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管线用低合金钢 (low alIoy steel for pipeline)

石油、天然气长输,油田集输,X46级以上的管线用钢板和热连轧带钢的总称,简称管线钢。

石油、天然气是现代工农业和国防建设不可缺乏的燃料和原料,采用管线形式长距离输送的经济性和可靠性,使制管行业和必须的板材生产获得了优先开发。中国管线钢的研制和生产,在2000年前后面临一个新的发展时期,在管线用钢的系列化方面,在产量和质量上都迫切需要有一个较大的飞跃。从1995年开始,将陆续敷设25条陆上和海洋油气输送管线,总长度13000km。煤炭行业煤粉浆体输送也采用长输管线,8条输煤管线的可行性研究总长度为5500krn。

技术要求 管线钢的生产都按API SPEC 5L 验收和供货。美国石油学会API技术规范以其先进性、通用性和安全性在国际上享有很高声誉,并为多数国家所采用(原有的SPEC 5LS和5LX已合并于1995年4月的API第41版本之中)。

(1)化学成分。API对制管(包括无缝钢管和焊接钢管)用材的熔炼分析化学成分规定如表所示。

 

该规范包括由A25~X80共12个强度级别的管线用钢,高于X42级,可以添加铌、钒、钛及其他元素,根据制成钢管的规格尺寸确定添加数量。

(2)高强度。要求管线钢具有高的屈服强度,从而获得较好的经济效益。对于X65级以上的贝氏体类型的管线钢,由于制管工艺引起的包辛格效应将有所减弱。

(3)高韧性。夏氏V型缺口冲击试验(SR5)和落锤撕裂试验(SR6),可以作为附加条件评定钢的脆性破坏的倾向。对于使用于%26ldquo;高寒地带的管线,高硫油气的管线和海底管线用钢,又针对管线敷设条件和油气田特性,提出不同的技术要求。经验表明,管线断裂特性中,管内介质减压波速度大于管线脆性断裂扩展速度时为延性破断,相反则表现为脆性破坏。因焊管中不可避免存在各种缺陷,当管材冲击韧性确定之后,管径越大、壁厚越大,则容许的缺陷值越高。当管材工作温度高于FATT时,采用夏氏V型缺口冲击试验;低于FATT时,以COD试验来预测管线的止裂能力较为适宜。

(4)良好的焊接性。钢材焊接性的设计原则,实际上就是马氏体点(Ms)和最大马氏体硬度(HVmax )的控制,通常以钢的焊接碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性系数(Pcm)来评定管线钢的焊接性水平。由于野外敷设管线的恶劣条件以及制管的工艺技术水平,力求焊缝的高质量。管线多数采用的是螺缝焊管,但这种管线有一些不可忽视的缺点,如焊接热影响区大,焊缝成形易造成局部应力集中,管壁的残余拉应力可导致钢管承压能力的减弱。UOE管焊缝可靠性高,适用于海底、河流穿越、大落差地段以及较难以维护地段的管线。高频电阻焊(ERW)管的焊接质量比较稳定,易于实现自动化操作,并解决了在线焊缝退火处理和超声波探伤,近年ERW管已由陆地管线扩大用于海底管线。

(5)耐腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。管线钢最为普遍的是经受内壁高硫油气的H2S腐蚀和外表面的海水腐蚀。

成分设计 管线钢成分设计的基本方案是低碳、高锰和铝镇静,以及微合金化。

首先摒弃了迄今的提高钢中碳含量、牺牲钢的塑韧性为代价、而追求强度的传统设计思想,从适应现场焊接条件和优良的强度、塑性、韧性的匹配出发,先后开发了微珠光体钢(%26le;0.08C)、无珠光体钢(%26le;0.05C)、针状铁素体钢(%26le;0.05Xc)和超低碳贝氏体钢(%26le;0.03%C)等钢种。其次是力求降低钢中硫含量和控制钢中硫化物的形态,新型管线钢的硫含量都%26le;0.008%,实际控制水平则更低,如X60级管线钢含硫量一般控制在0.008%~0.015%、X65级为0.005%~0.008%,X70级在0.002%~0.005%。微合金化是新型管线钢合金设计的特点之一,添加碳氮化物形成元素铌、钒、钛等,通过细化晶粒、改变相变动力学和溶质原子过饱和状态的脱溶行为,以获得超越传统管线钢的性能水平,微合金化元素对钢的组织和性能的影响如图1所示。

特别是铌-钒、铌-钛复合微合金化则充分利用了不同碳氮化物形成元素的溶解析出行为,得到优于单一元素微合金化的管线钢。钢中铌、钒、钛的微合金化的细化晶粒和析出强化的效果又与钢中的氮含量有关,钒一钛一氮管线钢是很有特色的品种。在传统的调质型低合金高强度管线钢中,硼的加入对提高钢的淬透性具有积极影响,在非调质的微合金化管线钢中,硼的存在使铌微合金化效果更好。X80~X100级管线钢合金设计的另一成功范例,即在钢中加入0.5%镍和0.3%铜,以充分利用了铜的析出强化效果。较高镍铜含量的X70级沉淀硬化型管线钢在国外已试制成功,如在正火+回火状态下使用的IN787和NiCu age70钢。

生产工艺 长输油气管线用钢生产流程及其要点见图2。

根据性能要求,在合金设计时,首先要考虑钢的组织类型微观精细结构和强韧化机制,在以后的冶炼、轧制、热处理等工序操作中,都包括着丰富的化学冶金、物理冶金和力学冶金的内容。作为现代管线钢生产的工艺要点为:

(1)在70年代前,管线钢的冶炼采用平炉、电炉和纯氧顶吹转炉三种冶炼方式。此后,基本上都采用顶底复吹转炉冶炼,X80级管线钢和一小部分X70级管线钢,仍沿用电炉冶炼。转炉冶炼的短周期和高产量与连续浇注相结合是最佳的工艺模式,可以顺利地冶炼各种合金类型的低碳超低碳管线钢。根据不同的需要,可采取铁水预处理和钢水吹氩、喷粉、真空脱气等二次精炼工艺,以实现脱气、成分均匀化、合金微调、夹杂物形态控制等诸多目的。微钛处理的管线钢,连铸工艺的应用则具有更大的意义。

(2)新型管线钢的生产,采用微合金化与控制轧制、控制冷却的工艺相结合才是完善的。后者又称之为钢的组织和性能的在线控制。再结晶控制轧制和常规控制轧制是两类典型控制轧制工艺,其核心是高温奥氏体再结晶、非再结晶区的富化生核和碳氮化物的析出强化。控制轧制各因素的相互关系如图3所示。

 

带钢轧后的适宜的速度冷却通过相变温度区,是获得高强度等级管线钢的有效工艺手段。间隙式加速冷却或连续式加速冷却,可以调整钢中铁素体的类型、铁素体中位错密度、贝氏体相的尺寸、贝氏体中析出相的数量和尺寸。

(3)X70级以下的新型管线钢生产都是在控制轧制或控制轧制一控制冷却状态下获得最终性能的。调质型的管线钢和沉淀硬化型管线钢,仍需进行热处理。


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