宝钢管线钢的开发与应用

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宝钢管线钢的开发与应用
0 J' H: b1 c8 A; t1. 前言

+ C" T" P/ u' A! O4 o7 |# d- z2 w管线输送具有高效、经济、安全、无污染等特点，是长距离运输石油天然气的有效工具。1948年以来，全球新建管线总长已超过16万km，目前每年仍以2.2-3.2万km的长度增加。
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/ ]; O- m+ I6 |' d3 q为提高输送效率、降低能耗、减少投资和管线运营费用，长输管线向高压、大口径发展已成趋势。这样采用高强度管线钢将更经济，同时由于管线途经的地理环境恶劣，对安全性要求高，需采用焊接方式制管和施工，因而对管线用钢在强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性等方面不断提出更高的严格要求。

. u- x+ A! C9 v# e6 I随着冶金技术的进步，工业性批量生产具有高强度、高韧性、良好焊接性及抗腐蚀性的微合金化管线钢目前已成为现实[3]。这促进了管线工业的发展。
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宝钢经过十多年管线钢的开发和生产，已较好地掌握了高强度高韧性管线钢板卷的微合金化成分设计、冶金工艺控制、生产质量保证等关键技术。通过不断的优化、调整，已逐渐形成宝钢X系列管线钢的成分、工艺体系和生产质量控制技术，实现了产品的更新换代。产品满足了国内外市场需求，质量稳定，先后在我国西气东输工程、印度输油管线、土耳其输气管线等一系列国内外重大长输管线工程中得到成功的应用。

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  W+ Y( l- F, w8 S9 Q" ?! e# H! X2.宝钢管线钢开发的基本冶金特点

. J! U/ @5 p& i$ |& E! p% z) S近代管线钢发展的一个重要特点就是不断降低碳含量，这可显著地改善钢的焊接性能，并有助于提高钢的韧性和改善抗HIC性能。目前管线钢的碳含量一般小于0.11%，对需更高韧性的管线钢则采用碳小于0.06%的超低碳贝氏体或针状铁素体钢的碳含量设计。
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1 F1 a" q0 P5 l+ u( k' H晶粒细化是目前唯一能在提高材料强度同时提高韧性的重要强韧化机制。铌作为现代微合金化管线钢中最主要元素之一对晶凿细化作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体回复和再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段未再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，可使钢具有高强度和高韧性。
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钛是强的固氮元素，Ti/N化学计量比为3.42，利用0.02%左右钛就可固定钢中60×10-6以下的氮，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时奥氏体晶粒长大，有助于提高铌在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区冲击韧性有明显作用。微钛处理技术已广泛地应用于管线钢的生产。

随着大口径、高压、厚壁管线的发展，对管线钢提出更高的强度和韧性，管线钢的组织特征也从以往的“铁素体+珠光体”向“针状铁素体”或“铁素体+贝氏体”组织转变，这样在成分设计上采用钼的合金化。钼是扩大γ相区、推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，可通过组织相变强化进一步提高钢的强度。
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8 L" y; ?0 c8 R3 S1 t! M钒具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在铌、钒、钛三种微合金元素复合使用时，钒可通过析出强化来提高钢的强度。

8 ~: k# \  W' x1 j- p2 K现代冶炼技术的发展，特别是计算机技术的应用，可使钢的化学成分控制在很窄的范围，且炉与炉之间的成分波动很小，同时尽可能地降低钢中硫、磷等有害元素，并对夹杂物进行形态控制，这对保证管线钢的性能稳定、高韧性及良好的抗HIC性能奠定了基础。

管线钢板卷热轧生产采用控轧控冷的热机械处理技术，稳定的轧制条件使管线钢中微合金元素的作用得以充分发挥，并使批量生产的管线钢具有稳定的性能。

通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织控制，获得管线钢所需的性能。

  ~% j( s7 f1 `( U. c; n3．宝钢管线钢的开发与应用
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/ L) p. E& B" b) q9 A5 |1 k3.1       高韧性管线钢的开发与应用
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( ]4 F1 S) n" V: l" k宝钢在二期工程投产后，根据国际管线钢的发展趋势，结合当时中国石油天然气“稳定东部、开发西部”的战略方针，进行高强度高韧性管线钢的开发及试制。这一阶段开发的管线钢都为厚度在10mm以下的热轧板卷，主要解决管线钢韧性不足的问题。研制的X60和X70管线钢在保持原钢种强度等级同时，其冲击韧性大幅度提高，较原工艺生产的提高一倍以上.
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开发研制的X52-X65高韧性管线钢先后在我国塔里木沙漠油气管线、陕西-北京输气管线、库尔勒-鄯善输油管线、涩北-兰州输气管线、兰州-成都-重庆成品油管线等我国重要长输管线工程中得到成功的应用，解决了我国高等级管线用钢长期依靠进口的问题。产品的综合性能与当时进口的国际同类板卷相当。并批量出口海外市场。

8 Q5 r4 u0 e' r3.2       X65高强度厚规格管线钢的开发与应用
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近年来管线钢管向厚壁、大口径方向发展，为满足海外市场和我国未来管线工业发展需求，宝钢从1997年起开始进行X65厚规格高强度管线钢开发。通过16.5mm厚X65管线金刚板卷的试制，探索了宝钢生产高钢级厚规格X65管线钢的生产可行性，积累了实际工艺数据。
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2 g3 T; V4 q" Y3 a, Y8 X( j* ?试制的X65管线钢板卷和用其试制的ø1422mm×16.5mm焊管强度均满足API 5L规范中对X65钢级的要求。通过成分和工艺的调整形成X65高强度高韧性厚规格管线钢板卷的生产控制技术，并应用于批量生产14.3mm厚出口土耳其的X65管线钢板卷。
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/ ~2 w3 P) U, c9 H3 v& A+ s批量生产X65管线钢板卷厚度从原来的10mm以下发展到14.5mm，试生产厚度达16.5mm。1997年以来宝钢已累积生产了52万吨X65高强度高韧性管线钢板卷，并先后应用于印度输油管线、苏丹输油管线和土耳其输气管线等海外管线工程。表3是国外某一制管厂用宝钢管线钢板卷生产ø1，219.2mm×14.3mm厚规格大口径X65高钢级管线钢焊管的管体性能统计结果，焊管具有高强度和高韧性，满足用户的技术条件要求。

# t, e( D0 U; H/ W3 T$ B近年来宝钢管线钢的钢级不断地向高钢级、厚规格发展。在X系列管线钢的年产量中，X65高强度高韧性管线钢所占的比例逐年增加，1999年达83.4%。厚规格高强度X65管线钢的开发和批量生产为宝钢后来进行西气东输工程用管线钢的开发和生产积累了经验。
5 V9 p. q1 J! K5 B  |6 ?3.3       抗HIC 管线钢的开发与应用
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近年来天然气的使用量增加，输气管线的发展速度已超过输送石油等液体管线的速度。由于部分气田的天然气中含有比例较高的H2S成分及水分，特别在输送压力较高时，由于H2S的离解形成氢原子向钢中渗透，氢原子在钢中的夹杂物或组织不均匀处聚积，当氢原子转变为氢分子时因体积增大而产生氢诱裂纹，即HIC（Hydrogen Induced Crack）。因而对输送这类气体的管线钢通常要求具有抗HIC性能。
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具有抗HIC性能的管线钢是管线钢中性能要求等级最高的钢种，产品要求具有超低的硫含量、夹杂物的形态控制、均匀的组织、低的硬度。对这类钢种的成分工艺设计、冶炼和轧制的控制水平均提出高的要求。目前国际上实际使用的具有抗HIC性能管线钢的最高钢级已达X65。

0 ^+ \+ U  W) [# U0 o为满足管线工程的需求，促进企业的技术进步，近年来宝钢对抗HIC管线钢进行了开发研究和工业性试制，研制的X52、X60和X65抗HIC管线钢在具有高强度、高韧性的同时具有良好的抗HIC性能（表4），为我国将建设的忠县-武汉天然气出川管线用钢做好前期技术准备。进一步增加了产品的市场竞争能力。

; ^' [2 s) G: s; C0 Y同时，X65抗HIC管线钢采用针状铁素体组织的研究结果对西气东输工程用针状铁素体型X70厚规格管线钢的研制提供了基础。

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现在宝钢开发的最高级管线钢应该是X100了吧