管线钢组织及性能研究

管线钢发展趋势及组织特征09月管线钢组织及性能研究第1页

管线钢发展趋势A

管线钢经典组织特征B内容提要

管线钢生产案例分析C管线钢组织及性能研究第2页

伴随国民经济发展和环境保护要求提升，天然气需量与日俱增，预计我国天然气消费需求将达3600亿立方米。而我国天然气资源60%集中在西部地域或进口中亚和俄罗斯天然气，为确保大输量和安全输气，高压大输量长距离输送必将成为我国天然气管道输送发展趋势。高压大输量长距离输送必将成为我国天然气管道输送发展趋势。管道建设正在向高钢级、大型化（大口径、大壁厚）方向发展。国内发展动态大输气量管线钢组织及性能研究第3页更高压力----增到17MPa

更大口径----增到1422mm更大壁厚----增到30.8mm

更高钢级----X90或X100/X120

更高标准----API第45版、专业石油企业附加标准

更安全----全生命周期完整性管理技术趋势50-70年代70－90年-至今90-2000--2012管线钢主要采取A3、16Mn日本进口TS52K(相当于X52)1996年陕京管道工程：管径660mm钢级：X60压力：6.4MPa-,西气东输管道工程管径：1016mm壁厚：最大26.2钢级：X70压力：10MPa-,西气东输管道工程二线管径：1219mm壁厚：最大27.5钢级：X80压力：12MPa趋势：管径：1219-1422mm壁厚：最大30.8mm压力：17MPa钢级：X90/100油气输送钢管发展趋势管线钢组织及性能研究第4页提升钢级，从X80提升为X90/100，钢管已进行单炉或小批量试制增大输气量四个方案增大管径，从OD1219mm,增到OD1422mm，正进行产品试制提升设计系数，从0.72提升到0.8，进行了近12.5万吨批量生产提升输气压力，从12MPa增到17MPa，北美将采取输送压力超出17MPa。管线钢组织及性能研究第5页

同时，边远荒漠、高寒冻土带和海洋等极限及特殊环境区域油气田开发日益兴起，这些地域恶劣地理环境和管道服役条件，对焊管在耐腐蚀性能、耐低温、抗变形以及适应海洋服役等方面提出了特殊要求，不停挑战钢板和钢管技术极限，产品开发含有辽阔市场前景和较高附加值。所以各钢管厂为满足钢管新需求，主动主动参加到各种钢管研制过程中。特殊性能管线钢组织及性能研究第6页抗低温钢管CVN温度从-10℃降低到-40℃，DWTT从0℃降低-20℃增加特殊性能要求深海用钢管增大厚径比，提到低温韧性，提升加工几何尺寸精度大应变钢管增加均匀延伸率和纵向拉伸性能，要求较低屈强比抗腐蚀钢管提升管材抗HIC和SSCC能力，甚至采取复合钢板加工厚壁螺旋钢管X80钢级，1219螺旋钢管壁厚增加到22mm管线钢组织及性能研究第7页

抗低温钢管管线钢组织及性能研究第8页巴库-第比利斯-杰伊汉管道“耶稣鱼”管道项目抗酸钢管管线钢组织及性能研究第9页

墨西哥湾深2412m、长222kmITP管道波罗海海底管线—北溪管道深海管线用钢管管线钢组织及性能研究第10页

管线钢发展趋势A

管线钢经典组织特征B内容提要

管线钢生产案例分析C管线钢组织及性能研究第11页

铁素体多边形铁素体（PolygonalFerrite）：在很慢冷速下形成先共析F，含有规则晶粒外形；准多边形铁素体（Quasi-polygonalFerrite）：在较低温度下以块状转变（MassiveTransformation）而取得，又称块状F；块状转变特点是新相和母相成份相同，故只有含碳量很低钢在快速冷却时可发生这类相变；含有不规则晶粒外形；性能上来讲，QF显微组织含有较高强度水平和延性；另外，其内部较高位错密度和少许MA组织，还使得这类组织含有较低屈强比和高硬化速率。（抗大变形管线钢一个组织）多边形铁素体（PF）准多边形铁素体（QF）管线钢组织及性能研究第12页

粒状贝氏体20世纪50年代，Habraken等在低碳/中碳合金钢中首先发觉粒状贝氏体组织。该组织在较慢冷却速率下出现；相变特点：因为冷速较慢，碳有足够时间由α/γ相变前沿界面向γ内以较快速度扩散；防止了碳化物析出，造成残余奥氏体碳含量升高，发生奥氏体稳定化，在随即冷却过程中，富碳奥氏体或转变为马氏体，或保留至室温；组织特征：板条束铁素体/先共析铁素体基体上弥散分布有M-A小岛，因为小岛展现颗粒形态，故命名为粒状贝氏体（GranularBainite）。粒状贝氏体及EBSD图片（GB）经典X80粒状贝氏体显微组织管线钢组织及性能研究第13页

针状铁素体

针状铁素体（Acicularferrite）：低碳低合金钢冷却过程中，在较低温度下，与贝氏体相变相近区域形成（形成温度高于板条贝氏体）；其二维特征呈针状，并含有片状界面特征；针状铁素体首先在钢中预先存在缺点处（如MnS、VCN、氧化物冶金等夹杂物）形核、长大，随即不停激发新晶核；针状铁素体内位错密度较高1014m-2；管线钢组织判定中：针状F（AF）泛指含有贝氏体特征组织，即包含粒状贝氏体、板条贝氏体铁素体等。针状铁素体（AF）管线钢组织及性能研究第14页板条贝氏体对低合金管线钢，当冷却速率较快时，贝氏体呈板条状；与粒状贝氏体相比，板条贝氏体更细。BF：由相互平行且带有很高位错密度板条铁素体组成，板条界为小角度晶界；若干铁素体板条平行排列成板条束，板条束界面为大角度晶界；板条间有条状或断续点状残γ（M-A相）。EBSD分析显示：与粒状贝氏体不一样，板条贝氏体内BF板条束以大角度晶界分割，且板条贝氏体中BF要细小多。板条贝氏体（BF）管线钢组织及性能研究第15页

M-A组元低碳微合金钢连续冷却转变为贝氏体时，在形成贝氏体F过程中，碳在参加奥氏体中逐步富集。因为相变温度高，相变驱动力小，转变不彻底，少许奥氏体残留下来，以岛形式分布在板条贝氏体内，同时在大角度晶界上也常有小岛存在。对管线钢成份而言，富碳奥氏体难以保留至室温，大部分奥氏体冷却时转变为马氏体，称M-A，它反抗HIC性能有一定影响，理想状态为数量少、尺寸小，M-A为脆性相，小岛数量、大小、形态和分布对管线钢韧性寸小、均匀分布、形态应趋于球状，那些长条状、或带尖角MA对性能不利。SEM照片中M-ALepera试剂染色后M-A分布管线钢组织及性能研究第16页

Gr.B-X60显微组织L245(Gr.B)-200*L360(X52）-500*L415（X60）-500*

X60及以下级别管线钢属于铁素体-珠光体，这类钢普通以C-Mn为主，C含量普通在0.10%~0.15%，有时也加入微量Nb等元素，这类钢终冷温度控制比较高（普通在630以上，对应显微组织也比较简单，普通为铁素体+少许珠光体（如图）。这类管线钢在卷管过程中会出现包辛格效应而使屈服强度降低，其主要原因在于其基体位错密度低，晶粒相对较粗，没有加工硬化效果，软相铁素体和硬相珠光体将发生不均匀变形，将会造成管线钢屈服强度降低，所以这类管线钢普通要采取提升强度余量以确保钢管性能合格。管线钢组织及性能研究第17页

X65显微组织20mm-L450(X65)-0.25-500*26.4mm-L450(X65)-0.25-500*

X65级别管线钢基体组织属于多边形铁素体+针状铁素体+少许粒状贝氏体（如图），这类钢普通成份体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量普通在0.05%~0.07%，这类钢终冷温度普通在550-600之间。强度级别在580Mpa左右，基体组织受板厚影响，其软硬相占比有显著不一样，20mm以下规格主要以针铁+粒贝为主，与X70类似，而在大壁厚尤其是深海管线中其厚度方向组织中多变形铁素体占比较大，这也是为确保其低温韧性而设计。管线钢组织及性能研究第18页抗酸X65MS显微组织18.54mm-X65MS-0.25-500*18.54mm-X65MS-0.5-500*

抗酸X65MS管线钢基体组织属于多边形铁素体+针状铁素体+少许粒状贝氏体（如图），这类钢普通成份体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Ni设计，C含量普通在0.03%~0.05%，Mn含量普通在1.10%之内，强度级别在570Mpa左右。成份采取低C、Mn、P、S设计，以降低HIC敏感性，减轻中心偏析，如图。在大冷速作用下，以促进AF形成来确保强度及低温韧性。管线钢组织及性能研究第19页

X70显微组织17.5mm-L485(X70)-0.25-500*21mm-L485(X70)-0.25-500*

X70级别管线钢基体组织属于QF+AF+GB（如图），这类钢普通成份体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量普通在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度普通在480-550之间，强度级别在630Mpa左右。X70近年来应用在油气管道中较为普遍，如中缅线、西二线、西三线、广西LNG天然气项目、大唐煤制气项目等都有使用，该钢在25mm以下供货较多，基体组织中随厚度改变QF含量增多，晶粒度在12级以上，因为GB及针铁大量出现，在制管过程中，受到加工硬化、第二相粒子钉扎作用等作用下，包辛格效应消除，屈服强度、屈强比均会上升，所以在钢板生产时有意将屈服强度及屈强比做低。28mm-L485(X70)-0.25-500*管线钢组织及性能研究第20页抗大变形X70HD显微组织17.5mm-X70HD-0.25-500*21mm-X70HD-0.25-500*

抗大变形X70HD管线钢基体组织属于QF+少许AF+板B（如图），这类钢普通成份体系低碳+微合金Nb、Ti、Cr设计，C含量普通在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度普通在300-380之间，强度级别在670Mpa左右。与以往常规X70管线钢所不一样是，该钢需要确保各项应力比及均匀延伸率，即：

纵向Rt1.5/Rt0.5≥1.12，Rt2.0/Rt1.0≥1.05，Rt5.0/Rt1.0≥

1.09，均匀延伸率≥10%，从工艺角度出发，必须确保拉伸曲线足够拱，抗拉强度足够高，低温韧性足够好才能满足上述条件，所以在研制该钢工艺中，将入水温度设定在Ar3以下30-50℃，返红温度设定在400℃，以确保双相组织形成，即软相QF大量先析，板B在大冷速、低返红形成，从而使得各项应力比、强度等满足工艺条件。管线钢组织及性能研究第21页X80显微组织15.3mm-X80-0.25-500*22mm-X80-0.25-500*X80管线钢基体组织属于AF+GB（如图），这类钢一般成分体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr设计，C含量一般在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度一般在300-380之间，强度级别在700Mpa左右。X80是二十一世纪以后应用较为普遍高强度管线钢，这与以往低钢级管线钢不一样，其组织有质变化，在微合金Mo、Cr加入使得Ar3更低，深入扩大未再结晶区，形变诱导析出AF效果更为显著，X80主要是以粒B+MA为主，晶粒度可达到12级以上，MA出现对该钢强度提升起到较大影响。X80供货规格应用较普遍在22mm以下，在长久规划中如中俄管线、新浙粤项目等重大工程上，大口径、大壁厚X80将会使用到。管线钢组织及性能研究第22页X90-X100显微组织16.3mm-X90-0.25-500*17.8mm-X100-0.25-500*

X90-X100管线钢基体组织与X80类似，属于AF+GB（如图），这类钢普通成份体系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr设计，C含量普通在0.04%~0.06%，这类钢终冷温度普通在300-360之间，强度级别在800Mpa左右。X90-X100在国内油气管道工程中还未应用，国外也只是在20世纪80年代后在部分试验段使