1、    超高強度X120管線鋼的發展現狀         摘要：總結回顧了超高強度X120管線鋼在世界范圍的發展狀況。系統整理和分析了X120級管線鋼采用的合金化設計方案、各種不同的生產工藝和最優的選擇，并從經濟和技術的角度討論了X120級管線鋼的應用前景、目前仍存在的技術難點和需要進行更深入研究的關鍵問題。關鍵詞：管線鋼，X120，超高強度，韌性0 前言能源是經濟發展的驅動力，石油和天然氣已成為世界各國最重要的能源資源，不斷提高長距離輸送管線的經濟性和安全性成為石油、天然氣

2、以及相關行業進一步發展的關鍵。提高油氣輸送壓力可以有效地提高長距離輸送管線的經濟性，為保障提高輸送壓力后管線工程的安全性，過去幾十年內，高強度、高韌性且焊接性能良好的高鋼級管線鋼在世界范圍內得到了長足的發展1-4。目前，X70、X80級管線鋼已經實現了大規模的工程應用，X100、X120級超高強度管線鋼也開展了廣泛的試制和工藝、性能研究，并均已完成試驗段的建設。采用超高強度X120管線鋼替代現使用的X70、X80級管線鋼建設長輸管線具有顯著的經濟效益，未來在技術條件許可的情況下，必將成為X120管線鋼啟動的關鍵因素。1 國外超高強度X120管線鋼的發展歐美發達國家對超高強度管線鋼的研究起步較早

3、。1993年，美國埃克森美孚石油公司預見到了天然氣區域性需求的增長并研究了低造價管線所能帶來的經濟效益，開始增加天然氣輸送管線的覆蓋面，尤其是長距離輸送管線，與此同時，開始致力于超高強度X120管線鋼的研究開發，以期通過大幅提高管線鋼的強度降低管線造價，同時利用現有技術對普遍認為不具有商業價值的長距離能源進行開發，并于1996年分別與日本新日鐵和住友金屬簽訂了X120管線鋼的聯合開發協議，進行了超高強度X120管線鋼的合作開發，包括X120管線鋼板和焊接材料的開發、直縫埋弧焊接和現場環縫焊接工藝、X120管線鋼的止裂性能等多方面的深入研究5。韓國浦項也于同期開展了X120管線鋼的研制工作。日本

4、新日鐵、住友金屬、韓國浦項和埃克森美孚石油公司于2000年前后先后申報了X120管線鋼的專利6-8。2004年2月，在加拿大阿爾波特省北部的皮爾利斯湖項目中，TransCanada公司采用日本新日鐵生產的外徑914mm、壁厚16mm的X120鋼管建設了世界上首條，也是目前唯一一條X120管線示范段。該示范段提供了獲得寒冷天氣使用X120管線鋼管現場建設經驗的機會，成功地實施了包括現場彎曲和環焊等各種現場建設作業9。2 超高強度管線鋼在中國的發展我國超高強度管線鋼的研發工作與西方發達國家相比滯后近20年。2005年以前，在我國還沒有超高強度管線鋼X100/X120的研制報道。2005年以后，隨著

5、冀寧聯絡線X80管線鋼的成功開發，武鋼、鞍鋼等大型鋼企相繼開始了X100/X120管線鋼的研究開發。2006年3月和6月，鞍鋼、南鋼與華北石油鋼管有限公司合作，分別成功開發出了813×14.3mm和813×12.5mm的X100直縫埋弧焊管10。2006年10月，寶鋼在新投產的5000mm寬厚板軋機上成功試制出超高強度X120管線鋼板11，其各項力學性能指標達到新日鐵、住友金屬等國際先進鋼企所試制X120管線鋼板的實物性能。2007年8月，武鋼成功開發出X100板卷，填補了該領域的空白。2008年3月，太鋼在2250mm熱連軋生產線上成功試制出X120板卷，成為全球首家實現

6、X120管線鋼卷板試生產的企業12。此外，武鋼、鞍鋼、南鋼、舞鋼等大型鋼企均在開展超高強度X120管線鋼的研制工作，并已取得顯著進展13，14。目前尚處于設計階段的西氣東輸三線主干線擬建設X100/X120級管線鋼的試驗段。通過鋼廠和國內制管企業的密切合作，我國在超高強度管線鋼的研究開發方面取得了長足的進步，大大縮小了與西方發達國家之間的差距。3 超高強度管線鋼X120的成分設計、組織特征和生產工藝3.1 超高強度X120管線鋼的成分設計超高強度管線鋼大都以低C（超低C）-高Mn為基，結合Nb、V、Ti的微合金化作用，并根據鋼的級別適量添加Cu、Ni、Cr、B等進行合金化設計。X120級管線鋼

7、的成分設計基本原理如下15-17：1）C：C是鋼中最經濟有效的強化元素，但它同時顯著惡化鋼的韌性和焊接性能，因此多年來國際管線鋼中的碳含量逐年降低，甚至向超低碳發展。然而，并不是碳含量越低越好。首先，降低碳含量帶來的強度下降需要添加更昂貴的合金元素來彌補。此外，有研究表明，當碳含量小于0.01%時，由于間隙碳原子的減少和熱循環后Nb（C，N）的沉淀析出而弱化了晶界，使熱影響區晶界相對脆化。因此，X120管線鋼的碳含量一般控制在0.02%-0.06%。2）Mn：Mn有顯著的固溶強化作用，在一定范圍內還可以提高鋼的韌性、降低鋼的韌脆轉變溫度，所以早期的管線鋼以C-Mn鋼為主。但是，Mn含量過大會加

8、劇控軋鋼板的中心偏析，從而引起鋼板和鋼管力學性能的各向異性，且導致抗HIC性能的降低。因而，在超高強度管線鋼中，Mn含量應保持在一個合理的高水平范圍內。通常控制在1.5%-2.0%。3）Si：增加Si含量可以提高鋼的強度，但是同時會顯著惡化鋼的韌性和焊接熱影響區的韌性，因此，應盡量減小Si的含量，一般控制在0.5%以下。4）Nb：Nb可以延遲奧氏體再結晶、降低相變溫度，通過固溶強化、相變強化、析出強化等機制來使鋼獲得所要求的性能。在超高強度貝氏體鋼中，添加過量的Nb會促進M-A島的生成，降低HAZ的韌性。此外，含Nb鋼還存在高溫延展性能明顯降低的脆化溫度區間（900-700），易在連鑄時出現裂

9、紋。但在添加微量Ti后，脆化溫度區消失。目前，在超高強度管線鋼中，Ti和Nb幾乎同時存在。Nb含量一般控制在0.06%、0.011%。5）V：V在鋼中可以補充Nb析出強化的不足，還可以改善鋼材的焊后韌性。因其有較強的沉淀強化和較弱的細晶作用，故其韌脆轉變溫度比加入Nb、Ti時高，在管線鋼的合金設計中，一般不單獨使用。6）Ti：鋼中Ti的作用與Nb、V相似，在阻止奧氏體晶粒長大方面，Nb、Ti較明顯，V較弱，在延遲奧氏體再結晶和軋后快冷的細晶強化方面，NbTiV，在析出強化方面，VTiNb。在超高強度管線鋼中，一般僅進行微Ti處理，加入量為0.01%-0.03%。7）Mo：Mo是強碳化物形成元素

10、，在鋼中加入一定量的Mo能夠增加碳的擴散激活能，降低碳的活度系數，抑制塊狀鐵素體的形成、促進針狀鐵素體和貝氏體組織的轉變，并能夠提高Nb（C，N）的沉淀強化效果。此外，當Si含量較高時，Mo增加可以改善鋼板焊接HAZ的韌性，當Si含量很低時，也可以得到良好的HAZ韌性。在超高強度管線鋼中，Mo的含量通常控制在0.1%-0.4%。8）S：S是危害管線鋼性能最主要的元素之一。它嚴重惡化管線鋼的沖擊韌性、抗HIC和抗SCC性能，還導致管線鋼的各向異性，所以應盡可能地降低S含量，X120級管線鋼中S含量應控制在20ppm以下。9）P：P在鋼中是易偏析元素，且會惡化管線鋼的焊接性能，顯著降低鋼的低溫沖擊

11、韌性，提高鋼的脆性轉變溫度，因此應嚴格控制管線鋼中的P含量，超高強度管線鋼中一般要求P含量小于120ppm。10）H：鋼中H是導致白點和發裂的主要原因。管線鋼中的H含量越高，HIC產生的幾率就越大，腐蝕速率越高，平均裂紋長度增加越顯著，因此應嚴格控制鋼的H含量。11）B：B是利用急冷獲得高強度極有效的高淬透性元素，可以顯著抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，擴大貝氏體形成區域，使鋼在軋后一個很寬的冷速范圍內獲得貝氏體組織。研究表明，含B和不含B均可以通過合適的生產工藝達到X120鋼所要求的力學性能，但是含B可以顯著的節約合金加入量。需要注意的是，B必須存在于沿晶界的固溶體中，防止BN和Fe23（C

12、B）6的形成。因此，B的加入量需限制在一個非常窄的范圍。通常B的加入量控制在0.0010%-0.0030%。12）從經濟和產品性能方面考慮，X120級管線鋼中通常還會加入適量的Cu、Cr、Ni等元素，以替代Mo，提高鋼的強度、淬透性和耐腐蝕性能。目前已開發成功的X120鋼的典型化學成分如表1所示。 3.2 超高強度X120管線鋼的生產工藝與組織特征超高強度X120管線鋼的冶煉工藝與一般高鋼級X70、X80管線鋼相比，除對有害元素和夾雜物的要求更為嚴格外，沒有本質上的區別，而鑄坯二次加熱后的控軋控冷和熱處理工藝則與后者有很大不同。目前已報道多種生產工藝可以實現X120級管線鋼的開發，包

13、括直接淬火+回火工藝（DQ-T）、間斷式直接淬火工藝（IDQ）、淬火+熱處理分割工藝、在線熱處理工藝（HOP）、遲滯淬火工藝（DLQ）、兩相區加工工藝（DPP）等18，采用這些生產工藝相應的可以得到不同的顯微組織：貝氏體+回火馬氏體、粒狀貝氏體+下貝氏體+馬氏體、馬氏體+殘余奧氏體、回火貝氏體+MA等。幾種典型生產工藝的示意圖如圖1所示。 美國埃克森美孚石油公司與日本新日鐵公司對X120管線鋼的多種合金化設計和不同生產工藝進行了大量的實驗研究，最終確定了間斷式直接淬火工藝（IDQ）生產的低碳貝氏體鋼作為X120管線鋼生產的基本技術原理，這種選擇是基于X120級管線鋼的力學性能要求、制

14、造成本、軋機的生產能力和生產效率等多方面的綜合考慮作出的19。因為X120級管線鋼的相變溫度很低，采用DLP和DPP工藝生產需要很長的待溫時間，而采用IDQ以外的其它生產工藝則需要進行較復雜的熱處理工藝，這一方面會降低生產效率，顯著提高制造成本，而且還對生產設備有比較苛刻的要求。因此，近年來國內外所開發的X120級管線鋼無一例外的采用ID0工藝生產，獲得以下貝氏體為主體的精細組織，如圖2所示。 4 超高強度X120管線鋼的應用前景和目前存在的問題使用超高強度管線鋼建設管線，典型的經濟效益在于降低鋼管壁厚，節約材料成本。但通常鋼管制造的集約效應在于鋼管強度、直徑和壁厚的結合。當增大管線

15、傳輸壓力以及減小管徑和壁厚時，使用高強度鋼管可全面受益于經濟和技術兩個方面。使用高強度鋼不但可以制造出管徑較小、中等壁厚、承壓較大的鋼管以降低材料成本，同時也可以降低施工和氣體壓縮成本20。已有研究結果表明，使一條850km的輸氣管線，用X120級管線鋼替代X70級管線鋼，不僅可以節約管線建設投資5%-15%，而且還可以降低管線總運行費用5%-15%21。因此，從經濟的角度看，為最大限度降低管道建設和運營成本，超高強度X120管線鋼的大規模使用將成為必然。在技術上，日本新日鐵、住友金屬、JFE、韓國浦項和中國寶鋼等先進鋼企均已成功開發出X120級管線鋼，_且已有在嚴寒環境下建設試驗段的經驗，未

16、來開展大規模的工程應用是完全可行的。但是，自2004年TransCanada公司建設世界上首條X120管線鋼試驗段后，X120管線鋼的研究開發開始止步不前，其主要原因是世界各國對X120級管線鋼大規模工程應用的安全性疑慮重重。從已有的研究結果看，在一定的工況條件下，X100級管線鋼能夠自行止裂，但如果未來沒有重大的技術突破，X120級管線鋼依靠自身的韌性止裂幾乎是不可能的，需要使用止裂環22。而且，現有的計算模型（巴特爾雙曲線、HLP等）均被證明不能有效地預測超高強度X100、X120級管線鋼的止裂能力23，24。因此，要實現超高強度X120管線鋼的大規模工程應用，還需要對X120級管線鋼的韌

17、性、焊接工藝、止裂能力預測模型等多方面進行更深入的研究。5 結語超高強度X120管線鋼在世界范圍內的發展現狀可以歸結為以下幾點：1）超高強度X120管線鋼的研究開發在世界范圍內已取得顯著進展。日本新日鐵、住友金屬、韓國浦項、中國寶鋼均已實現成功開發，TransCanada公司已完成X120管線鋼在寒冷條件下的試驗段建設。2）X120管線鋼的成分設計主要采用低C（超低C）-高Mn-Nb-Ti-Mo系的合金化設計，并適量添加Cu、Cr、Ni、B等合金化元素，以實現X120級管線鋼的超高強度、高韌性和良好的焊接性能。3）采用DQ-T、DPP、DLQ、IDQ、Q-P等多種生產工藝均可以達到X120管線

18、鋼所要求的性能，但綜合考慮生產效率、制造成本和產品性能等多方面因素，IDQ是最有效、可行的生產方式，可以獲得細小、均勻、下貝氏體為主體的精細組織和理想的力學性能。4）采用X120級管線鋼建設長輸管線能夠大幅降低長輸管線的建設和運營成本，在未來實現大規模的工程應用將成為必然。根據超高強度X120管線鋼在世界范圍內業已取得的成果，X120管線鋼未來的實際應用在技術上是完全可行的。5）要實現X120級管線鋼的大規模工程應用，還需要對X120級管線鋼的強韌化機理、止裂能力、焊接工藝等多方面開展更深入的研究工作。參考文獻1 鄭磊，付俊巖.高等級管線鋼的發展現狀 J. 鋼鐵，2006，41（10）：1-1

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