管線鋼成分及標準

管線鋼概述：

1、管線鋼簡介：管線鋼要求含碳量較低，而靠提高錳含量，添加鈮、鈦、釩、鉬等微量元素來其強度。對于管線鋼，除了要求強度、塑性指標外，對于韌性指標的要求是它的一個突出特點，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。此外，還有應變時效，可焊性、應力腐蝕等指標要求。

2、管線鋼類型：管線鋼可分為高寒、高硫地區(qū)和海底鋪設三類。從油氣輸送管的發(fā)展趨勢，管線鋪設條件、主要失效形式和失效原因綜合評價看，不僅要求管線鋼有良好的力學性能（厚壁、高強度、高韌性、耐磨性），還應具有大口徑、可焊接性、耐嚴寒低溫性、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，又不易維護，對質(zhì)量要求都很嚴格。

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)幾乎應用了冶金領域近20多年來的一切工藝技術(shù)新成就。目前管線工程的發(fā)展趨勢是大管徑、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，目前對管線鋼的性能要求主要是以下幾個方面：

（1）高強度：管線鋼的強度指標主要有抗拉強度和屈服強度；在要求高強度的同時，對管線鋼的屈強比（屈服強度與抗拉強度）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。管線鋼要求材料應具有足夠高的沖擊韌性，止裂韌性。對于母材，當材料的韌性值滿足止裂要求時，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。嚴酷地域、氣候條件要求管線鋼應具有足夠低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。DWTT（落錘撕裂試驗）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。一般規(guī)范要求在運行溫度下試樣斷口剪切面積大于等于極85%。

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

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

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，達到改善焊接性能的目的。

這其中難點和重點是高韌性。隨著石油、天然氣輸送的不斷發(fā)展，對石油管線鋼性能的要求不斷提高，尤其是對韌性要求的提高。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。高強度、高韌性是通過控冷技術(shù)得到金相組織來的，同時應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)時管線鋼要抗氫脆， 要求H含量低于0.002%；對于鋼中的夾雜物，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

高級管線鋼各成分的作用及其控制為滿足管線鋼高強度、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

碳是增加鋼的強度的有效元素，但是它對鋼的韌性、塑性和焊接性有負面影響。

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標準規(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，C應控制在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的加入引起固溶強化，用錳來提高其強度。錳在提高強度的同時，還可以提高鋼的韌性。但如果錳含量過高對管線鋼的焊接性能造成不利影響，有可能導致在管線鋼鑄坯內(nèi)發(fā)生錳的偏析，且隨著碳含量的增加，這種缺陷會更顯著。因此，根據(jù)板厚和強度，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S小于0.0012%時，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MnS夾雜變成粒狀夾雜物時，隨著鋼強度的增加，單純降低硫含量不能防止HIC。如X65級管線鋼，當硫含量降到20PPM時，其裂紋長度比級高達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采用噴粉、真空、加熱造渣、喂絲、吹氣攪拌進行，實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，對鋼水進行鈣處理將其改變?yōu)榍蛐?，可降低其危害?/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。由二倍含量與碳當量對管線鋼硬度的影響可知，隨著碳當量的增加，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，當碳當量大于0.6%時，管線鋼硬度的增加趨勢明顯減緩。

磷還會惡化焊接性能，對于嚴格要求焊接性能的管線鋼，應將磷限制在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)境用的高級管線鋼，當磷含量大于0.015%時，磷的偏析也會急劇增加。對于高質(zhì)量的管線鋼應嚴格控制鋼中的磷含量越低越好，通常采用鐵水預處理去除磷。

在煉鋼整個過程中均可脫磷，如鐵水預處理，轉(zhuǎn)爐以及爐外精煉，但最終脫磷都是采用爐外精煉來完成。

(5) 管線鋼中氫的作用與控制

管線鋼中氫的質(zhì)量分數(shù)越高，HIC產(chǎn)生的幾率越大，腐蝕率越高，平均裂紋長度增加越顯著，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。

鋼中氫是導致白點和發(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熱烘烤可以有效降低鋼水的吸氫量。連鑄過程中，在鋼包和中間包系統(tǒng)中對保護套加熱和同一保護套管的反復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

鋼中氧含量過高，氧化物夾雜以及宏觀夾雜增加，嚴重影響管的潔凈度。鋼中氧化物夾雜是管線鋼產(chǎn)生HIC和SSCC的根源之一。對鋼的各種性能都起著有害的作用，尤其是當夾雜物直徑大于50Um后，嚴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，國外許多廠家經(jīng)爐外精煉處理后成品鋼中T(O)可達5PPM的水平。

另外，由于耐火材料供氧，鋼水在運輸和澆注過程中應盡量減少二次氧化。通過改進以及選擇良發(fā)的中間包覆蓋渣和連鑄保護渣，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。預計到21世紀中葉有可能生產(chǎn)出雜質(zhì)含量只有百萬分之幾的高純鋼。

(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，平均裂紋長度明顯減少，當銅含量超過0.2%時，能在鋼的表面形成致密的保護層，HIC會顯著降低，鋼板的平均腐蝕率明顯下降，平均裂紋長度幾乎接近于零。但是，對于耐二氧化碳腐蝕的管線鋼，添加Cu會增加腐蝕速度。當鋼中不添加Cr時，添加0.5%Cu會使腐蝕速度度提高2倍，而添加0.5%Cr以后，Cu小于0.2%時，腐蝕速度基本不受影響，當Cu達到0.5%時，腐蝕速度明顯加快。

(8)管線鋼中其它元素的作用與控制

化學成分中的碳和鈮是控制鋼板的強度、韌性、可焊性和焊接熱影響區(qū)裂紋敏感性及對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。管線鋼除了以上三種普遍使用的合金元素外，還應根據(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標準中規(guī)定的管線鋼鈮含量下限為0.005%，然而實際在鋼中的控制水平都在0.03-0.05%之間。為標準中的下限值的6-10倍。

釩有較高的沉淀強化和較弱的細化晶粒作用，一般在管線鋼設計中不單獨使用釩。管線鋼中加入微量的釩，可以通過增加沉淀硬化效果來提高鋼板的強度。國外實物鋼板中的含釩量多數(shù)控制在0.05-0.10之間，為API標準中的下限值的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，可以通過提高鋼板強度和韌性的目的，尤其是對提高焊接熱影響區(qū)的韌性具有獨特的貢獻。

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)量分數(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，達到或接近縱向夏比沖擊功數(shù)值。為了使鋼板各向異性達到，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，鋼中的塑性夾雜物和脆性夾雜物是產(chǎn)生HIC的主要根源，分析表明，HIC端口表面有延伸的MnS和A1203點鏈狀夾雜，而SSCC硫化物應力腐蝕開裂的形成與HIC的形成密切相關。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)。