管线钢知识石油和天然气的需求迅速增长，2011-2015年世界范围内管道建设的工程投资每年近400亿美元。

西气东输二线管道以高强度X80为管材，管径1219mm，压力12MPa，主干线全长4895km。

2010年底的统计资料显示，我国已建立原油管道1.9*104km，天然气管道3.3*104km，成品油管道1.6*104km，油气管道总里程已达6.8*104km，2020年有望达到20*104km。

同时，与我国的能源需求和先进国家的管道水平相比，我国管道建设还有巨大的需求和潜力。

一、管道工程面临的挑战与管线钢发展方向●管道的大管径、高压输送与高强度管线钢由建立在流体力学基础上的设计计算可知，原油管道单位时间输送量与输送压力梯度的平方根成正比，与略大于管道直径的平方成正比。

加大管道直径，提高管道工作压力是提高管道输送量的有力措施和油气管道的基本发展方向。

目前认为，输油管道合适的最大管径为1220mm，输气管道合适的最大管径为1420mm。

在输送压力方面，提高压力的追求仍无止境。

20世纪50-60年代的最高输送压力为6.3MPa（X52），70-80年代的最高输送压力为10MPa（X60-65），90年代后的最高输送压力达14MPa（X70-80）。

近年来，国外一些新建天然气管道压力一般为10-15MPa，一些管道压力已超过20MPa（X100-X120)。

由管道设计准则可知，管道工程的大口径、高压输送这一目标可以通过增加钢管壁厚和钢管强度来实现。

然而，提高管线钢的强度才是一种理想的选择。

这是因为高强度管线钢的采用不仅可减少钢管壁厚和重量，节约钢材成本，而且由于钢管管径和壁厚的减少，可以产生许多连带的经济效益。

据统计，在大口径管道工程中，25%-40%的工程成本与材料有关。

一般认为，管线钢每提高一个级别，可使管道造价成本降低5%-15%。

●管道的低温环境与高韧性管线钢随着管道工程的发展，对管线钢韧性的技术要求日益提高，韧性已成为管线钢最重要的性能指标。

为获取高韧性管线钢，可通过多种韧化机制和韧化方法，其中低碳或超低碳、纯净或超纯净、均匀或超均匀、细晶粒或超细晶粒以及针状铁素体为代表的组织形态是高韧性管线钢最重要的特征。

超纯净管线钢：S≤0.0005%、P≤0.002%、N≤0.002%、O≤0.001%和H≤0.0001%；超细晶粒管线钢：通过严格控制控轧、控冷条件，目前可获得这种有效晶粒大都在尺寸达到1-2um,因而赋予了管线钢优良的韧性。

现代管线钢的Akv可高达200-300J以上，50%FATT可达-45℃以下。

经过精心控制的管线钢，其Akv400-500J以上，DWTT的85%FATT可降至-60℃以下。

●管道的大位移环境与大变形管线钢所谓大变形管线钢是一种适应大位移服役环境的，在拉伸、压缩和弯曲载荷下具有较高极限应变能力和延性断裂抗力的管道材料。

这种管线钢既可满足管道高压、大流量输送的强度要求和满足防止裂纹起裂和止裂的韧性要求，同时又具有防止管道因大变形而引起的屈曲、失稳和延性断裂的极限变形能力，因此大变形管线钢是管道工程发展的迫切需要，也是传统油、气输送管道材料的一种重要补充和发展。

大变形管线钢的主要性能特征是在保证高强韧性的同时，具有低的屈强比（σs /σb＜0.8），高的均匀伸长率（如δu＞8%）和高的形变强化指数（n＞0.15）。

大变形管线钢的主要组织特征是双相组织。

双相大变形管线钢不同于传统的管线钢，也不同于一般意义上的双相钢。

它通过低碳、超低碳的多元微合金设计和特定的控制轧制和加速冷却技术，在较大的厚度范围内分别获得B-F和B-M/A等不同类型的双相组织。

（1）适度的加速冷却方法：在管线钢TMCP的加速冷却过程中，通过适度的冷却速率的加速冷却方法，以获取B-F双相组织。

（2）临界区加速冷却方法：通过始冷温度位于（Ar3-Ar1)临界区的加速冷却方法，以获取B-F双相组织。

（3）延迟加速冷却方法：通过始冷温度位于（Ar1-Bs）温度区间的加速冷却方法，以获取B-F双相组织。

（4）在线分配法：通过在线分配法以获取B-M/A双相组织。

●管道的深海环境与海底管道的厚壁化迄今为止，海底管道的最高钢级为X70，已用于北海油田。

世界上最大水深管道式美国墨西哥东部湾的独立输气管道（ITP），其管径610mm，壁厚34.3mm，材料X65，最大的工作压力25MPa，总长222km，水深2454m。

海底管线成分设计的主要特点是：（1）低的含碳量；（2）低的碳当量；（3）低的S、P含量；海底管线钢在性能和其他方面的主要特点有：（1）高的形变强化指数和均匀伸长率；（2）低的屈强比；（3）优良的纵向拉伸力学性能；（4）低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向的均匀性，低的断口分离和层状撕裂的几率；（5）严格的尺寸偏差和精度控制；（6）由于在沈水管道的敷设过程中需要偏离预定位置焊接，低至4kJ/cm的热输入广泛应用于GMAW工艺。

因此需要在低热输入下良好的焊接性。

●管道的腐蚀环境与耐腐蚀管线钢：基本要求：（1）含碳量小于0.06%；（2）硬度小于22HRC或250HV；（3）含硫量小于0.002%；（4）通过钢水钙处理，以改善夹杂物形态；（5）通过减少C、P、Mn，以防止偏析和减少偏析区硬度；（6）通过对Mn、P偏析的控制，以避免带状组织；●管道在恶劣环境下的焊接与易焊管线钢（1）裂纹管线钢：现代管线钢通常采用0.1%或更低碳当量，甚至保持在0.01%-0.04%的超低碳水平。

目前国外管线钢通常要求CEⅡW小于0.40%或CEpcm小于0.20%，用于高寒地区的管线钢则要求CEⅡW小于0.32%或CEpcm小于0.12%以下。

（2）焊接无脆化或无软化管线钢采用高的焊接热输入可提高焊接的生产效率，但对焊接热影响区的性能会产生重要影响。

高的焊接热输入一方面促使晶粒长大，另一方面使焊接冷却速度降低，从而导致相变温度升高形成不良组织，引起焊接热影响区的局部催化或软化。

管道特征管线钢要求关键技术当代水平高压输送高强度微合金化和多元合金化，低的终轧温度和高的冷却速度X80、X100、X120低温高韧性低碳或超低碳，纯净或超纯净，均匀或超均匀，细晶或超细晶A kv≥200-300JFATT≤-45℃大位移大变形性B-F双相组织的获取；B-M/A双相组织的获取；n＞0.15, δu＞8%,σs/σb＜0.8深海厚壁化低含碳量，低S、P含量，低的断口分离和层状撕裂X70(X80在开发中）t≥40mm酸性油气抗硫化氢应力开裂、抗氢致开裂低含碳量、低S、P量，夹杂物、偏析和带状组织的控制；X70(X80在开发中）＜22HRC，S＜0.002%在恶劣环境下的焊接焊接无裂纹、焊接无脆化或无软化低碳当量；微合金化和多元合金化；CEⅡW＜0.32%，CEpcm＜0.12%二、管线钢的冶金2.1管线钢发展2.2管线钢合金化合金设计的基本特征：（1）低碳或超低碳——由于管线钢以低碳或超低碳为特征，不但改善了焊接性和成形性，而且在其非平衡的冷却相变组织中通常不含有渗碳体，因而具有高韧性。

（2）增加锰含量——减少钢中碳含量使屈服强度下降可以通过其他强化机制的应用予以补偿，最常用的就是以Mn代碳。

Mn的加入引起固溶强化，还能降低钢的γ—α相变温度，而γ—α相变温度的降低对α的晶粒尺寸具有细化作用。

(3)微合金化——在管线钢中，主要是指Nb、V、Ti等强烈碳化物形成元素。

微合金元素在管线钢中的主要作用表现在：A.阻止奥氏体晶粒的长大—在控轧再热过程中，未溶微合金元素Nb、V、Ti的碳、氮化物将通过质点钉扎晶界的机制而明显阻止奥氏体晶粒的粗化过程。

B.延迟奥氏体的再结晶—在钢板的控轧过程中，通过固溶微合金元素Nb、V、Ti 的溶质原子拖曳和应变诱导沉淀析出的微合金碳、氮化物质点对晶界和亚晶界的钉扎作用，可显著阻止形变奥氏体的再结晶，从而通过由未再结晶奥氏体发生的相变而获得细小的相变组织。

C.延迟γ—α的相变过程—在高温形变后的冷却过程中，微合金元素Nb、V、Ti在晶界偏聚会阻碍新相形成，从而降低而γ—α相变温度，抑制多边形铁素体相变，促进针状铁素体形成。

D.沉淀析出强化—在轧制及轧后的连续冷却过程中，通过正确的控制微合金碳、氮化物的沉淀析出过程可达到沉淀强化的目的。

微合金碳、氮化物可在热轧过程中从奥氏体中析出，或在相变过程中在相界析出，或在最终冷却过程中从饱和铁素体中析出。

E.多元合金化—Mo合金化是管线钢多元合金化的一个典型。

Mo能降低过冷奥氏体的相变温度，抑制多边形铁素体的形成，促进针状铁素体转变。

工业实践表明，含Mo管线钢在轧后5-7℃/s较低的冷却速度下即可形成针状铁素体，对厚度为12-16mm的Mo合金化钢板，在空冷条件下便可获得针状铁素体组织。

合金设计的研究进展：（1）以超高强度为目标的硼合金设计——为达到超高强度管线钢强韧性目标，X120管线钢在成分设计上选择了C-Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-V-Ti-B的最佳组合。

这种合金化设计思想充分利用了B在相变动力学上的重要特征。

B的原子尺寸较小，由于尺寸效应，B作为表面活性元素吸附在奥氏体晶界上。

B原子在晶界的偏聚，降低了境界能，阻碍新相在晶界上形核，延缓γ—α转变。

含B管线钢的技术难点是在冶炼上必须精确控制B含量。

B含量低于0.0005%时，提高淬透性作用甚微，高于0.003%时，则会产生B相沿晶界析出，产生热脆现象。

（2）以高温轧制工艺技术为依托的高Nb合金设计——随着管线钢冶炼技术的进步，钢中含碳量逐渐降低。

由于钢中含碳量的降低，提高了Nb在奥氏体中的溶度积，可允许添加较高含量的Nb。

当奥氏体中固溶Nb含量增加时，奥氏体再结+80℃，比常规高晶温度显著提高，因而可采用较高的轧制温度（终轧温度为Ar3100℃）来生产满足现代油、气管道所需要的高强韧钢板。

这种方法被称之为“高温工艺技术”，或简称为“HTP”技术。

一般认为，HTP管线钢中C和Nb的质量分数是0.03%-0.04%和0.08%-0.11%。

A.可采用较高的轧制温度，提高轧制效率—当Nb含量从0.04%增加到0.08%时，通过对再结晶形核率和晶界迁移率的影响，50%再结晶时间从10s增加到200s。

因此，高Nb合金化技术可采用较高的轧制温度，从而可缓解传统合金化技术对轧机的苛刻要求，提高轧制效率。

B.以Nb代替Mo，降低合金化成本—Nb有较好的的延迟γ—α相变过程的作用。

通过高Nb合金化设计，在非Mo合金化条件下，可获得针状铁素体组织。

由于以Nb代替Mo，因而高Nb合金化技术的合金元素成本降低。

C.基于防止焊接热影响区脆化的微Ti合金设计—焊接热影响区是焊接钢管的薄弱环节。