度管线钢的研究开发方面取得了长足的进步，大大缩小了与西方发达国家之间的差距。3 超高强度管线钢X120的成分设计、组织特征和生产工艺3.1 超高强度X120管线钢的成分设计超高强度管线钢大都以低C（超低C）-高Mn为基，结合Nb、V、Ti的微合金化作用，并根据钢的级别适量添加Cu、Ni、Cr、B等进行合金化设计。X120级管线钢

7、的成分设计基本原理如下15-17：1）C：C是钢中最经济有效的强化元素，但它同时显著恶化钢的韧性和焊接性能，因此多年来国际管线钢中的碳含量逐年降低，甚至向超低碳发展。然而，并不是碳含量越低越好。首先，降低碳含量带来的强度下降需要添加更昂贵的合金元素来弥补。此外，有研究表明，当碳含量小于0.01%时，由于间隙碳原子的减少和热循环后Nb（C，N）的沉淀析出而弱化了晶界，使热影响区晶界相对脆化。因此，X120管线钢的碳含量一般控制在0.02%-0.06%。2）Mn：Mn有显著的固溶强化作用，在一定范围内还可以提高钢的韧性、降低钢的韧脆转变温度，所以早期的管线钢以C-Mn钢为主。但是，Mn含量过大会加

8、剧控轧钢板的中心偏析，从而引起钢板和钢管力学性能的各向异性，且导致抗HIC性能的降低。因而，在超高强度管线钢中，Mn含量应保持在一个合理的高水平范围内。通常控制在1.5%-2.0%。3）Si：增加Si含量可以提高钢的强度，但是同时会显著恶化钢的韧性和焊接热影响区的韧性，因此，应尽量减小Si的含量，一般控制在0.5%以下。4）Nb：Nb可以延迟奥氏体再结晶、降低相变温度，通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来使钢获得所要求的性能。在超高强度贝氏体钢中，添加过量的Nb会促进M-A岛的生成，降低HAZ的韧性。此外，含Nb钢还存在高温延展性能明显降低的脆化温度区间（900-700），易在连铸时出现裂

9、纹。但在添加微量Ti后，脆化温度区消失。目前，在超高强度管线钢中，Ti和Nb几乎同时存在。Nb含量一般控制在0.06%、0.011%。5）V：V在钢中可以补充Nb析出强化的不足，还可以改善钢材的焊后韧性。因其有较强的沉淀强化和较弱的细晶作用，故其韧脆转变温度比加入Nb、Ti时高，在管线钢的合金设计中，一般不单独使用。6）Ti：钢中Ti的作用与Nb、V相似，在阻止奥氏体晶粒长大方面，Nb、Ti较明显，V较弱，在延迟奥氏体再结晶和轧后快冷的细晶强化方面，NbTiV，在析出强化方面，VTiNb。在超高强度管线钢中，一般仅进行微Ti处理，加入量为0.01%-0.03%。7）Mo：Mo是强碳化物形成元素

10、，在钢中加入一定量的Mo能够增加碳的扩散激活能，降低碳的活度系数，抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体和贝氏体组织的转变，并能够提高Nb（C，N）的沉淀强化效果。此外，当Si含量较高时，Mo增加可以改善钢板焊接HAZ的韧性，当Si含量很低时，也可以得到良好的HAZ韧性。在超高强度管线钢中，Mo的含量通常控制在0.1%-0.4%。8）S：S是危害管线钢性能最主要的元素之一。它严重恶化管线钢的冲击韧性、抗HIC和抗SCC性能，还导致管线钢的各向异性，所以应尽可能地降低S含量，X120级管线钢中S含量应控制在20ppm以下。9）P：P在钢中是易偏析元素，且会恶化管线钢的焊接性能，显著降低钢的低温冲击

11、韧性，提高钢的脆性转变温度，因此应严格控制管线钢中的P含量，超高强度管线钢中一般要求P含量小于120ppm。10）H：钢中H是导致白点和发裂的主要原因。管线钢中的H含量越高，HIC产生的几率就越大，腐蚀速率越高，平均裂纹长度增加越显著，因此应严格控制钢的H含量。11）B：B是利用急冷获得高强度极有效的高淬透性元素，可以显著抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，扩大贝氏体形成区域，使钢在轧后一个很宽的冷速范围内获得贝氏体组织。研究表明，含B和不含B均可以通过合适的生产工艺达到X120钢所要求的力学性能，但是含B可以显著的节约合金加入量。需要注意的是，B必须存在于沿晶界的固溶体中，防止BN和Fe23（C

12、B）6的形成。因此，B的加入量需限制在一个非常窄的范围。通常B的加入量控制在0.0010%-0.0030%。12）从经济和产品性能方面考虑，X120级管线钢中通常还会加入适量的Cu、Cr、Ni等元素，以替代Mo，提高钢的强度、淬透性和耐腐蚀性能。目前已开发成功的X120钢的典型化学成分如表1所示。 3.2 超高强度X120管线钢的生产工艺与组织特征超高强度X120管线钢的冶炼工艺与一般高钢级X70、X80管线钢相比，除对有害元素和夹杂物的要求更为严格外，没有本质上的区别，而铸坯二次加热后的控轧控冷和热处理工艺则与后者有很大不同。目前已报道多种生产工艺可以实现X120级管线钢的开发，包

13、括直接淬火+回火工艺（DQ-T）、间断式直接淬火工艺（IDQ）、淬火+热处理分割工艺、在线热处理工艺（HOP）、迟滞淬火工艺（DLQ）、两相区加工工艺（DPP）等18，采用这些生产工艺相应的可以得到不同的显微组织：贝氏体+回火马氏体、粒状贝氏体+下贝氏体+马氏体、马氏体+残余奥氏体、回火贝氏体+MA等。几种典型生产工艺的示意图如图1所示。 美国埃克森美孚石油公司与日本新日铁公司对X120管线钢的多种合金化设计和不同生产工艺进行了大量的实验研究，最终确定了间断式直接淬火工艺（IDQ）生产的低碳贝氏体钢作为X120管线钢生产的基本技术原理，这种选择是基于X120级管线钢的力学性能要求、制

14、造成本、轧机的生产能力和生产效率等多方面的综合考虑作出的19。因为X120级管线钢的相变温度很低，采用DLP和DPP工艺生产需要很长的待温时间，而采用IDQ以外的其它生产工艺则需要进行较复杂的热处理工艺，这一方面会降低生产效率，显著提高制造成本，而且还对生产设备有比较苛刻的要求。因此，近年来国内外所开发的X120级管线钢无一例外的采用ID0工艺生产，获得以下贝氏体为主体的精细组织，如图2所示。 4 超高强度X120管线钢的应用前景和目前存在的问题使用超高强度管线钢建设管线，典型的经济效益在于降低钢管壁厚，节约材料成本。但通常钢管制造的集约效应在于钢管强度、直径和壁厚的结合。当增大管线

15、传输压力以及减小管径和壁厚时，使用高强度钢管可全面受益于经济和技术两个方面。使用高强度钢不但可以制造出管径较小、中等壁厚、承压较大的钢管以降低材料成本，同时也可以降低施工和气体压缩成本20。已有研究结果表明，使一条850km的输气管线，用X120级管线钢替代X70级管线钢，不仅可以节约管线建设投资5%-15%，而且还可以降低管线总运行费用5%-15%21。因此，从经济的角度看，为最大限度降低管道建设和运营成本，超高强度X120管线钢的大规模使用将成为必然。在技术上，日本新日铁、住友金属、JFE、韩国浦项和中国宝钢等先进钢企均已成功开发出X120级管线钢，_且已有在严寒环境下建设试验段的经验，未

16、来开展大规模的工程应用是完全可行的。但是，自2004年TransCanada公司建设世界上首条X120管线钢试验段后，X120管线钢的研究开发开始止步不前，其主要原因是世界各国对X120级管线钢大规模工程应用的安全性疑虑重重。从已有的研究结果看，在一定的工况条件下，X100级管线钢能够自行止裂，但如果未来没有重大的技术突破，X120级管线钢依靠自身的韧性止裂几乎是不可能的，需要使用止裂环22。而且，现有的计算模型（巴特尔双曲线、HLP等）均被证明不能有效地预测超高强度X100、X120级管线钢的止裂能力23，24。因此，要实现超高强度X120管线钢的大规模工程应用，还需要对X120级管线钢的韧

17、性、焊接工艺、止裂能力预测模型等多方面进行更深入的研究。5 结语超高强度X120管线钢在世界范围内的发展现状可以归结为以下几点：1）超高强度X120管线钢的研究开发在世界范围内已取得显著进展。日本新日铁、住友金属、韩国浦项、中国宝钢均已实现成功开发，TransCanada公司已完成X120管线钢在寒冷条件下的试验段建设。2）X120管线钢的成分设计主要采用低C（超低C）-高Mn-Nb-Ti-Mo系的合金化设计，并适量添加Cu、Cr、Ni、B等合金化元素，以实现X120级管线钢的超高强度、高韧性和良好的焊接性能。3）采用DQ-T、DPP、DLQ、IDQ、Q-P等多种生产工艺均可以达到X120管线

18、钢所要求的性能，但综合考虑生产效率、制造成本和产品性能等多方面因素，IDQ是最有效、可行的生产方式，可以获得细小、均匀、下贝氏体为主体的精细组织和理想的力学性能。4）采用X120级管线钢建设长输管线能够大幅降低长输管线的建设和运营成本，在未来实现大规模的工程应用将成为必然。根据超高强度X120管线钢在世界范围内业已取得的成果，X120管线钢未来的实际应用在技术上是完全可行的。5）要实现X120级管线钢的大规模工程应用，还需要对X120级管线钢的强韧化机理、止裂能力、焊接工艺等多方面开展更深入的研究工作。参考文献1 郑磊，付俊岩.高等级管线钢的发展现状 J. 钢铁，2006，41（10）：1-1

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