1、對(duì)X100管線(xiàn)鋼的材料分析報(bào)告X100級(jí)管線(xiàn)鋼的現(xiàn)實(shí)意義近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)石油、天然氣等能源的需求進(jìn)一步增大并且伴隨最近鐵礦石價(jià)格 的飛漲，導(dǎo)致管鋼成本的提高.為了減少輸送成本，同時(shí)又不損失石油天然氣的輸送量，開(kāi) 發(fā)X100等級(jí)的高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼成為一種必然X100管線(xiàn)鋼的應(yīng)用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益， 可使長(zhǎng)距離油氣管線(xiàn)成本節(jié)約5%12%（據(jù)加拿大的統(tǒng)計(jì)分析表明，管線(xiàn)鋼每提高一個(gè) 鋼級(jí)可減少建設(shè)成本7%）,主要體現(xiàn)在節(jié)約材料、提高輸送壓力、減小施工量、降低維護(hù)費(fèi) 用、優(yōu)化整體方案等方面，為節(jié)省管線(xiàn)工程的建設(shè)投資、降低運(yùn)輸費(fèi)用，采用高強(qiáng)度等級(jí)的 管線(xiàn)鋼更加經(jīng)濟(jì)合理.隨著國(guó)內(nèi)一系列管道建設(shè)工程的展開(kāi)，X1

2、00的高強(qiáng)度、高韌性帶來(lái) 的成本優(yōu)勢(shì)將促使其大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。目前，世界石油管道的建設(shè)正朝著長(zhǎng)距離、大口徑、 高輸送壓力發(fā)展，為減少建設(shè)和維護(hù)成本，高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外管道用 鋼的研究熱點(diǎn).X100級(jí)管線(xiàn)鋼的發(fā)展及現(xiàn)狀從近些年的發(fā)展歷史來(lái)看，較早時(shí)候日本、德國(guó)的管線(xiàn)鋼制造商與一些石油公司合作，進(jìn) 行高強(qiáng)度等級(jí)的X100和X120管線(xiàn)鋼的開(kāi)發(fā)試制.在20世紀(jì)80年代中期，X100級(jí)管線(xiàn)鋼 已完成了試驗(yàn)，但那時(shí)尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用的需求；1995年，幾家石油和天然氣公司開(kāi)始設(shè)計(jì) X100級(jí)管線(xiàn)鋼材料.歐洲自1995年開(kāi)始進(jìn)行X100鋼管的開(kāi)發(fā)試制，采用T MCP工藝，到 2002年已生產(chǎn)了數(shù)百

3、噸壁厚12. 7 25. 4 mm的X100管線(xiàn)鋼.2002年T CPL在加拿大建 成了一條管徑1 219 mm、壁厚14. 3 mm、X100鋼級(jí)的1 km試驗(yàn)段.但是從材料設(shè)計(jì)的角度 來(lái)講，X100的研究尚不成熟，組織與性能的關(guān)系有待于進(jìn)一步分析，以便為國(guó)內(nèi)的X100 的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ).從其管線(xiàn)鋼的材料及級(jí)別來(lái)看，其發(fā)展可分為三個(gè)階段：第一階段為20世紀(jì)50年代 年以前，是以C-Mn鋼為主的普通碳鋼，強(qiáng)度級(jí)別為X52以下。第二階段為20世紀(jì)50年代 到70年代，在C-Mn鋼基礎(chǔ)上引入微量釩和鈮，通過(guò)相應(yīng)的熱軋及軋后處理等工藝，提高了 鋼材的綜合性能，生產(chǎn)出X60、X65級(jí)鋼板。特別

4、是20世紀(jì)60年代后期，日本等國(guó)開(kāi)展了 控制軋制研究，對(duì)熱軋中厚鋼板、帶鋼熱變形過(guò)程中工藝參數(shù)與組織狀態(tài)、力學(xué)性能關(guān)系等 方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。第三階段為20世紀(jì)70年代年至今，用V、Ti、Nb、Mo、B等元素微 合金化，并采用了控制軋制與控制冷卻相結(jié)合等新技術(shù)，相繼開(kāi)發(fā)出X70、X80、X100等綜 性能優(yōu)異的高強(qiáng)度級(jí)別管線(xiàn)鋼。目前，管線(xiàn)鋼正朝著厚壁、大直徑和高強(qiáng)度方向發(fā)展。當(dāng)前石油管道用鋼的主流級(jí)別已成為X80,圍繞該鋼種相關(guān)研究也已十分成熟。X100 X120級(jí)別管線(xiàn)鋼的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)已取得成功，除了國(guó)外有少量實(shí)驗(yàn)管道，還未出現(xiàn)大規(guī)模工 程應(yīng)用，對(duì)其組織的研究也一直處在對(duì)傳統(tǒng)低碳貝氏體組織的研

5、究階段關(guān)于組織的形成 和轉(zhuǎn)變機(jī)理也未達(dá)成統(tǒng)一定論。組織的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)韌化機(jī)理以及復(fù)相組織構(gòu)成與性能之間 的關(guān)系等一些具體問(wèn)題還有待研究。目前全世界長(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)了200萬(wàn)公里，而我國(guó)也已鋪設(shè)了2萬(wàn)多公里的油 氣管道，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)我國(guó)還將建設(shè)長(zhǎng)輸管線(xiàn)總長(zhǎng)度達(dá)到10 20萬(wàn)公里的油氣管道。 隨著管道鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加和輸送壓力的提高，對(duì)管道的鋼級(jí)要求越來(lái)越高，目前我國(guó)已經(jīng) 具了生產(chǎn)X52、X60、X65、X70、X80管線(xiàn)鋼的能力，繼西氣東輸一線(xiàn)、二線(xiàn)工程后，為實(shí)現(xiàn) 能源戰(zhàn)略目標(biāo)，各鋼鐵企業(yè)開(kāi)始著手研發(fā)X100級(jí)及更高級(jí)別的管線(xiàn)鋼，并已經(jīng)成功試制 出X100管線(xiàn)鋼，但國(guó)內(nèi)研制的X100管線(xiàn)

6、鋼的沖擊性能仍存在一定的問(wèn)題，因此目前為止我國(guó)X100級(jí)管線(xiàn)鋼尚處于研發(fā)試制階段，快速發(fā)展X10 0管線(xiàn)鋼是中國(guó)管道事業(yè)面臨的重要。性能要求要求具有高強(qiáng)度、高的低溫止裂韌性以及良好的焊接性，對(duì)特殊地區(qū)的管線(xiàn)鋼還要求具有 抗H步腐蝕及抗大應(yīng)變的能力X100級(jí)管線(xiàn)鋼的微觀(guān)組織與力學(xué)性能研究設(shè)備技術(shù):利用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡掃描及先進(jìn)的EBSD技術(shù)試驗(yàn)材料：國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口 X100管線(xiàn)鋼主要成分：C Si Mn Nb Mo Cu Cr Ni Fe研究對(duì)象：X100管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能、顯微組織、晶粒取向及析出物（具體研究組織內(nèi)針狀 鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島組成）工藝：控軋控冷工藝（TMCP）或

7、高溫軋制工藝（HTP）性能主要參數(shù)：試驗(yàn)鋼的平均屈服強(qiáng)度為7 0 0 MPa,抗拉強(qiáng)度為7 9 0 MPa,屈強(qiáng)比 為0. 8 8,伸長(zhǎng)率為2 0%,20C時(shí)的平均夏比沖擊功為2 2 4 J幾種典型實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一選材和試驗(yàn)過(guò)程：本研究所選用材料為進(jìn)口X100鋼管.金相樣品直接試驗(yàn)鋼板上切取， 金相組織觀(guān)察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)上進(jìn)行，觀(guān)察面為平軋向的樣品正面， 經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光和3 %硝酸酒精腐蝕而成.從試驗(yàn)鋼板端部垂直于軋方向切取沖擊樣坯, 經(jīng)機(jī)床加工成10 mm x 10 mm x 55 mm的夏氏V型缺口沖擊試樣.10、- 20、-40、-60、 -80C 6種溫度條件下，

8、分別按照GB2975- 82、GB/ T229294標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在B2300B機(jī)械式 半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn).拉伸試樣均采用12. 5 mm試樣，并按AST M A370- 2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在MT S810- 15自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.然后利用先進(jìn)的EBSD技術(shù)對(duì)X100 超強(qiáng)管線(xiàn)鋼的相參量、有效晶粒尺寸及其分布進(jìn)行了研究結(jié)果分析：（1） X100管線(xiàn)鋼全部為粒狀貝氏體組織;（2） X100管線(xiàn)鋼的透射組織分析 表明，狀貝氏體含量很高，主要存在于鐵素體邊界；鐵三碳存在于鐵素體板條；以針狀鐵 素體為主，也存在少量條狀鐵素體；同時(shí)位錯(cuò)密度很高；（3） EBSD研究表明，鐵三碳呈均 勻彌散分

9、布，殘余奧氏體含量較大.有效晶粒細(xì)化現(xiàn)象突出，預(yù)示該品牌X100管線(xiàn)鋼擁有 較理想的強(qiáng)韌性特征.實(shí)驗(yàn)二：選材和試驗(yàn)過(guò)程：元素CSiMnPSCrMoNiNbCeqPcmX100-10.0430.231.860.00840 .00160.210.290.460.0380.4970.191X100-20.0640.0951.690.00780.00230.0240.270.20.0420.4360.187X100-30.0490.252.000.0120.0030.320.330.460.0520.5560.213三種實(shí)驗(yàn)鋼板的主要化學(xué)成分見(jiàn)表，根據(jù)ASTMA370-2002和ASTMA370-20

10、05標(biāo)準(zhǔn)在鋼管距焊 縫180母材部位取橫向拉伸和沖擊試樣，并在MTS810型拉伸機(jī)和JB-800型沖擊機(jī)上進(jìn)行 試驗(yàn)。根據(jù)GB/T18658-2002 （金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法）取標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，進(jìn)行溫度為20、0、 -10、-20、-40和-60C的系列沖擊試驗(yàn)。落錘試樣在管材距焊縫1/4部位取橫向落錘試樣 （DWTT）試樣尺寸為300mmX75mmX壁厚，缺口形式為標(biāo)準(zhǔn)壓制V型缺口，實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為 JL-30000，實(shí)驗(yàn)按API5L標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試樣經(jīng)打磨拋光后，用2%硝酸酒精溶液侵蝕后進(jìn)行金 相和掃描電鏡的微觀(guān)組織觀(guān)察。將透射電鏡樣品減薄至50“m以下，采用5%高氯酸無(wú)水乙 醇溶液為電解液，在-

11、20C、50V下電解雙噴減薄至穿孔，在JEM-200CX透射電鏡下觀(guān)察， 工作電壓為175 kV。結(jié)果分析：（1）嚴(yán)格控制鋼中S、P含量，有利于提高管材的韌性和塑性及斷后伸長(zhǎng)率，并 且S、P量的降低能夠顯著提高管材的低溫韌性。（2）采用控軋控冷工藝可獲得微觀(guān)組織為 粒狀貝氏體+狀鐵素體+M/A島組織的X100級(jí)高強(qiáng)度級(jí)別的管線(xiàn)鋼。但在保證微觀(guān)組織的晶 粒度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要的前提下，在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)軋制時(shí)，通過(guò)反復(fù)再結(jié)晶使原奧氏體晶粒 盡可能細(xì)化，同降終冷溫度，保證針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織晶粒細(xì)小，分布均勻。（3） X100-2管線(xiàn)鋼管體的韌性值較高，且低溫區(qū)間沖擊韌度下降幅度較緩慢，表現(xiàn)了良好

12、的抗 起裂性能。在減小粒狀氏體和針狀鐵素體晶粒尺寸的同時(shí)，降低層片狀M/A島組織在晶間的 聚集分布，以進(jìn)一步提高體的塑性變形能力，改善其低溫韌性.實(shí)驗(yàn)三選材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程：試驗(yàn)用X100管線(xiàn)鋼板厚度為14.3mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1,力學(xué)性能見(jiàn)表2，其基本金相組織針狀鐵素體.CSiM nPS表1C r M o NiNbVTiCuA lFe0. 05 0. 25 2. 00 0. 0120. 00320. 33 0. 33 0. 46 0. 0550. 007 0. 022 0.20 0. 046 余量屈服強(qiáng)度R eL /M Pa抗拉強(qiáng)度日“ /M Pa表2斷后伸長(zhǎng)率A （% ）屈強(qiáng)比R e,L /Rm

13、沖擊吸收功Akv/ J73080520. 50. 91191采用熱模擬試驗(yàn)獲取X100管線(xiàn)鋼在不同焊接熱輸入條件下粗晶熱影響區(qū)（coarse grainhea-t affectzone, CGHAZ）的組織結(jié)構(gòu).熱模擬試驗(yàn)在G leeble1500型熱模擬機(jī)上行 熱模擬參數(shù)如表3所示.表3熱輸入加熱速度峰值溫度冷卻時(shí)間高溫停留時(shí)間tH / sE / ( kJ. cm -1 ) v / (度.s- 1 )T /t8/5 / s900度1100度101301 30053. 622. 95151301 300105. 433. 60201301 3002010. 867. 20301301 3004

14、021. 7114. 41401301 3007038. 0025. 23501301 30010054. 2836. 03其中熱循環(huán)的幾種t8/ 5覆蓋了石油、天然氣輸送鋼管在制管焊接和野外施工焊接過(guò)程中所 采用的不同焊接熱輸入下的冷卻參數(shù).熱模擬試樣分別采用10mm65mm和10. 5mm10.5mm55 mm的初始試樣，試樣于板厚中部（沿板厚方向兩面對(duì)稱(chēng)加工）橫向截取.熱模擬試驗(yàn)后再將試樣加工5mm25mm的標(biāo)準(zhǔn)比例拉伸試樣和10mm x 10 mm x 55 mm的標(biāo)準(zhǔn)Charpy沖擊試樣，沿板厚方向開(kāi)制V形缺口.拉伸試驗(yàn)在MTS880型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；沖擊試驗(yàn)在JBC -300電子

15、測(cè)力沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.光學(xué)金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后以3%硝酸酒 精溶液進(jìn)行腐蝕，在RECHART MEF3A光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察.TEM試樣經(jīng)機(jī)械減薄至50m后，在雙噴電解裝置上以10%高氯酸+90%醋酸溶液進(jìn)行雙噴，在J EM 200CX透射電子顯微鏡上觀(guān)察.SEM試驗(yàn)在TESLA BS300型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行.結(jié)果分析：（1）隨著焊接熱輸入的增加，X100管線(xiàn)鋼的強(qiáng)韌性降低.當(dāng)焊接熱輸入在10 20 kJ/cm范圍內(nèi),X100管線(xiàn)鋼的焊接粗晶熱影響區(qū)有較好的強(qiáng)韌特性，可作為X100管線(xiàn)鋼 推薦的熱輸入.（2）在10 kJ/cm左右的較低熱輸入下，X100管線(xiàn)鋼焊接粗晶熱影響區(qū)的顯 微組織為BF

16、+ GB.這種組織賦予材料以最佳的強(qiáng)韌性水平.（3）在20 kJ/cm左右的中等焊接 熱輸入下,X100管線(xiàn)鋼焊接粗晶熱影響區(qū)的顯微組織以GB+QF為主，材料有較好的強(qiáng)韌配 合.（4）當(dāng)熱輸入為50 kJ/cm時(shí)，一方面晶粒粗化比較明顯，另一方面粗晶區(qū)中的BF和GB 被QF和PF替代，致使材料的強(qiáng)韌性降低.實(shí)驗(yàn)四：選材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程：試驗(yàn)用WS01焊絲采用電爐冶煉，直徑為4. 0mm。焊絲主要化學(xué)成分如表1所示；焊劑為 CHF105,焊前經(jīng)350烘干1小時(shí)。焊接試板選用與本焊絲強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牟牧希附釉囼?yàn)按照GB/T 12470 2003埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試板的尺寸為500mm x 150mm x 25mm .熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表2。表1表2CS i Mn P S Ni焊接材料C Si Mn P S Ni0. 068 0. 045 1. 91 0. 012 0. 0075 2. 38 WS01+ CH F105 0. 040 0. 34 1. 58 0. 017 0. 008 1. 81 WS01焊絲熔敷金屬屈服強(qiáng)度ReL達(dá)到700MPa，抗拉強(qiáng)度Rm達(dá)到750 MPa, -20 沖擊功AKV 最小值為94J,平均值達(dá)到98J;熔敷金屬焊縫組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體結(jié)果分析：（1）采用WS01焊絲匹配CHF105焊劑，熔敷金屬-20 下的平均沖