高强度石油天然气管线钢的合金设计

高强度石油天然气管线钢的合金设计DouglasG.Stalheim1,KeithR.Barnes2,DennisB.McCutcheon31DGSMetallurgicalSolutions,Inc.,16110NE4thStreet,Vancouver,WA98684USA,Ph.[phone],Fax[phone]KBTechnicalServices,Inc.,4KnotsLandingCourt,StoneyCreek,ONCanada,L8E4H2,Ph.(905)662-37383Technology,Stelco,Inc.,386WilcoxStreet,Hamilton,ONCanada,L8N3T1,Ph.[phone]ext.3235摘要：将石油天然气从偏远崎岖地区运输至市场需使用在各种温度条件下均具有优异韧性的高压输送管线。这一目标可通过增加管线壁厚或钢的强度，以及通过两者的合理匹配来实现。增加壁厚导致建设成本增加，因此，在过去的10年里管线设计的目标一直在致力于采用高钢级的管线钢，如在各种设计温度条件下具有优异韧性的X70、X80，甚至更高级别的管线钢等。在高强高韧管线钢生产中已使用了大量的合金设计方法，但昀终确定的组织控制方案主要有二：铁素体/珠光体型和铁素体/针状铁素体型，而且，两种类型钢的制管工艺是完全不同的。除了钢的成本因素之外，轧机和制管设备的能力也是决定采用哪一种组织类型来满足特定管线项目的关键因素。目前，先进的计算机模拟技术已可用于辅助完成这一目标。目前，有两种以Nb微合金化为基础的获得铁素体/针状铁素体组织的合金设计方法。其中一种采用Mo合金化的方法在过去15年的文献中被经常报道，该技术主要依靠低温轧制技术，因此对轧机能力要求较高，也影响生产效率。另一种方法是近年来广泛使用的高Nb合金化技术。第二种合金化设计的不同寻常之处是它可以采用较高的轧制温度来生产满足现代输送管线需要的高强韧钢板。这种方法被称之为“高温工艺技术”、或简称为“HTP”技术。该技术可提高轧制效率，也可缓解传统合金化技术对轧机的苛刻要求。本文将重点关注HTP概念，探讨这两种不同的组织设计方法，以及生产中相关的合金化设计和轧制工艺原则。文中也将介绍实际管线项目应用、轧制与制管设备、实验问题，以及预测模型的应用等问题。关键词：HTP；针状铁素体；X80；模型；组织；韧性；管线钢；钢卷；炉卷前言已探明的油气储量被发现在越来越崎岖、偏远的地区。这些地区往往是寒冷或地质不稳定的地方，这给管线用材料带来巨大的挑战。除环境因素之外，油气公司为更经济地将油气输送至市场，输送压力也正在逐渐提高。表1管线设计趋势以及材料特征管线设计特征管线材料特点提高输送压力增加管线钢强度和/或厚度。断裂韧性可能会有所降低，而且由于合金化需要（微合金钢和/或Cu、Ni、Cr、Mo等合金化）使材料成本增加、更加严格的轧制工艺、接近断裂止裂模型极限等。寒冷的环境高的低温断裂韧性。较高的韧性要求钢应具有较高的洁净度、夹杂物形状控制、低的C、P、S含量，更为严格的轧制工艺、额外的裂纹止裂评估方法（CTOD等），材料的成本将受所需工艺和成分控制的影响等。地质条件（永久冻土带）应变设计，需要较高的纵向强度、需要较高的均匀延伸性能，不必与高强度钢的组织设计相一致。焊接较低的碳当量（CE/Pcm）需要新的合金化设计，对强度范围要求也更加严格，由此导致制造成本增加。抗氢致裂纹低碳、较高的洁净度、夹杂物形状控制、较低的S、P含量、较高的铸坯成分均匀性。因合金化和制造工艺等因素使钢的成本显著增加。海底管线应变设计、较高的纵向强度性能、较低的钢板各向异性，这些要求也需要改善合金设计，从而导致成本增加。过去的陆上输送管线设计主要是以应力为基础进行设计的，如管线材料基本上以承受内部压力和压力波动为基础。然而，因为铺设过程的侧面弯曲以及受海底海流变化等因素的影响，海底输送管线往往采用应变设计原则。随新发现油气田的气候和位置（如永久冻土带）的变化，陆上管线也逐渐由应力设计转变为应变设计。另外，天然气由低硫气向酸气的变化、令人关注的公共安全和环境问题、逐渐增加的输送压力以及管线制造和安装成本等因素使管线设计采用更高的强度、良好的抗止裂性能、抗氢致裂纹能力、良好的焊接和成形性能等。管线材料的这些特征总结见表1。2合金设计方法为满足管线设计不断发展的要求，在过去35年里受成本、炼钢与轧制技术发展的驱动，管线钢的合金化设计也发生了很大变化。管线钢合金设计发展的昀终结果是确定了两种基本的组织类型，这两种组织的钢是目前世界范围内API标准管线钢商业化生产的基础，它们是铁素体/珠光体钢和铁素体/针状铁素体钢。近年来发展的高钢级管线钢X100、X120又出现了第三种组织类型，这种组织是在针状铁素体基体上，含有少量马氏体与其它形式的贝氏体组织而构成。API管线钢的合金设计是基于低C-Mn-Si合金化而发展起来的，这种合金化已成熟应用于API5LB和X42钢生产。采用添加小于0.065%的单一微合金元素或复合微合金化；再根据钢板厚度、轧机能力等添加少量的合金元素（CuNiCr）可生产APIX52-X70。在API管线钢生产中应用的主要微合金化是Nb。为获得更高的强度，V微合金化作为辅助作用也被广泛使用。在不考虑轧制工艺条件下，C-Mn-Si微合金钢的组织类型是铁素体/珠光体，这种合金化/组织设计的制造成本昀低。较高强度的X70及其以上的高钢级管线钢的合金设计，或为补偿轧机能力而进行的X65钢级的合金设计都是以微合金化的C-Mn-Si钢为基础，同时添加少量的Cu、Ni、Cr等元素（即可单独添加，也可复合添加，总量应小于0.6%），再添加少量Mo(昀大量0.3%)而进行合金设计的。Mo合金化与合适的轧制、冷却工艺结合可获得铁素体/针状铁素体组织。在非Mo合金化情况下，通过添加总量昀大达0.11%Nb也可获得该组织，因为这种钢可在较高的终轧温度条件下实现材料生产，因此被称之为HTP技术。通过增加Mn、Cu、Ni、Cr、Mo的含量，以及采用B微合金化技术已可生产APIX100及APIX120高钢级管线钢。这种合金设计会导致其他类型的贝氏体组织以及少量的马氏体出现，从而降低钢的焊接性能，也使材料的制造成本增加。表2总结了各种API强度级别管线钢的合金/组织设计概况。一般来说，铁素体/珠光体组织设计的目标是提高钢的强度。提高合金成分对很多管线性能有负面影响，因此，管线、组织和合金化间必须建立良好的平衡关系。表2API管线钢的合金设计API钢级合金化X120针状铁素体/贝氏体/马氏体,C0.10,Mn2.0,Si0.40,Nb0.06,Cu,Ni,Cr,Mo,V,B,Pcm≤0.25X100针状铁素体/贝氏体,C0.06,Mn2.0,Si0.40,Nb0.06,Cu,Ni,Cr,Mo,V,Pcm≤0.23铁素体/针状铁素体,C≤0.06,Mn1.70,Si0.40,Nb≤0.10,Cu,Ni,Cr,Pcm≤0.18X80铁素体/针状铁素体,C≤0.06,Mn1.70,Si0.40,Nb≤0.10,Cu,Ni,Mo,Pcm≤0.21D/t50:F/AF,C≤0.06,Mn≤1.65,Si0.40,单合金化Nb≤0.10,或Nb+Mo,Pcm≤0.18或0.21X70D/t50F/P,C≤0.10,Mn≤1.65,Si0.40,单合金化Nb≤0.065,或Nb+V≤0.15,Pcm≤0.20X65铁素体/珠光体,C≤0.10,Mn≤1.65,Si0.40,单合金化Nb≤0.065,或Nb+V≤0.15,Pcm≤0.23X65酸性气体铁素体/珠光体,C≤0.05,Mn≤1.35,S≤0.003,Si0.30,Cu+Ni+Cr≤0.70,单合金化Nb≤0.065,或Nb+V≤0.15,Pcm≤0.15X60铁素体/珠光体,C≤0.10,Mn≤1.50,Si0.40,单合金化Nb≤0.06,或Nb+V≤0.12,Pcm≤0.23X60酸性气体铁素体/珠光体,C≤0.05,Mn≤1.20,S≤0.003,Si0.30,Cu+Ni+Cr≤0.70,单合金化Nb≤0.065,或Nb+V≤0.12,Pcm≤0.15X52铁素体/珠光体,C≤0.10,Mn≤1.20,Si0.40,单合金化Nb≤0.050,Pcm≤0.17X52酸性气体铁素体/珠光体,C≤0.05,Mn≤1.10,S≤0.003,Si0.30,Cu+Ni+Cr≤0.60,单合金化Nb≤0.050,或Nb+V≤0.10,Pcm≤0.13X42铁素体/珠光体,C≤0.10,Mn≤1.00,Si0.40,单合金化Nb≤0.050,Pcm≤0.165LB铁素体/珠光体,C≤0.20,Mn≤1.00,Si0.40,Pcm≤0.163API管材钢生产技术3.1炼钢在冶炼过程中生产满足API管线铸坯中，一些工艺参数和合金加入过程必须严格控制，相关要求见表3。表3主要炼钢参数及其对铸坯/钢管质量的影响工艺主要参数影响夹杂物形状控制冲击韧性，HIC吹氩时间洁净度–冲击韧性，内部洁净度，抗HIC性能LF精炼总时间综合洁净度氩气保护综合洁净度过热度中心线偏析、组织控制、钢板韧性、HIC铸机条件中心线成分偏析/组织，中心线疏松(可能出现中心分层)昀小中间包重量头坯和尾坯的洁净度–冲击韧性、内部冶金质量，HIC保护渣控制综合洁净度–冲击韧性，内部冶金质量连铸连铸拉速表面质量，局部洁净度切坯切割温度冷–可能产生边裂和端裂生产高强韧性管线钢的铸坯厚度规格为：150mm厚中等厚度坯主要为炉卷轧机提供坯料；常规热连轧流程的坯厚一般为220~300mm；目前，也有采用厚度50mm的薄板坯，利用Nb、V微合金化技术生产厚度小于12mm钢带的生产技术。3.2管线钢轧制3.2.2API管线钢的轧制技术利用各种轧制技术生产API管线钢的主要目标是控制钢板的平直度，这在实际生产中是难以控制和保持的。•保持加热和轧制过程中的温度控制来满足产品的要求——组织、力学性能；•保持确定的时间表和轧制规程以保证产品的要求——组织，力学性能，规格，生产效率。需重点控制的参数以及它们对管线的影响见表4。表4主要轧制参数及其对钢卷/钢板/管线质量的影响工艺主要参数影响加热加热时间－温度控制合金设计的成本有效使用,均匀的组织/物理性能，良好的韧性初轧起草计划方案，运行控制，再结晶控轧，实现预定的中间坯厚度和温度控制。生产效率，韧性（冲击/DWTT），几何形状严格执行轧制规程强度、韧性、组织、几何形状轧制精轧精确控制轧制温度强度、韧性、组织、几何形状精确控制冷却速度组织、强度加速冷却精确控制终冷温度组织、强度常规热轧•热轧(HR)–轧制过程中无须考虑终轧温度，只保证几何形状控制，例如，轧制时无须控制道次数量、道次压下率等，仅以轧机能力为基础进行终端产品的几何形状控制。•控制轧制(CR)–控制终轧温度和精轧变形量（中间坯厚度应为钢板厚度两倍以上）热机械处理：•TMCP–832-900°C间控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值应为3~5，终轧温度应接近于钢的Ar3温度。在Ar3温度50℃以上区间实施所谓的两阶段轧制，可通过位错强化来进一步提高钢的强度；采用比正常加热温度低的加热技术也可提高钢板的韧性（提高断口的剪切面积）。•HTP也采用控轧的中间坯厚度与终端钢板厚度的比值为3－5的轧制技术，但温度范围比TMCP高，一般为925~1020℃。因为含Nb量高，终轧温度一般为Ar3以上80℃[3]。这些轧制技术在API管线钢生产时即可用于钢卷，也可用于钢板生产[4]。轧制后，可采用控冷或水冷加速冷却来获得理想的组织和性能。图1显示了实际生产的铁素体/珠光体型管线钢、两种铁素体/针状铁素体型管线钢（高Nb－HTP工艺型和NbMo合金化型）的CCT曲线及组织情况。图1a7b7c中的珠光体相变曲线说明采用不同合金化设计的三种高强度管线钢的相变规律是不同的