管線鋼成分及標(biāo)準(zhǔn)

管線鋼概述：

1、管線鋼簡(jiǎn)介：管線鋼要求含碳量較低，而靠提高錳含量，添加鈮、鈦、釩、鉬等微量元素來(lái)其強(qiáng)度。對(duì)于管線鋼，除了要求強(qiáng)度、塑性指標(biāo)外，對(duì)于韌性指標(biāo)的要求是它的一個(gè)突出特點(diǎn)，包括了鋼板的沖擊功、沖擊轉(zhuǎn)變溫度和焊接熱影響區(qū)焊接金屬的韌性指標(biāo)。此外，還有應(yīng)變時(shí)效，可焊性、應(yīng)力腐蝕等指標(biāo)要求。

2、管線鋼類型：管線鋼可分為高寒、高硫地區(qū)和海底鋪設(shè)三類。從油氣輸送管的發(fā)展趨勢(shì)，管線鋪設(shè)條件、主要失效形式和失效原因綜合評(píng)價(jià)看，不僅要求管線鋼有良好的力學(xué)性能（厚壁、高強(qiáng)度、高韌性、耐磨性），還應(yīng)具有大口徑、可焊接性、耐嚴(yán)寒低溫性、耐腐蝕性、抗海水和HIC、SSCC性能等。這些工作環(huán)境惡劣的管線，線路長(zhǎng)，又不易維護(hù)，對(duì)質(zhì)量要求都很嚴(yán)格。

二、技術(shù)要求

1、性能要求

   現(xiàn)代管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼，是高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品，管線鋼生產(chǎn)幾乎應(yīng)用了冶金領(lǐng)域近20多年來(lái)的一切工藝技術(shù)新成就。目前管線工程的發(fā)展趨勢(shì)是大管徑、高壓輸送、高冷和腐蝕的服役環(huán)境、海底管線的厚壁化，因此，目前對(duì)管線鋼的性能要求主要是以下幾個(gè)方面：

（1）高強(qiáng)度：管線鋼的強(qiáng)度指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；在要求高強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)管線鋼的屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度）也提出了要求，一般要求在0.85-0.93的范圍內(nèi)。

（2）高沖擊韌性。管線鋼要求材料應(yīng)具有足夠高的沖擊韌性，止裂韌性。對(duì)于母材，當(dāng)材料的韌性值滿足止裂要求時(shí)，其韌性一般也能滿足防止起裂的要求。

（3）低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。嚴(yán)酷地域、氣候條件要求管線鋼應(yīng)具有足夠低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。DWTT（落錘撕裂試驗(yàn)）的剪切面積已經(jīng)成為防止管道脆性破壞的主要控制指標(biāo)。一般規(guī)范要求在運(yùn)行溫度下試樣斷口剪切面積大于等于極85%。

（4）優(yōu)良的抗氫致開(kāi)裂（HIC）和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）性能。

（5）良好的焊接性能。鋼材良好的焊接性對(duì)管道的整體性和焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

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含量的降低，鋼的焊接性得到明顯的改善。添加微量鈦Ti，可抑制焊接影響區(qū)韌性的下降，達(dá)到改善焊接性能的目的。

這其中難點(diǎn)和重點(diǎn)是高韌性。隨著石油、天然氣輸送的不斷發(fā)展，對(duì)石油管線鋼性能的要求不斷提高，尤其是對(duì)韌性要求的提高。這些性能的提高就要求把鋼材中雜質(zhì)元素C、S、P、O、N、H含量降到很低的水平。高強(qiáng)度、高韌性是通過(guò)控冷技術(shù)得到金相組織來(lái)的，同時(shí)應(yīng)除低鋼中碳的含量和盡可能去除鋼中的非金屬夾雜物，提高鋼的純凈度。輸送酸性介質(zhì)時(shí)管線鋼要抗氫脆， 要求H含量低于0.002%；對(duì)于鋼中的夾雜物，D小于100Um，并要求控制氧化物形狀，條形硫化物夾雜的影響。

2、各種元素在管線鋼中的作用與控制

高級(jí)管線鋼各成分的作用及其控制為滿足管線鋼高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性能及抗HIC、SCC、性能的要求。除了采用合理的冶金技術(shù)以外，還要嚴(yán)格控制管線鋼的成分。

（1）管線鋼中C的作用與控制

碳是增加鋼的強(qiáng)度的有效元素，但是它對(duì)鋼的韌性、塑性和焊接性有負(fù)面影響。

降低碳含量可以改善脆性轉(zhuǎn)變溫度和焊接性極地管線和海洋管線對(duì)低溫韌性、斷裂抗力以及延性和成形性的需要，要求更低的碳含量。對(duì)于微合金化鋼，低的碳含量要以提高抗HIC的能力和熱塑性，按照API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管線鋼中的碳通常為0.025%-0.12%，并趨向于向或超低碳方向發(fā)展。在綜合考慮管線鋼抗HIC性能、野外可焊性和晶界脆化時(shí)，C應(yīng)控制在0.01-0.05%之間。

（2）管線鋼中錳的作用與控制

為管線鋼中低的含碳量，通常是以錳代碳，Mn的加入引起固溶強(qiáng)化，用錳來(lái)提高其強(qiáng)度。錳在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可以提高鋼的韌性。但如果錳含量過(guò)高對(duì)管線鋼的焊接性能造成不利影響，有可能導(dǎo)致在管線鋼鑄坯內(nèi)發(fā)生錳的偏析，且隨著碳含量的增加，這種缺陷會(huì)更顯著。因此，根據(jù)板厚和強(qiáng)度，管線鋼中錳的加入量一般是1.1%-2.0%。

（3）管線鋼中硫的作用與控制

硫是管線鋼中影響抗HIC能力和抗SSC能力的主要因素。隨著硫含量的增加，HIC敏感性顯著增加；只有當(dāng)S小于0.0012%時(shí)，HIC明顯降低。值得注意的是硫易與錳結(jié)合生成MnS夾雜物，當(dāng)MnS夾雜變成粒狀?yuàn)A雜物時(shí)，隨著鋼強(qiáng)度的增加，單純降低硫含量不能防止HIC。如X65級(jí)管線鋼，當(dāng)硫含量降到20PPM時(shí)，其裂紋長(zhǎng)度比級(jí)高達(dá)30% 以上。

硫還影響管線鋼的沖擊韌性，硫含量升高沖擊韌性值急劇下降。

管線鋼中硫的控制通常是在爐外精煉時(shí)采用噴粉、真空、加熱造渣、喂絲、吹氣攪拌進(jìn)行，實(shí)踐中常常是幾種手段綜合使用。此外，條狀硫化物是產(chǎn)生氫致裂紋的必要條件，對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理將其改變?yōu)榍蛐危山档推湮：Α?/font>

(4) 管線鋼中磷的作用與控制

由于磷在管線鋼中是一種易偏析的元素，在偏析區(qū)其淬硬性約為碳的二倍。由二倍含量與碳當(dāng)量對(duì)管線鋼硬度的影響可知，隨著碳當(dāng)量的增加，含碳0.12-0.22%的管線鋼的硬度呈線性增加；而含碳0.02-0.03%的管線鋼，當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時(shí)，管線鋼硬度的增加趨勢(shì)明顯減緩。

磷還會(huì)惡化焊接性能，對(duì)于嚴(yán)格要求焊接性能的管線鋼，應(yīng)將磷限制在0.04%以下。磷能顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼管發(fā)生冷脆。而且低溫環(huán)境用的高級(jí)管線鋼，當(dāng)磷含量大于0.015%時(shí)，磷的偏析也會(huì)急劇增加。對(duì)于高質(zhì)量的管線鋼應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的磷含量越低越好，通常采用鐵水預(yù)處理去除磷。

在煉鋼整個(gè)過(guò)程中均可脫磷，如鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐以及爐外精煉，但最終脫磷都是采用爐外精煉來(lái)完成。

(5) 管線鋼中氫的作用與控制

管線鋼中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，HIC產(chǎn)生的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長(zhǎng)度增加越顯著，自真空處理技術(shù)出現(xiàn)以后，鋼中氫已可穩(wěn)定控制在0.0002%以下。

鋼中氫是導(dǎo)致白點(diǎn)和發(fā)裂的主要原因。管線鋼中氫的含量越高，HIC產(chǎn)生的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長(zhǎng)度增加越顯著。

利用轉(zhuǎn)爐CO氣泡沸騰脫氫和爐外精煉脫氣過(guò)程可很好地控制鋼中的氫含量。采用RH、DH或吹氬攪拌等均可控制H小于等于1.5PPM。

另外，要防止煉鋼的其它階段增氫。采用鋼包和中間包預(yù)熱烘烤可以有效降低鋼水的吸氫量。連鑄過(guò)程中，在鋼包和中間包系統(tǒng)中對(duì)保護(hù)套加熱和同一保護(hù)套管的反復(fù)使用可明顯降低鋼液有吸氫量。

(6) 管線鋼中氧的作用與控制

鋼中氧含量過(guò)高，氧化物夾雜以及宏觀夾雜增加，嚴(yán)重影響管的潔凈度。鋼中氧化物夾雜是管線鋼產(chǎn)生HIC和SSCC的根源之一。對(duì)鋼的各種性能都起著有害的作用，尤其是當(dāng)夾雜物直徑大于50Um后，嚴(yán)重惡化鋼的各種性能。為了防止鋼中出現(xiàn)直徑大于50Um的氧化物夾雜，減少氧化物夾雜數(shù)量，一般控制鋼中氧含量小于0.0015%。

采用爐外精煉可獲得較低的氧含量，國(guó)外許多廠家經(jīng)爐外精煉處理后成品鋼中T(O)可達(dá)5PPM的水平。

另外，由于耐火材料供氧，鋼水在運(yùn)輸和澆注過(guò)程中應(yīng)盡量減少二次氧化。通過(guò)改進(jìn)以及選擇良發(fā)的中間包覆蓋渣和連鑄保護(hù)渣，取得較好的效果。目前工業(yè)上已能生產(chǎn)雜質(zhì)含量小于0.01%的高純鋼。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉有可能生產(chǎn)出雜質(zhì)含量只有百萬(wàn)分之幾的高純鋼。

(7) 管線鋼中銅的作用與控制

加入適量的銅，可以顯著改善管線鋼抗HIC的能力。隨著銅含量的增加，可以更有效地防止氫原子滲入鋼中，平均裂紋長(zhǎng)度明顯減少，當(dāng)銅含量超過(guò)0.2%時(shí)，能在鋼的表面形成致密的保護(hù)層，HIC會(huì)顯著降低，鋼板的平均腐蝕率明顯下降，平均裂紋長(zhǎng)度幾乎接近于零。但是，對(duì)于耐二氧化碳腐蝕的管線鋼，添加Cu會(huì)增加腐蝕速度。當(dāng)鋼中不添加Cr時(shí)，添加0.5%Cu會(huì)使腐蝕速度度提高2倍，而添加0.5%Cr以后，Cu小于0.2%時(shí)，腐蝕速度基本不受影響，當(dāng)Cu達(dá)到0.5%時(shí)，腐蝕速度明顯加快。

(8)管線鋼中其它元素的作用與控制

化學(xué)成分中的碳和鈮是控制鋼板的強(qiáng)度、韌性、可焊性和焊接熱影響區(qū)裂紋敏感性及對(duì)氫誘裂紋和腐蝕裂紋敏感性的主要因素。

微合金元素Nb、V、Ti、Mo、在管線鋼中的作用與這些元素的碳化物、氮化物和碳化物的溶解和析出行為有關(guān)。管線鋼除了以上三種普遍使用的合金元素外，還應(yīng)根據(jù)鋼的性能要求加入其它少量合金元素，例如B、Mo、Ni、Cr、Cu等。

鈮是管線鋼中不可缺少的微量元素，能改善低溫韌性。API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的管線鋼鈮含量下限為0.005%，然而實(shí)際在鋼中的控制水平都在0.03-0.05%之間。為標(biāo)準(zhǔn)中的下限值的6-10倍。

釩有較高的沉淀強(qiáng)化和較弱的細(xì)化晶粒作用，一般在管線鋼設(shè)計(jì)中不單獨(dú)使用釩。管線鋼中加入微量的釩，可以通過(guò)增加沉淀硬化效果來(lái)提高鋼板的強(qiáng)度。國(guó)外實(shí)物鋼板中的含釩量多數(shù)控制在0.05-0.10之間，為API標(biāo)準(zhǔn)中的下限值的2.5-5.0倍。

鈦與鋼中的C、N等形成化合物，為了降低鋼中固溶氮含量，通常采用微鈦處理，使鋼中的氮被固定。鋼中加入微量的鈦，可以通過(guò)提高鋼板強(qiáng)度和韌性的目的，尤其是對(duì)提高焊接熱影響區(qū)的韌性具有獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

鉬也是管線鋼中的主要的合金元素之一，隨著鉬含量的升高，抗拉強(qiáng)度升高。鋼中鉬有利于針狀組織的發(fā)展，隨著鋼中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，針狀鐵素體的含量增加，因而能在極低的碳含量下得到很高的強(qiáng)度。

鋼中加入鈣、鋯、稀土金屬，可以改變硫化物質(zhì)氧化物的成分，使其塑性降低。采用這種方法，可以使鋼板向異性大大減輕，使橫向夏比沖擊功增加一倍，達(dá)到或接近縱向夏比沖擊功數(shù)值。為了使鋼板各向異性達(dá)到，稀土與硫的比例控制在2.0左右最為合適。

管線鋼中夾雜物的作用與控制                                                               

(8) 管線鋼中夾雜物的作用與控制

在大多數(shù)情況下，HIC氫誘裂紋都起源于夾雜物，鋼中的塑性?shī)A雜物和脆性?shī)A雜物是產(chǎn)生HIC的主要根源，分析表明，HIC端口表面有延伸的MnS和A1203點(diǎn)鏈狀?yuàn)A雜，而SSCC硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的形成與HIC的形成密切相關(guān)。因此，為了提高抗HIC和抗SSCC能力，必須盡量減少鋼中夾雜物，控制夾雜物形態(tài)。