管线钢的发展：控制杂质元素、少珠光体、超细晶粒和技术创新

1.超纯净管线钢

超纯净管线钢一般是指钢中总含氧量和S﹑P﹑N﹑H含量很低的钢。杂质元素对钢材的性能产生不利的影响，对钢管来讲，总含氧量高将会降低钢的韧性与延展性；S会降低钢的冲击韧度；P能显著降低钢的低温冲击韧度，提高脆性转变温度，使钢产生冷脆；氮化物会破坏钢的焊接性能。要提高管线钢的性能，必须系统地降低钢中杂质元素的含量。

随着现代冶金技术的发展，已经能够确保S﹑P﹑O﹑N﹑H等杂质元素和Pb﹑As﹑Sn﹑Sb、Bi等合金元素低或超低含量的管线钢生产。通过铁液预处理、转炉精炼﹑钢包冶金和连铸等多步冶金新技术和新工艺，可以生产出目前世界上最具有竞争力的管线钢，其纯净度可达到w（S）≤0.0005%﹑w（P）≤0.005%﹑w（N）≤0.002%﹑w（O）≤0.001%和w（H）≤0.0001%。

然而，在工业上要完全消除夹杂物是不可能的。所以对夹杂物的形态进行控制已成为获取优质管线钢的重要手段。其基本方法是向钢中加入Ca﹑Zr﹑Ti﹑稀土等元素，控制夹杂物形态，提高管线钢的韧性指标。

2.高强度高韧性管线钢

（1）铁素体-珠光体管线钢 20世纪60年代以前，管线钢的基本组织形态为铁素体和珠光体（X52钢级以下），基本成分是C-Mn，一般采用热轧和正火热处理。

（2）珠光体管线钢 为避免珠光体对管线钢韧性的损害，20世纪60年代末出现了以X56﹑X60和X65为代表的少珠光体钢。少珠光体钢含碳质量分数一般小于0.1%，Nb﹑V﹑Ti的总质量分数小于0.1%。这类钢突破了传统铁素体—珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入了微合金化钢控轧的生产阶段。特别是近年来掌握了Nb﹑V﹑Ti等碳化物在高温变形过程中的沉淀动力学和基体再结晶之间的关系后，少珠光体管线钢的强韧水平取得了新的进展。然而，在保证高韧性和良好焊接性能的条件下，少珠光体管线钢强度的极限水平为500～550MPa。

（3）针状铁素体管线钢 为进一步提高管线钢的强韧性，20世纪70年代研究开发出了针状铁素体钢，其典型成分为C-Mn-Nb-Mo，一般含碳质量分数小于0.06%。针状铁素体是在冷却过程中，在稍高于上贝氏体温度范围内，通过切变、相变形成的具有高密度位错的非等轴贝氏体铁素体。针状铁素体管线钢通过微合金化和控制轧制与控制冷却，综合利用晶粒细化﹑微合金元素的析出相与位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度达到650MPa，-60℃冲击吸收能量达到80J。

（4）超低碳贝氏体管线钢 为适应开发北极和近海能源的需要，在针状铁素体钢的研究基础上，于20世纪80年代初开发研究了超低碳贝氏体钢。超低碳贝氏体钢在成分设计上选择了C﹑Mn﹑Nb﹑Mo﹑B﹑Ti的最佳配合，从而在较宽的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织。在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合金元素的含量和进一步完善控轧与控冷工艺，超低碳贝氏体钢的屈服强度为700～800MPa。因此超低碳贝氏体被誉为21世纪的新型控轧钢。

（5）超细晶粒管线钢 超细晶粒管线钢的获得，首先归结于微合金化理论的成功应用。在管线钢控轧再加热过程中，未溶微合金碳﹑氮化物通过质点钉扎晶界的机制而阻止奥氏体晶粒的粗化过程。同时在控轧过程中，应变诱导沉淀析出的微合金碳﹑氮化物通过质点钉扎晶界和亚晶界的作用阻止奥氏体再结晶，从而获得细小的相变组织。

超细晶粒管线钢的获取还有赖于控制轧制技术的应用。通过控制热轧条件，在奥氏体基体中引入高密度的铁素体形核点，包含奥氏体晶粒边界﹑由热变形而激发的孪晶界面和变形带，从而细化相变后的组织。通过控轧铁素体可细化到ASTM11～13级，即铁素体晶粒小于10μm，甚至达到4μm，强化作用达到210～300MPa。目前工业生产的铁素体晶粒尺寸可控制到3～4μm，实验室可获得1～2μm的铁素体晶粒。对于针状铁素体或超低碳贝氏体管线钢通过控制轧制和控制冷却，可降低钢中铁素体板条束的大小，大大细化“有效晶粒”尺寸，提高管线钢的强韧性指标。

（6）Ti-O新型管线钢 20世纪90年代以后，一种Ti-O新型管线钢研究开发。其原理是向钢中加入粒度细小﹑均匀分布的Ti₂O₃质点（2～3μm）。这种弥散分布的Ti₂O₃质点除可以阻止奥氏体长大外，还可以在钢的冷却过程中作为相变的形核核心，促进大量针状铁素体的形成，可明显改善管线钢的 焊接韧性。(www.xing528.com)

3.易焊管线钢

焊接性是管线钢最重要的特性之一。具备优良焊接性的钢可称之为易焊钢。现代易焊管线钢可分为焊接无裂纹管线钢和焊接高热输入管线钢。

（1）焊接无裂纹管线钢冷裂纹是管线钢焊接过程中可能出现的一种严重缺陷。

大量的生产实践和理论研究表明，钢的淬硬倾向﹑焊接接头中含氢量和焊接接头的应力状态是管线钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。就钢的淬硬倾向而言，主要取决于钢的含碳量，其他合金元素也有不同程度的影响。综合这两方面的因素，提出了以“碳当量”作为衡量钢的焊接裂纹倾向性的依据。为适应焊接无裂纹的要求，目前国外管线钢碳当量控制在0.4%～0.48%，用于高寒地区的管线钢则要求碳当量在0.43%以下。

为适应焊接无裂纹的要求以及韧性的需要，现代管线钢通常采用质量分数为0.1%或更低含碳量，甚至含碳质量分数保持在0.01%～0.04%的超低碳水平。微合金化和控轧控冷等技术的发展，使得管线钢在碳含量降低的同时保持高的强韧特性。最新冶炼技术的发展，已为工业生产超低碳管线钢提供了可能。

（2）焊接高热输入管线钢 采用高的焊接热输入可提高焊接的生产效率，但对热影响区产生重要影响。高的焊接热输入一方面促使晶粒长大，另一方面使焊后冷却速度降低，而导致相变温度升高，从而形成软组织，引起焊接热影响区的性能恶化。一般认为由此引起热影响区的韧性损失约为20%～30%。

为控制管线钢热影响区在高热输入下的晶粒长大，可以通过向钢中加入微合金元素来实现。据资料介绍，Ti是一种在焊接峰值温度下能通过生成稳定的氮化物，控制晶粒长大的有效元素。研究表明，即使在高达1400℃的温度下，TiN仍表现了很高的稳定性，从而有效地抑制在高热输入下的奥氏体晶界迁移和晶粒相互吞并的长大过程。目前管线钢中推荐的最佳含Ti质量分数为0.02%～0.03%，并保持Ti/N≪3.5。

为避免在焊接高热输入下热影响区中软组织的形成，在20世纪80年代初研究开发了Nb-Ti-B系管线钢。这种合金设计思想充分利用B在相变动力学上的重要特性。加入微量的B（0.002%～0.005%，质量分数）可明显抑制软组织铁素体等在奥氏体晶界上形核，使铁素体转变曲线明显右移。同时使贝氏体转变曲线变得扁平，即使在焊接高热输入和较大的冷却范围内，都能获得贝氏体组织，使管线钢热影响区的强韧特性不低于母材。

4.高耐蚀管线钢

在输送酸性油﹑气时，管道内部接触H2S、CO2和Cl-，由于保护涂层老化等原因，出现局部损伤，钢管外壁还与土壤和地下水中的硝酸根离子（NO₃^-）﹑氢氧根离子（OH^-）﹑碳酸根离子（CO₃^2-）和酸式碳酸根离子（HCO₃^-）等介质接触，因而管线钢的腐蚀问题是难以避免的。随着高硫油气田的开发，研究高耐蚀管线钢的课题日显迫切。高耐H₂S腐蚀管线钢的生产，代表了一个国家管线钢生产的最高水平。