管線鋼的化學(xué)成分和性能分析

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1、管道運(yùn)輸石油和天然氣是最經(jīng)濟(jì)、最方便、最主要的運(yùn)輸方式之一，隨著國內(nèi)石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展，油氣管道建設(shè)取得了長足的進(jìn)步?！拔鳉鈻|輸”工程西起新疆輪南，東至上海，全長4000km，設(shè)計(jì)輸氣壓力10MPa，管徑最大1016mm，在國內(nèi)管道發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義?！拔鳉鈻|輸”工程極大地推動(dòng)了我國管線鋼的發(fā)展，為管線鋼的發(fā)展創(chuàng)造了契機(jī)。目前，我國寶鋼、武鋼和太鋼等企業(yè)生產(chǎn)X70級(jí)以下管線鋼的工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，并已形成一定的生產(chǎn)批量，X80級(jí)以上管線鋼也在研發(fā)過程中。為保障管線的安全可靠性，在提高管線鋼強(qiáng)度的同時(shí)，還要相應(yīng)提高其韌性。管線鋼在成分設(shè)計(jì)上，大體上都是低碳、超低碳的Mn-Nb-V（Ti）

2、系，有的還加入Mo、Ni、Cu等元素。現(xiàn)代冶金技術(shù)可以使鋼有極高的純凈度、高的均勻性和超細(xì)化晶粒，從而為管線鋼的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1管線鋼的力學(xué)性能和工藝性能1.1強(qiáng)度和韌性由于輸氣管道輸送壓力的不斷提高，管線鋼的強(qiáng)度也由最初的295～360MPa（相當(dāng)于API標(biāo)準(zhǔn)的X42～X52級(jí)管線鋼）提高到526～703MPa（相當(dāng)于X80～X100級(jí)管線鋼）。西氣東輸管線對(duì)鋼材的性能要求見表1［1］。高強(qiáng)度管線鋼的屈強(qiáng)比也是管線鋼中的一個(gè)重要指標(biāo)。屈強(qiáng)比表示材料的塑性變形能力，即材料從屈服到最后斷裂過程中材料的強(qiáng)度和變形能力，屈強(qiáng)比越低，鋼管從產(chǎn)生始塑性變形起到最后斷裂的形變?nèi)萘吭酱?。隨著輸送壓力的增高

3、，就需要使用更高強(qiáng)度的鋼管，而高強(qiáng)度鋼管的屈強(qiáng)都比較高。在很多管線鋼管的技術(shù)規(guī)范中都對(duì)材料的屈強(qiáng)比做了限制，大部分技術(shù)要求都把屈強(qiáng)比限制在不大于0.90。包辛格效應(yīng)（BauchingerEffect）是管線鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮的問題。實(shí)踐證明，制成管后總體的包辛格效應(yīng)表現(xiàn)為鋼管的抗拉屈服極限下降，其下降值與鋼管的鋼材等級(jí)、軋制工藝、化學(xué)成分、金相組織、制管工藝和制樣方法等諸多因素有關(guān)，難以準(zhǔn)確估計(jì)更無法計(jì)算。所以，鋼卷或鋼板的屈服極限必須略大于API5L規(guī)定的相應(yīng)鋼號(hào)的鋼管的屈服值［2］。隨著高寒地帶油氣田的開發(fā)，對(duì)輸送管的低溫韌性要求日益增高。韌性是管線鋼的重要性能之一，它包括沖擊韌性和斷

4、裂韌性等。由于韌性的提高受到強(qiáng)度的制約，因此管線鋼的生產(chǎn)常采用晶粒細(xì)化的強(qiáng)韌化手段，既可以提高強(qiáng)度又能提高韌性。另外，鋼中雜質(zhì)元素和夾雜物對(duì)管線鋼的韌性具有嚴(yán)重的危害性，因此降低鋼中有害元素含量并進(jìn)行夾雜物變性處理是提高韌性的有效手段。目前，日本、德國、加拿大、美國等國家管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，其X80～X100高性能管線鋼在－10℃時(shí)的夏比V型缺口沖擊功可達(dá)400J以上。1.2焊接性能鋼材良好的焊接性對(duì)保證管道的整體性和野外焊接質(zhì)量至關(guān)重要。下頁圖1是反映了鋼的碳含量、碳當(dāng)量和焊接性關(guān)系的Graville圖。近代管線鋼的發(fā)展最顯著的特征之一就是不斷降低鋼中的C含量，隨著C含量的降

5、低，鋼的焊接性得到明顯的改善。從圖1可以看到管線鋼C含量變化的發(fā)展軌跡。鋼的化學(xué)成分對(duì)高強(qiáng)度鋼的焊接性有直接的重大影響，提高焊接性能的有效措施是降低C、P、S含量和選擇適當(dāng)?shù)暮辖鹪?。其次，適當(dāng)控制Ti、Al等的氮化物和Ti的氧化物，對(duì)降低淬硬性和防止冷裂紋及提高韌性也有好處，加Ca、Re等對(duì)防止裂紋和層狀撕裂及提高韌性也有效果。1.3抗氫致裂紋（HIC）和應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）在輸送富含H2S氣體的管線里，易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而從陰極析出氫原子，氫原子在H2S的催化下進(jìn)入鋼中導(dǎo)致管線鋼出現(xiàn)兩種類型的開裂，即氫致裂紋（HIC）和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。氫致裂紋是因腐蝕生成的氫原子進(jìn)入鋼后，富

6、集在MnS/α-Fe的界面上，并沿著碳、錳和磷偏析的異常組織擴(kuò)展或沿著帶狀珠光體和鐵素體間的相界擴(kuò)展，而當(dāng)氫原子一旦結(jié)合成氫分子，其產(chǎn)生的氫壓可達(dá)300MPa左右，于是在鋼中產(chǎn)生平行于軋制面、沿軋制向的裂紋。硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂是在H2S和CO2腐蝕介質(zhì)、土壤和地下水中，碳酸、硝酸、氯、硫酸離子等作用下腐蝕生成的氫原子經(jīng)鋼表面進(jìn)入鋼內(nèi)后，向具有較高三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域富集，促使鋼材脆化并沿垂直于拉伸力方向擴(kuò)展而開裂。應(yīng)力腐蝕斷裂事先沒有明顯征兆，易造成突發(fā)性災(zāi)難事故。國外對(duì)管線鋼的抗SCC和HIC進(jìn)行了深入的研究，并就產(chǎn)生HIC的三個(gè)條件即氫侵入、氫產(chǎn)生、氫擴(kuò)展，采取了相應(yīng)的防止措施，即鋼中加

7、入Cu、Cr和Ni等合金元素防止氫侵入，并穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)物；降低鋼中硫和氧的含量，加入鈣和稀土，減少夾雜物數(shù)量和尺寸等措施。2合金元素的作用及成分控制管線鋼的成分控制是為了滿足管線鋼高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能及抗HIC性能的要求，表2列出了國際通用埋弧焊管用鋼和西氣東輸用鋼材的化學(xué)成分交貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2.1碳的控制碳是強(qiáng)化結(jié)構(gòu)鋼最有效的元素，然而碳對(duì)韌性、塑性、焊接性等有不利的影響，降低碳含量可以改