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1、管线钢生产技术、现状 和发展趋势,陈军利 2007年6月,内 容,国内管线发展状况及未来需求预测 管线钢发展历史 管线钢分类和技术要求 管线钢生产技术 国内管线钢生产现状 管线钢未来发展趋势,国内管线发展状况及未来需求预测,1.国内发展现状管线钢主要用于加工制造油气管线。油气管网是连接资源区和市场区的最便捷、最安全的通道，它的快速建设不仅将缓解我国铁路运输的压力，而且有利于保障油气市场的安全供应，有利于提高我国的能源安全保障程度和能力。同石油一样，我国也将从境外的俄罗斯、中亚国家进口天然气，并通过东南沿海港口进口液化天然气（LNG）。为了把这些天然气输送到主要的消费区域，建设输送管线是必不可少
2、的。目前“西气东输”项目已经建成，今后还将建设的主要管线有陕京二期、中俄天然气管线（东线、西线）、以及中亚或俄罗斯至上海天然气管线，最终与“西气东输”管线形成“两横、两纵”的天然气干线。,国内管线发展状况及未来需求预测,2.未来需求预测 目前，原油、天然气管网已经具有相当规模，成品油输送管道相对较少，目前仅占全部输送量的40，将来计划修建3万km，管径在500mm左右，壁厚在10mm以下，以X65为主。未来10年，我国将建设5万km的油气管道，平均每年需要铺设近5000km，每年天然气管道需要钢材近400万t。,国内管线钢发展状况及未来需求预测,2.未来需求预测随着管道输送压力的不断提高，油气
3、输送钢管也相应迅速向高钢级方向发展。在国际发达国家，20世纪60年代一般采用X52钢级，70年代普遍采用X60X65钢级，近年来以X70为主，而国内城市管网以X52、X65为主。目前国内主干线输气管最大压力为10MPa，最大直径能够达到10161219mm，以X65、X70应用为主，X80也有应用，但用量不多。随着国内输气管的延长和要求压力的提高，X70、X80将成为主流管线钢。,管线钢的发展历史,1. 国外管线钢的发展历史 60年代以前、采用C、Mn、Si 型的普通碳素钢, 在冶金上侧重于性能, 对化学成分没有严格的规定。 自20 世纪60 年代开始, 随着输油、气管道输送压力和管径的增大,
4、 开始采用低合金高强钢(HSLA) , 主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分: C0.20%, 合金元素3%5%。 随着管线钢的进一步发展, 到20 世纪60 年代末70 年代初, 美国石油组织在API 5LX 和API 5LS 标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65 系列。这种钢突破了传统钢的观念, 碳,管线钢发展历史,含量为0.10%0.14%, 在钢中加入0.20%的Nb、V、Ti 等合金元素, 并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。 到1973 年和1985 年, API 标准又相继增加了X70 和X80 钢, 而后又开发了X100 管线钢, 碳含量降到0.01%0.
5、05%, 碳当量相应地降到0.37 以下, 开发出真正现代意义上的多元微合金化控轧控冷管线钢。 近期又开发出X120和抗HIC和硫化氢等高钢级管线钢。,管线钢发展历史,2.国内管线钢发展历史 我国管线钢的应用和起步较晚, “六五”以前铺设的油、气管线大部分采用Q235 和16Mn 钢。 “六五”期间, 我国开始按照API 标准研制X60、X65 管线钢,并成功地与进口钢管一起用于管线铺设。 20 世纪90 年代初宝钢、武钢相继开发了X70 管线钢, 并在涩宁兰管道工程上应用。 21 世纪初宝钢、武钢、鞍钢等又开发了高钢级X80 管线钢, 并在西气东输工程上应用。 目前他们已经开发X100 等更
6、高级管线钢，而且宝钢已成功开发出世界上最高强度的管线钢，并在今年又与梅钢联合成功轧制了X56抗硫化氢管线钢。,管线钢分类及技术要求,1.管线钢定义制造石油、天然气集输和长输管或煤炭、建材浆体输送管等用的中厚板和带卷称为管线用钢（steelforpipeline）。一般采用中厚板制成厚壁直缝焊管，而板卷用于生产直缝电阻焊管或埋弧螺旋焊管。,管线钢分类及技术要求,2.管线钢分类 按照强度级别可分为X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80、X100、X120等。 按照输送介质可分为成品油、原油、甜性天然气、酸性天然气和水煤浆输送用管线钢，其中要求最高的为酸性天然气管线用钢。,管
7、线钢分类及技术要求,3.技术要求现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢，是高技术含量和高附加值的产品，管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的一切工艺技术新成就。目前管线工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高寒和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。因此现代管线钢应当具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量和良好焊接性、,管线钢分类及技术要求,3.技术要求以及抗HIC和抗H2S腐蚀。优化的生产策略是提高钢的洁净度和组织均匀性，C009、S0005、P001、O0002，并采取微合金化，真空脱气CaSi、连铸过程的轻压下，多阶段的热机械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。目前国内外管
8、线规范中没有管线用钢材的韧性指标，仅对管材有具体要求：,管线钢分类及技术要求,3.技术要求 （1）最低使用温度下（5）DWTT85SA； （2）最低使用温度下（5）夏比冲击吸收功145J。 当前管线钢的技术条件普遍采用美国石油协会标准APISpec5L，但是国内具体工程或具体用户的订货技术条件往往较API标准严格得多。,高钢级管线钢生产技术,1.高钢级管线钢典型成分及性能要求高钢级管线钢一般是以低碳锰钢为基础，通过添加Nb、Mo、Ti、V等微合金元素进行细晶强化，对于抗硫化氢腐蚀的管线钢还需添加Cu、Cr、Ni等微合金元素，以提高钢的耐腐蚀性。由于不同厂家生产管线钢的冶金原理和工艺设备不尽相同
9、，因此各厂生产的管线钢的成分也不完全相同。典型的成分和性能要求如下：,高钢级管线钢生产技术,1.高钢级管线钢典型成分及性能要求 典型成分X65管线钢典型成分,高钢级管线钢生产技术,X70管线钢典型成分,高钢级管线钢生产技术,X80管线钢典型成分,高钢级管线钢生产技术,X100管线钢典型成分,高钢级管线钢生产技术,高钢级管线性能要求,高钢级管线钢生产技术,2. 管线钢中各元素的作用和控制 碳碳是增加钢的强度的有效元素, 但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响。同时, 极地管线和海洋管线对低温韧性、断裂抗力以及延性和成形性的需要, 要求更低的含碳量, 图1 表明了不同等级的管线钢的含碳水平。微合
10、金化和控轧控冷等技术的发展, 使管线钢在含碳量降低的同时保持高的强韧性。目前在综合考虑管线钢抗HIC 性能、野外可焊性和晶界脆化时, 最佳碳含量应控制在0.01 %0. 05 %之间。,高钢级管线钢生产技术,图1 管线钢含碳量与屈服强度之间的关系,高钢级管线钢生产技术,锰锰不仅有固溶强化作用，可弥补管线钢因含碳量降低而损失的屈服强度。还能降低钢的- 的相变温度,而使晶粒细化 并改变相变后的微观组织。据资料介绍，添加1.02.0Mn， - 相变温度降低50, 可细化铁素体晶粒并保持多边形; 当添加1.5%2.0%Mn 时, 可获得针状铁素体组织。但Mn 含量过大会加速控轧钢板的中心偏析, 从而引
11、起钢板和钢管力学性能的各向异性, 锰的这种固溶强化、细晶强化和相变强化对管线钢屈服强度和抗拉强度的综合效果如图2所示。锰在提高强度的同时, 还可以提高钢的韧性, 降低钢的韧脆转变温度。,高钢级管线钢生产技术,图2. 锰含量对管线强度的影响,高钢级管线钢生产技术,另外, 锰含量对于管线钢抗HIC 性能也有影响如图3所示。主要分为三种情况:(1) 含C 0.05 %0.15 %的热轧管线钢, 当Mn 为1. 0 %时, HIC 敏感性会突然增加;(2) 对于经过淬火和回火的管线钢, 当Mn 达到1.6 %时, Mn 对钢的抗HIC 能力没有明显影响;(3) 在偏析区, C 低于0. 02 %时,
12、由于钢硬度降到低于300 Hv , 此时即使钢中锰含量超过2.10% , 仍具有良好的抗H IC 能力。根据管线钢钢板厚度和强度的不同要求, 钢中锰的添加范围一般为1.1 %2.0 %。,高钢级管线钢生产技术,图3.Mn/C对管线钢韧脆转变温度的影响,高钢级管线钢生产技术,硫硫是管线钢中影响抗HIC 能力和抗SSC 能力的主要元素。硫含量与裂纹敏感率如图4 所示。当钢中S 5010- 6,随着硫含量的增加, 裂纹敏感率显著增加;当钢中S 2010- 6 时, HIC 明显降低。值得注意的是硫易与锰结合生成MnS 夹杂物, 当MnS 夹杂变成粒状夹杂物时, 随着钢强度的增加, 单纯降低硫含量不能
13、防止HIC。如X65 管线钢, 当硫含量降到20 10 - 6 时, 其裂纹长度比仍高达30 %以上。硫还影响管线钢的低温冲击韧性, 从图5可以看出硫含量升高冲击韧性值急剧下降。因此在降低硫含量的同时必须对硫化物夹杂进行变形处理，才能降低其危害。一般控制硫含量在0.005以下。,高钢级管线钢生产技术,图4 硫含量对管线钢裂纹敏感性的影响,高钢级管线钢生产技术,图5 -20横向冲击韧性与硫含量的关系,高钢级管线钢生产技术,磷磷在钢中是一种易偏析元素, 偏析区的淬硬性约是碳的2 倍。除此之外磷还会恶化管线钢的焊接性能, 显著降低钢的低温冲击韧性, 提高钢的脆性转变温度, 使钢管发生冷脆。对于高质量
14、的管线钢应严格控制钢中的磷含量越低越好。通常采用铁水预处理去除鳞。,高钢级管线钢生产技术,氢和氮钢中氢是导致白点和发裂的主要原因, 管线钢中的氢含量越高, HIC 产生的几率越大, 腐蚀率越高,平均裂纹长度增加越显著。图6是氢的质量分数与平均裂纹长度的关系。经真空处理后, 钢中氢已可稳定控制在0.0002 %以下。氮将导致钢的时效性、降低钢的冷加工性能并造成焊接热影响区脆化，但当钢中存在钒、铝、钛、铌等元素时与氮形成稳定的氮化物，提高钢的强度。因此应将钢中的氢和氮含量控制在最低水平。,高钢级管线钢生产技术,图6 可扩散的氢含量与平均裂纹长度之间的关系,高钢级管线钢生产技术,夹杂物的控制钢中的夹
15、杂物主要由氧化物夹杂和硫化物夹杂组成，另外含有少量的氮化物夹杂。大多数情况下，HIC都起源于夹杂物。钢中的塑性夹杂和脆性夹杂是产生HIC的主要根源。分析表明HIC端口表面有延伸的MnS和Al2O3点链状夹杂，而SSC的形成与HIC的形成密切相关，因此为了提高钢的抗SSC和HIC能力，必须尽量减少钢中的夹杂，精确控制夹杂物的形态。钙处理可以很好地控制钢中夹杂物的形态，从而改善管线钢的抗SSC和HIC的能力，但必须保证适当的CaS和CaAl。,高钢级管线钢生产技术,微合金元素管线钢的微合金元素主要是指Nb、V、Ti等强氮化物形成元素，其作用之一是在轧制过程中阻止奥氏体晶粒的长大。在控轧再热过程中,
16、 未溶微合金碳、氮化物将通过质点钉扎晶界的机制而明显阻止奥氏体晶粒的粗化过程。其中Nb、Ti 抑制晶粒长大的作用较强, V 的作用较弱。另一个作用是在轧制钢板时延迟的再结晶。Nb具有显著的晶粒细化作用和中等的沉淀强化作用，在增加强度的同时还降低韧脆转变温度。钢中加Ti可以在焊接峰值温度下能通过生成稳定的氮化物，从而有效控制晶粒长大。V具有较高的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用，因而其韧脆转变温度比含Nb、含Ti的钢都高，一般在管线钢成分设计时都不单独使用V。,高钢级管线钢生产技术,微合金元素另外，根据钢的性能要求，还通常添加Mo、Cu、Ni、Cr等微合金元素对钢进行微合金化。钼是扩大相区、推迟-
17、相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素,添加Mo 可以增强Mn 的效果, 对控制相变组织起重要作用, 可通过组织相变强化进一步提高钢的强度。在钢中加入适量Cu，可以显著改善管线钢抗HIC的能力，随着铜含量的增加，可以更有效地防止氢原子渗入钢中，平均裂纹长度明显减少，当铜含量超过0.2，能在钢表面形成致密的保护层，HIC会显著降低，钢板的平均腐蚀率明显下降，平均裂纹长度几乎接近于零。但是，对于耐CO2腐蚀的管线钢，添加铜会增加腐蚀速度，当钢中不添加铬时，添加0.5Cu会使腐蚀速度提高2倍，而添加0.5Cr以后，铜小于0.2时，腐蚀速度基本不受影响，当铜达到0.5时，腐蚀速度明显加快。,
