管線鋼組織及性能研究

管線鋼發(fā)展趨勢及組織特征09月管線鋼組織及性能研究第1頁

管線鋼發(fā)展趨勢A

管線鋼經(jīng)典組織特征B內(nèi)容提要

管線鋼生產(chǎn)案例分析C管線鋼組織及性能研究第2頁

伴隨國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求提升，天然氣需量與日俱增，預(yù)計(jì)我國天然氣消費(fèi)需求將達(dá)3600億立方米。而我國天然氣資源60%集中在西部地域或進(jìn)口中亞和俄羅斯天然氣，為確保大輸量和安全輸氣，高壓大輸量長距離輸送必將成為我國天然氣管道輸送發(fā)展趨勢。高壓大輸量長距離輸送必將成為我國天然氣管道輸送發(fā)展趨勢。管道建設(shè)正在向高鋼級、大型化（大口徑、大壁厚）方向發(fā)展。國內(nèi)發(fā)展動態(tài)大輸氣量管線鋼組織及性能研究第3頁更高壓力----增到17MPa

更大口徑----增到1422mm更大壁厚----增到30.8mm

更高鋼級----X90或X100/X120

更高標(biāo)準(zhǔn)----API第45版、專業(yè)石油企業(yè)附加標(biāo)準(zhǔn)

更安全----全生命周期完整性管理技術(shù)趨勢50-70年代70－90年-至今90-2000--2012管線鋼主要采取A3、16Mn日本進(jìn)口TS52K(相當(dāng)于X52)1996年陜京管道工程：管徑660mm鋼級：X60壓力：6.4MPa-,西氣東輸管道工程管徑：1016mm壁厚：最大26.2鋼級：X70壓力：10MPa-,西氣東輸管道工程二線管徑：1219mm壁厚：最大27.5鋼級：X80壓力：12MPa趨勢：管徑：1219-1422mm壁厚：最大30.8mm壓力：17MPa鋼級：X90/100油氣輸送鋼管發(fā)展趨勢管線鋼組織及性能研究第4頁提升鋼級，從X80提升為X90/100，鋼管已進(jìn)行單爐或小批量試制增大輸氣量四個方案增大管徑，從OD1219mm,增到OD1422mm，正進(jìn)行產(chǎn)品試制提升設(shè)計(jì)系數(shù)，從0.72提升到0.8，進(jìn)行了近12.5萬噸批量生產(chǎn)提升輸氣壓力，從12MPa增到17MPa，北美將采取輸送壓力超出17MPa。管線鋼組織及性能研究第5頁

同時，邊遠(yuǎn)荒漠、高寒凍土帶和海洋等極限及特殊環(huán)境區(qū)域油氣田開發(fā)日益興起，這些地域惡劣地理環(huán)境和管道服役條件，對焊管在耐腐蝕性能、耐低溫、抗變形以及適應(yīng)海洋服役等方面提出了特殊要求，不停挑戰(zhàn)鋼板和鋼管技術(shù)極限，產(chǎn)品開發(fā)含有遼闊市場前景和較高附加值。所以各鋼管廠為滿足鋼管新需求，主動主動參加到各種鋼管研制過程中。特殊性能管線鋼組織及性能研究第6頁抗低溫鋼管CVN溫度從-10℃降低到-40℃，DWTT從0℃降低-20℃增加特殊性能要求深海用鋼管增大厚徑比，提到低溫韌性，提升加工幾何尺寸精度大應(yīng)變鋼管增加均勻延伸率和縱向拉伸性能，要求較低屈強(qiáng)比抗腐蝕鋼管提升管材抗HIC和SSCC能力，甚至采取復(fù)合鋼板加工厚壁螺旋鋼管X80鋼級，1219螺旋鋼管壁厚增加到22mm管線鋼組織及性能研究第7頁

抗低溫鋼管管線鋼組織及性能研究第8頁巴庫-第比利斯-杰伊漢管道“耶穌魚”管道項(xiàng)目抗酸鋼管管線鋼組織及性能研究第9頁

墨西哥灣深2412m、長222kmITP管道波羅海海底管線—北溪管道深海管線用鋼管管線鋼組織及性能研究第10頁

管線鋼發(fā)展趨勢A

管線鋼經(jīng)典組織特征B內(nèi)容提要

管線鋼生產(chǎn)案例分析C管線鋼組織及性能研究第11頁

鐵素體多邊形鐵素體（PolygonalFerrite）：在很慢冷速下形成先共析F，含有規(guī)則晶粒外形；準(zhǔn)多邊形鐵素體（Quasi-polygonalFerrite）：在較低溫度下以塊狀轉(zhuǎn)變（MassiveTransformation）而取得，又稱塊狀F；塊狀轉(zhuǎn)變特點(diǎn)是新相和母相成份相同，故只有含碳量很低鋼在快速冷卻時可發(fā)生這類相變；含有不規(guī)則晶粒外形；性能上來講，QF顯微組織含有較高強(qiáng)度水平和延性；另外，其內(nèi)部較高位錯密度和少許MA組織，還使得這類組織含有較低屈強(qiáng)比和高硬化速率。（抗大變形管線鋼一個組織）多邊形鐵素體（PF）準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）管線鋼組織及性能研究第12頁

粒狀貝氏體20世紀(jì)50年代，Habraken等在低碳/中碳合金鋼中首先發(fā)覺粒狀貝氏體組織。該組織在較慢冷卻速率下出現(xiàn)；相變特點(diǎn)：因?yàn)槔渌佥^慢，碳有足夠時間由α/γ相變前沿界面向γ內(nèi)以較快速度擴(kuò)散；防止了碳化物析出，造成殘余奧氏體碳含量升高，發(fā)生奧氏體穩(wěn)定化，在隨即冷卻過程中，富碳奧氏體或轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，或保留至室溫；組織特征：板條束鐵素體/先共析鐵素體基體上彌散分布有M-A小島，因?yàn)樾u展現(xiàn)顆粒形態(tài)，故命名為粒狀貝氏體（GranularBainite）。粒狀貝氏體及EBSD圖片（GB）經(jīng)典X80粒狀貝氏體顯微組織管線鋼組織及性能研究第13頁

針狀鐵素體

針狀鐵素體（Acicularferrite）：低碳低合金鋼冷卻過程中，在較低溫度下，與貝氏體相變相近區(qū)域形成（形成溫度高于板條貝氏體）；其二維特征呈針狀，并含有片狀界面特征；針狀鐵素體首先在鋼中預(yù)先存在缺點(diǎn)處（如MnS、VCN、氧化物冶金等夾雜物）形核、長大，隨即不停激發(fā)新晶核；針狀鐵素體內(nèi)位錯密度較高1014m-2；管線鋼組織判定中：針狀F（AF）泛指含有貝氏體特征組織，即包含粒狀貝氏體、板條貝氏體鐵素體等。針狀鐵素體（AF）管線鋼組織及性能研究第14頁板條貝氏體對低合金管線鋼，當(dāng)冷卻速率較快時，貝氏體呈板條狀；與粒狀貝氏體相比，板條貝氏體更細(xì)。BF：由相互平行且?guī)в泻芨呶诲e密度板條鐵素體組成，板條界為小角度晶界；若干鐵素體板條平行排列成板條束，板條束界面為大角度晶界；板條間有條狀或斷續(xù)點(diǎn)狀殘γ（M-A相）。EBSD分析顯示：與粒狀貝氏體不一樣，板條貝氏體內(nèi)BF板條束以大角度晶界分割，且板條貝氏體中BF要細(xì)小多。板條貝氏體（BF）管線鋼組織及性能研究第15頁

M-A組元低碳微合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w時，在形成貝氏體F過程中，碳在參加奧氏體中逐步富集。因?yàn)橄嘧儨囟雀?，相變?qū)動力小，轉(zhuǎn)變不徹底，少許奧氏體殘留下來，以島形式分布在板條貝氏體內(nèi)，同時在大角度晶界上也常有小島存在。對管線鋼成份而言，富碳奧氏體難以保留至室溫，大部分奧氏體冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，稱M-A，它反抗HIC性能有一定影響，理想狀態(tài)為數(shù)量少、尺寸小，M-A為脆性相，小島數(shù)量、大小、形態(tài)和分布對管線鋼韌性寸小、均勻分布、形態(tài)應(yīng)趨于球狀，那些長條狀、或帶尖角MA對性能不利。SEM照片中M-ALepera試劑染色后M-A分布管線鋼組織及性能研究第16頁

Gr.B-X60顯微組織L245(Gr.B)-200*L360(X52）-500*L415（X60）-500*

X60及以下級別管線鋼屬于鐵素體-珠光體，這類鋼普通以C-Mn為主，C含量普通在0.10%~0.15%，有時也加入微量Nb等元素，這類鋼終冷溫度控制比較高（普通在630以上，對應(yīng)顯微組織也比較簡單，普通為鐵素體+少許珠光體（如圖）。這類管線鋼在卷管過程中會出現(xiàn)包辛格效應(yīng)而使屈服強(qiáng)度降低，其主要原因在于其基體位錯密度低，晶粒相對較粗，沒有加工硬化效果，軟相鐵素體和硬相珠光體將發(fā)生不均勻變形，將會造成管線鋼屈服強(qiáng)度降低，所以這類管線鋼普通要采取提升強(qiáng)度余量以確保鋼管性能合格。管線鋼組織及性能研究第17頁

X65顯微組織20mm-L450(X65)-0.25-500*26.4mm-L450(X65)-0.25-500*

X65級別管線鋼基體組織屬于多邊形鐵素體+針狀鐵素體+少許粒狀貝氏體（如圖），這類鋼普通成份體系低碳+微合金Nb、Ti、Cr設(shè)計(jì)，C含量普通在0.05%~0.07%，這類鋼終冷溫度普通在550-600之間。強(qiáng)度級別在580Mpa左右，基體組織受板厚影響，其軟硬相占比有顯著不一樣，20mm以下規(guī)格主要以針鐵+粒貝為主，與X70類似，而在大壁厚尤其是深海管線中其厚度方向組織中多變形鐵素體占比較大，這也是為確保其低溫韌性而設(shè)計(jì)。管線鋼組織及性能研究第18頁抗酸X65MS顯微組織18.54mm-X65MS-0.25-500*18.54mm-X65MS-0.5-500*

抗酸X65MS管線鋼基體組織屬于多邊形鐵素體+針狀鐵素體+少許粒狀貝氏體（如圖），這類鋼普通成份體系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Ni設(shè)計(jì)，C含量普通在0.03%~0.05%，Mn含量普通在1.10%之內(nèi)，強(qiáng)度級別在570Mpa左右。成份采取低C、Mn、P、S設(shè)計(jì)，以降低HIC敏感性，減輕中心偏析，如圖。在大冷速作用下，以促進(jìn)AF形成來確保強(qiáng)度及低溫韌性。管線鋼組織及性能研究第19頁

X70顯微組織17.5mm-L485(X70)-0.25-500*21mm-L485(X70)-0.25-500*

X70級別管線鋼基體組織屬于QF+AF+GB（如圖），這類鋼普通成份體系低碳+微合金Nb、Ti、Cr設(shè)計(jì)，C含量普通在0.04%~0.06%，這類鋼終冷溫度普通在480-550之間，強(qiáng)度級別在630Mpa左右。X70近年來應(yīng)用在油氣管道中較為普遍，如中緬線、西二線、西三線、廣西LNG天然氣項(xiàng)目、大唐煤制氣項(xiàng)目等都有使用，該鋼在25mm以下供貨較多，基體組織中隨厚度改變QF含量增多，晶粒度在12級以上，因?yàn)镚B及針鐵大量出現(xiàn)，在制管過程中，受到加工硬化、第二相粒子釘扎作用等作用下，包辛格效應(yīng)消除，屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均會上升，所以在鋼板生產(chǎn)時有意將屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比做低。28mm-L485(X70)-0.25-500*管線鋼組織及性能研究第20頁抗大變形X70HD顯微組織17.5mm-X70HD-0.25-500*21mm-X70HD-0.25-500*

抗大變形X70HD管線鋼基體組織屬于QF+少許AF+板B（如圖），這類鋼普通成份體系低碳+微合金Nb、Ti、Cr設(shè)計(jì)，C含量普通在0.04%~0.06%，這類鋼終冷溫度普通在300-380之間，強(qiáng)度級別在670Mpa左右。與以往常規(guī)X70管線鋼所不一樣是，該鋼需要確保各項(xiàng)應(yīng)力比及均勻延伸率，即：

縱向Rt1.5/Rt0.5≥1.12，Rt2.0/Rt1.0≥1.05，Rt5.0/Rt1.0≥

1.09，均勻延伸率≥10%，從工藝角度出發(fā)，必須確保拉伸曲線足夠拱，抗拉強(qiáng)度足夠高，低溫韌性足夠好才能滿足上述條件，所以在研制該鋼工藝中，將入水溫度設(shè)定在Ar3以下30-50℃，返紅溫度設(shè)定在400℃，以確保雙相組織形成，即軟相QF大量先析，板B在大冷速、低返紅形成，從而使得各項(xiàng)應(yīng)力比、強(qiáng)度等滿足工藝條件。管線鋼組織及性能研究第21頁X80顯微組織15.3mm-X80-0.25-500*22mm-X80-0.25-500*X80管線鋼基體組織屬于AF+GB（如圖），這類鋼一般成分體系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr設(shè)計(jì)，C含量一般在0.04%~0.06%，這類鋼終冷溫度一般在300-380之間，強(qiáng)度級別在700Mpa左右。X80是二十一世紀(jì)以后應(yīng)用較為普遍高強(qiáng)度管線鋼，這與以往低鋼級管線鋼不一樣，其組織有質(zhì)變化，在微合金Mo、Cr加入使得Ar3更低，深入擴(kuò)大未再結(jié)晶區(qū)，形變誘導(dǎo)析出AF效果更為顯著，X80主要是以粒B+MA為主，晶粒度可達(dá)到12級以上，MA出現(xiàn)對該鋼強(qiáng)度提升起到較大影響。X80供貨規(guī)格應(yīng)用較普遍在22mm以下，在長久規(guī)劃中如中俄管線、新浙粵項(xiàng)目等重大工程上，大口徑、大壁厚X80將會使用到。管線鋼組織及性能研究第22頁X90-X100顯微組織16.3mm-X90-0.25-500*17.8mm-X100-0.25-500*

X90-X100管線鋼基體組織與X80類似，屬于AF+GB（如圖），這類鋼普通成份體系低碳+微合金Nb、Ti、Mo、Cr設(shè)計(jì)，C含量普通在0.04%~0.06%，這類鋼終冷溫度普通在300-360之間，強(qiáng)度級別在800Mpa左右。X90-X100在國內(nèi)油氣管道工程中還未應(yīng)用，國外也只是在20世紀(jì)80年代后在部分試驗(yàn)段使