管线钢微合金化成分发展

微合金钢从20世纪50年代发明以来已有近70年的历史，在这期间由于微合金化基础理论研究的不断深入以及冶金技术和控轧技术的发展与应用，使微合金钢的化学成分也发生了很大的变化。管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢，是高技术含量和高附加值的产品，管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的一切工艺技术新成就。管线钢的使用要求与其他用途的微合金钢相比最为严格苛刻，除了要求高的强度、韧性和可焊接性外，特殊用途的还需具有抗HIC(氢致开裂)和SSCC(硫化物应力腐蚀开裂)的抗腐蚀能力，特别是随着油气田的不断发展，对管线钢的韧性也提出了愈来愈严格的要求。为此，从20世纪80年代起世界各主要管线钢生产厂开始把优化合金成分作为高韧性研究工作的重点。在这方面日本和德国进行了大量的试验研究，并研制了不同规格和各种性能的高韧性X 70 和X 80管线钢。国外的研究成果为我国建立自主管线钢合金体系和开发高韧性管线钢提供了重要的借鉴，正是在国外管线钢发展的基础上，我国的管线钢科研和生产技术发展迅猛，从X52低钢级到X80高钢级针状铁素体管线钢的国产化和管道铺设，用了不到20年时间。当然，我国管线钢的高速发展，离不开广大冶金科研人员和生产工作者的辛勤付出，也得益于近年来我国冶金装备的更新换代，先进的冶炼、轧制设备的建设和技术创新为生产高级别管线用钢提供了强有力的支撑。

化学成分微合金化对现代管线钢的显微组织、力学性能、焊接性和耐蚀性有着深刻的影响。管线钢成分微合金化最早可追溯到1959年，当时第一个添加Nb和V的微合金化X52管线钢或者说所谓的低合金高强度钢(HSLA)在北美开始应用，在此之前管线钢都是利用C和Mn的强化来生产，但是焊接性和抗疲劳性非常差。利用Nb和V微合金化(通常总量远低于0.1%)进行强化，可在更低的C含量下得到所需的强度从而提高焊接性和缺口冲击韧性。管线钢成分微合金化带动了热轧微合金化技术在高强度管线钢上的应用和发展，油气输送管线发展迅猛，输气管道输送压力的不断提高，使得对管材的要求也不断提高。输送压力从0.25MPa上升到20世纪90年代的10MPa，国外新建天然气管道的设计工作压力都在10MPa以上，管线钢的屈服强度则从170MPa提高到500MPa以上。

API管线钢的合金设计是基于C-Mn-Si 系合金化而发展起来的，这种合金化成分体系已成熟应用于API 5LB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元素，再根据钢板厚度、轧机能力等添加少量的合金元素(Cu、Ni、Cr)可生产API X52～X70强度级别管线钢。在API管线钢生产中应用的主要微合金元素是Nb和Ti。为获得更高的强度，V微合金化作为辅助作用也曾被广泛使用。如果不考虑轧制工艺，C-Mn-Si 微合金体系管线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较低。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(最大量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，通过添加总量最大达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，因此被称为高温轧制技术。

高温轧制技术在X70和X80管线钢中得到了充分应用，Mn-Mo-Nb型的微合金化高强度钢采用了新的轧制技术和冷却工艺。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API X100 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1.1 ^[1]给出了各种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，而提高合金成分会对很多管线钢性能有负面影响，因此，管线钢性能、组织和合金化间必须建立良好的平衡关系。

表：管线钢钢级及合金化体系