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高级别管线钢概述

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高级别管线钢概述

  

高级别管线钢概述

  高级别管线钢概述 管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口经焊接钢管用热轧卷板或宽厚 板。管线钢在使用过程中,除要求具有较高的耐压强度外,还要求具有较高的低 温韧性和优良的焊接性能。随着石油、天然气消费量的增长,其输送的重要性显 越发突出,尤其是长距离输送。而提高输送效率,提高输送的经济效益就要通过 加大输送管道口径,提高输送压力来解决。从而提高了对高级别、高性能管线、国内发展概况 我国管线钢的起步较晚, 国内生产符合 API5L 标准的管线工程设计要求的管 线 级管线钢已在国际市场上占有一定的地位, 目前国内已投入生产的 X80 级管线钢质量也达到了国际先进水平,X100 级管线 钢已经研制出来。 随着国内冶金技术装备水平的提高,我国能生产管线钢板卷的 企业逐渐增多,但是能够生产 X70 及以上级别的钢厂仅有宝钢、武钢、鞍钢、舞 钢、等。近两年来,许多钢铁厂加大了对高级别管线钢的研究开发,宝钢已研发 出 X120 级别的管线 世纪是我国输气管建设的高峰时期。“西气东输”管线采用大口径、高 压输送管的方法,这条管线mm, 采用的钢级为 X70、厚度 4.6mm,-20℃的横向冲击功≥120J。从西气东输工程钢 材与钢板的国产化率统计看(表 1.1)[1],此项目 X70 钢材与钢管的总国产化率 并不高, 说明我国迫切需要加速高钢级管线钢宽厚板生产能力的建设。从总体上 来看, 我国 X80 级别以上高级别管线钢与国际上还有很大的差距,同级别管线钢 的开发与应用整整比发达国家晚了近 30 年。 表 1.1 西气东输工程钢材与钢板的国产化率统计 钢管/钢板 直缝埋弧管 进口 钢管(万吨) 82.29 钢板(万吨) 12.8 国产 14.32 2.0 国产化率 14.82 1.80 螺旋缝埋弧焊管 进口 0 16 国产 60.7 54.4 国产化率% 100 77.27 总采购量 (万吨) 157 85.2 总国产化 率% 47.9 33.67 2、国外发展概况 国外高级别管线钢呈现强劲的发展趋势, 20 世纪 70 年代初期 X65 管线钢 从 开始投入使用,80 年代 X70 级管线钢逐渐被引入工程建设,1985 年 API 标准中 增加了 X80 钢级,随后 X80 开始部分在一些管线工程中使用,并很快就投入到 X100 和 X120 管线钢的开发试制工作。有关 X100 最早的研究报告发表于 1988 年 [2] ,通过大量工作已形成很好的技术体系。表 2.1 为报道的部分 X100 管线钢的 成分,相对应的力学性能列于表 2.2。其成分特点是低碳、高锰,铌的质量分数 为 0.040%~0.06%,钛含量0.02%以及含有钼、镍等元素。 表 2.1 部分 X100 管线钢的化学成分(%) 序号 C Si Mn Nb Ti 其他元素 Ceq ( Ⅱ W) 1 2 3 4 5 0.06 0.07 0.06 0.07 0.08 0.22 0.10 0.30 0.30 0.35 1.96 1.83 1.80 1.9 1.9 0.04 含 0.06 0.05 0.05 0.01 含 0.015 0.018 0.018 Cu、Ni、Mo Cu、Ni、Cr、Mo、V Cu、Ni、Mo、V Cu、Ni、Mo Ni、Mo 0.46 0.46 0.46 0.48 0.19 0.20 0.19 0.20 0.19 新日铁 住友 川崎 欧洲 钢管 Pcm 厂家 表 2.2 与表 2.1 对应序号成分的 X100 管线钢的力学性能 序 号 1 焊管尺寸 mm(外 径× 壁厚) 762× 14.3 694 794 0.87 21 Rt0.5/Mpa Rm 屈强比 A/% Akv/J 落锤撕裂实验断口剪 切面积的比例% 242 (-10℃) 100(-10℃) 205 (-40℃) 100(-20℃) 1321× 22.9 719 803 0.90 24 250 (-10℃) 93(0℃) 222 (-30℃) 82(-20℃) 2 3 914× 19.1 914× 15 762× 20 4 5 1422× 19.1 914× 16 803 727 770 737 750 863 852 917 820 816 0.93 0.85 0.84 0.92 0.92 18 18 185 (-45℃) 97(-10℃) 256(0℃) 280(0℃) 100(0℃) 270(0℃) 96(0℃) 93(0℃) 85(-20℃) 85(-50℃) 欧洲钢 管 住友 川崎 新日铁 厂家 欧洲钢管自 1995 年开始进行 X100 的开发试制,通过试验认为采用表 2.1 的成分通过 TMCP 工艺可得到强度、韧性和焊接性较好配合的 X100 管线 年已生产了数百吨壁厚在 12.7~25.4 mm 的 X100 到 管线 月,TransCanada 用 JFE/NKK 提供的口径 1219 mm、壁厚 14.3 mm 的 X100 钢管在加拿大 WESTPATH 项目中铺设了 1 km 长的试验段,进行了世界 上首次 X100 的应用试验。通过现场焊接试验,认为只要采取适当的措施,X100 现场焊接的焊缝强度和韧性可以获得满意的结果。 表 2.3 X120 的目标性能 项目 拉伸强度(环向)/Mpa 管材母体 屈服强度≥827 抗拉强度≥931 焊缝及热影响区 抗拉强度≥931 - -30℃Akv/J -20℃裂纹尖端张开移位/mm 夏比 V 形缺口冲击实验的转变温度/℃ -20℃落锤撕裂实验断口剪切面积的比例/% ≥231 ≥0.14 ≤-50 ≥75 ≥0.08 - 1993 年埃克森美浮公司开始 X120 超高强度管线 年分别与日本新日铁和住友金属签订了 X120 管线 管线,要求在满足高强度的同时还需具有-30℃大于 231 J 的高止裂韧性。新日铁开发的 X120 管线钢的母材和焊缝基本成分分别见表 2.4 和 2.5[6]。 表 2.4 新日铁开发的 X120 管线钢母材的基本成分(wt%) C 0.041 0.036 Mn 1.93 1.96 Ti 0.020 0.017 Nb 含 含 Mo 0.032 0.034 B 0.0012 0.0012 其他元素 Cu、Ni、Cr Cu、Ni、Cr Pcm 0.21 0.21 表 2.5 新日铁开发的 X120 管线钢焊缝的基本成分(wt%) 位置 外焊缝 内焊缝 C 0.05 0.05 Si 0.23 0.18 Mn 1.63 01.69 Ni 2.2 2.6 Mo 0.92 0.98 Cr 1.0 1.1 Pcm 0.31 0.32 3、高级别管线钢生产工艺上关键问题 高级别管线钢生产朝着超纯净度、超细晶粒、焊接无裂纹、高抗腐蚀等方向 发展,这对高级别管线钢的冶炼、轧制和焊接等工艺过程提出了更高的要求。 对于冶炼工艺来说, 就是要严格控制管线钢的化学成分。随着现代冶金技术 的发展,对于高级别管线钢的元素控制,已经能够确保 S、P 等杂质元素,O、N、 H 等气体元素和 Pb、As、Sn、Sb、Bi 等残余元素低或超低含量的管线钢的生产。 碳是增加钢强度的有效元素,但是它对钢的韧性、塑性和焊接性有负面影响。同 时,极地管线钢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,管 线钢的碳含量成逐步下降的趋势。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%~0.06%之间[7]。硫是管线钢中影响 钢的抗 HIC 能力和抗 SCC 能力的主要元素,对钢的低温冲击韧性也有影响。有研 究表明[8],当钢中硫含量大于 0.005%时,随着钢中硫含量的增加,HIC 的敏感性 显著增加。当钢中硫含量低于 0.002%时,HIC 明显降低,甚至可以忽略此时的 HIC。脱硫一直是冶金生产中一个重要环节,技术发展很快,在目前大生产的条 件下,将管线%以下已经能够实现。磷在管线钢中是一 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。 对于高级别的管线钢应更加严格控制钢中的磷含量,目前有报道的 X100 管线钢 对磷含量的要求在 0.002%以下。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。 利用真空精炼脱气可很好地控制钢中的氢含量, 目前已经能将钢中的氢含量降到 0.0001%~0.0002%。 钢中氧含量过高会生成氧化物夹杂以及宏观夹杂增加,严重 影响管线钢的洁净度。 钢中氧化物夹杂是管线钢产生 HIC 和 SSC 的根源之一,危 害钢的各种性能。尤其是当夹杂物直径大于 50μ m 后,严重恶化钢的各种性能。 为了减少氧化物夹杂数量,一般控制钢中氧含量在 0.001%~0.002%。 对于轧制工艺来说,近年来发展起来的热机械控制工艺(TMCP)是一项节约 材料、 简化工序和节省能源消耗的先进轧钢技术。它通过工艺手段充分挖掘钢材 潜力,大幅度提高钢材的性能,给冶金企业和社会带来了巨大的经济效益,代表 了 HSLA 钢的发展方向。TMCP 技术是一种定量地、预定程序地控制热轧钢的形变 温度、压下量、形变道次、形变间歇停留时间、终轧温度以及终轧后冷却速度等 工艺参数。TMCP 工艺包括控制轧制工艺和轧后的控制冷却工艺,最早应用于管 线钢的生产。目前,管线钢的 TMCP 工艺技术已发展到一个新的阶段。热轧过程 的计算机控制与热加工物理冶金学相结合,已有可能对轧制过程中温度的变化、 组织形态、晶粒尺寸、奥氏体未再结晶区的累积应变和铁素体中残余应变,以及 微合金元素碳氮化物的沉淀析出动力学等进行有效控制和准确地预测, 为开发超 细晶粒的管线钢,同时提高高级别管线钢的强度和韧性开辟了更广阔的途径。 对于焊接工艺来说, 随着人们对管线钢质量要求的提高,对高级别管线钢的 焊接安全也越来越严格。与此同时,为了提高焊接效率,单面埋弧焊(SAW) 、气 电焊(EGD)及电渣焊(ESW)等大线能量焊接技术已被逐步采用,但是大线量焊 接使管线钢的焊接热影响区(HAZ)性能严重恶化,对高级别管线钢的安全性问 题构成严重威胁。是否具有良好的可焊性已经成为管线钢质量好坏的重要判据, 焊接性问题已经成为高级别管线钢开发的重要课题。 参考文献: [1]西气东输管道分公司刘文成: “在市场风云变幻中实现高效、廉洁、优质的目标” , 2003 年 11 月. [2]Hashimoto Y,Komizo T,Tsukamoto M,et a1.Recent Development of Large Diameter Line Pipe(X80and X100 Grade)[J].The Sumitomo Search,1988,37:93~104. [3]Hillenbrand H G,Kalwa C.Production and Service Behavior of High Strength Large Diameter Pipes[A].Toyoda M,Denys R eds.Proeeedins of International Conference on the Application and Evaluationof High-Grade Linepipes in Hostile Environments[C].Yokohama, Japan:Scientific SurveysLtd.2002.203~215. [4]Petersen C W,Corbett K T,Fairchild D P,et a1.Improving Long-Distance Gas Transmission Economics;X120 Devlopment Overview[A].Denys R eds.Proceedings of the 4th International Pipeline Technology Conference[C].Ostend,Belgium:Scientific Surveys Ltd.2004.3~30. [5]Fairchild D P,Macia M L,Papka S D,et a1 . High Strength Steels-Beyond x80[A].Proceedings of International Confer—ence on the Application and Evaluation of High-Grade Line-pipes in Hostile Environments[C].Yokohama,Japan:2002.307~321. [6]郑磊,傅俊岩.高级别管线钢的发展现状[J].钢铁,2006,41(10):1~10. [7]郝瑞辉,从晖,马薇等.合金元素在高级别管线钢中的作用与控制[J].河南冶金.2006,14 (3):21~luence of Microhardness and Inclusion on Stress Oriented Hydrogen Induced Cracking of Linepipe Steels[J].ISIJ International,1996,36(3):334.

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