爱华网概述.从某种意义上讲，管线钢的发展过程实质上是管线钢显微组织的演变过程。根据显微组织的不同，可将管线钢分为四类：即铁素体-珠光体（F-P,Ferrite-Pearlite）管线钢、针状铁素体（AF, AcicularFerrite）管线钢、贝氏体-马氏体（B-M,Bainite-Martensite）管线钢和回火素氏体（S，TemperedSorbite）管线钢。前三类管线钢为微合金化控制轧制和控制冷却状态管线钢，是现代油、气管道的主流钢种。第四类管线钢为淬火、回火状态（QT, Quenching andTempering）管线钢，这类管线钢难以进行大规模生产，使用受到限制，在俄罗斯等国和海洋管道等领域时有使用。在微合金化管线钢中，铁素体-珠光体是第一代微合金管线钢的主要组织形态，X70及其以下级别的管线钢具有这种组织形态。针状铁素体管线钢是第二代微合金管线钢，强度级别可覆盖X60~X100。今年来发展的超高强度管线钢X100、X120的显微组织主要为贝氏体-马氏体。
一.铁素体-珠光体管线钢
铁素体-珠光体是20世纪60年代以前开发的管线钢所具有的基本组织形态，X52以及低于这种强度级别的管线钢均属于铁素体-珠光体钢。其基本成分是碳和锰，通常碳含量（质数分数，下同）为0.10%~0.20%，锰含量为1.30%~1.70%，一般采用热轧或正火热处理工艺生产。当要求较高强度时，可取碳含量上限，或在锰系的基础上加入微量铌、钒。通常认为，铁素体-珠光体管线钢具有晶粒尺寸约为7µm的多边形铁素体和体积分数约30%的珠光体。这种合金化和组织设计的制造成本最低。
铁素体-珠光体组织设计的目标是提高强度。由上式可知，铁素体-珠光体管线钢中的珠光体是决定强度的主要因素，而每增加10%的珠光体，将使韧脆转变温度（FATT）升高22℃。同时，如要增加钢中珠光体含量，必然要提高钢的碳含量，这样是比会影响到管线钢的焊接性。因此，通过增加珠光体来提高管线钢强度的方法并不可取，而应在降低碳含量的同时，通过其他手段，充分发挥钢中微合金元素晶粒细化和沉淀强化作用。这就是少珠光体钢产生的背景。
少珠光体管线钢的典型化学成分有锰-铌，锰-钒，锰-铌-钒等。一般碳含量小于0.10%，铌、钒、钛的总含量为0.10%左右，代表钢种是20世纪60年代末的X56，X60和X65。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。实践表明，现代控轧工艺可生产出理想的细晶粒钢，对于碳-锰钢，晶粒尺寸最小为6~7µm;对于少珠光体钢，晶粒尺寸可细化至4~5µm。由上式可知，由于晶粒细化使屈服强度每增加150MPa的同时可导致韧脆转变温度下降10℃，所以少珠光体可以获得较好的强韧配合。通常认为，少珠光体管线钢具有晶粒尺寸约为5µm的多边形铁素体和体积分数约为10%的珠光体。
除了晶粒细化以外，少珠光体在控轧过程中还产生铌、钒的碳氮化物第二相的沉淀强化。这种在铁素体基体上弥散析出的不可变形碳、氮化物质点，可引起强度增量达100MPa。由于沉淀强化所导致的韧脆转变温度的升高小于固溶强化和位错强化所产生的韧脆转变温度的升高（如每提高15MPa的屈服强度，沉淀强化使韧脆转变温度升高4℃，位错强化则使韧脆转变温度升高6℃），因而由铌、钒、钛等微合金元素引起的沉淀强化在管线钢中具有重要作用。特别是掌握了铌、钒、钛等微合金元素碳、氮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，少珠光体钢的强韧水平取得了新的进展。目前已经生产出具有较高强韧水平的X70级少珠光体管线钢。
常见的铁素体-珠光体和少珠光体管线钢的合金设计见表1-1。可以看出，X70及以下强度级别的管线钢可通过碳-锰-铌-钒的合金设计，使钢的显微组织主要为铁素体-珠光体的组织形态。
表1-1 F-P管线钢的成分（质量分数）%
API 钢级 | 主要成分范围 |
5LB | C≤0.20，Mn≤1.00,Si＜0.40,CEpcm≤0.16 |
X42 | C≤0.10,Mn≤1.00,Si＜0.40,Nb≤0.050,CEpcm≤0.16 |
X52酸性气体 | C≤0.05,Mn≤1.10,S≤0.003,Si＜0.30,Cu+Ni+Cr≤0.60,Nb≤0.050(或Nb+V≤0.10),CEpcm≤0.13 |
X52 | C≤0.10，Mn≤1.20,Si＜0.40,Nb≤0.050,CEpcm≤0.17 |
X60酸性气体 | C≤0.05,Mn≤1.20,S≤0.003,Si＜0.30,Cu+Ni+Cr≤0.70,Nb≤0.065(或Nb+V≤0.12),CEpcm≤0.15 |
X60 | C≤0.10,Mn≤1.50,Si＜0.40,Nb≤0.06(或Nb+V≤0.12),CEpcm≤0.23 |
X65酸性气体 | C≤0.05,Mn≤1.35,S≤0.003,Si＜0.30,Cu+Ni+Cr≤0.70,Nb≤0.065(或Nb+V≤0.15),CEpcm≤0.15 |
X65 | C≤0.10,Mn≤1.65,Si＜0.40,Nb≤0.065(或Nb+V≤0.15),CEpcm≤0.23 |
X70 | C≤0.10,Mn≤1.65,Si＜0.40,Nb≤0.065(或Nb+V≤0.15),CEpcm≤0.20 |
二.针状铁素体管线钢
具有铁素体-珠光体组织的管线钢，通过采用微合金化合控轧，控冷等强化手段，在保证高韧性和良好焊接性的条件下，可将厚度为20mm的宽厚板的屈服强度提高到500~550MPa的水平。为进一步提高管线钢的强韧性，需要研究开发针状铁素体管线钢。通过微合金化和控轧，控冷，综合利用晶粒细化、维合金元素的析出相和错位亚结构的强化效应，可使针状铁素体管线钢达到X100的强韧水平。
针状铁素体管线钢的研究始于20世纪60年代末，并于70年代初投入实际工业生产。当时，在锰-铌系基础上发展起来的低碳-锰-钼-铌系微合金管线钢，通过钼的加入，降低相变温度以抑制多边形铁素体的形成，促进针状铁素体的转变，并提高谈、氮化铌的沉淀强化效果，因而在提高钢的强度的同时，降低韧脆转变温度。这种钼合金化技术已有近40年的生产实践。近年来，另一种获取针状铁素体的高温工艺技术（HTP）正在兴起，它通过高铌合金化技术的应用，可在较高的轧制温度条件下获取针状铁素体。
针状铁素体管线钢典型的光学显微组织可区别其中的多边形铁素体和针状铁素体。然而要辨别针状铁素体的细节，需要依靠电子显微分析。针状铁素体典型的透射电子显微形态可以看出，针状铁素体的主要显微特征表现在：1.板条是针状铁素体最显著的形态特征。若干板条平行排列构成板条束，板条界为小角度晶界，板条束界为大角度晶界。一般认为针状铁素体板条宽度为0.6~1um左右。2.相邻板条铁素体间分布有粒状或薄膜状M-A组元。3.板条内有高密度的错位。
与铁素体-珠光体和少珠光体管线钢相比，针状铁素体具有不同的强韧化方式。对断裂过程的观察表明，针状铁素体的解理断裂小裂面（断裂的组织单元）与针状铁素体板条束知道大小相对应。可见，控制针状铁素他强韧性的有效晶粒是针状铁素体板条束。在控轧、控冷针状铁素体管线钢中，针状铁素体板条束的大小不但可以借助降低再热温度、形变量和终轧温度等轧制参数获得，而且还可以通过改变冷却速率、终冷温度等冷却参数来进行控制，因而针状铁素体管线钢的有效晶粒尺寸将大大细化。通过严格控制轧制和冷却条件，目前可获得这种有效晶粒尺寸达1~3µm，因而赋予了针状铁素体管线钢优良的强韧性。同时，从奥氏体向针状铁素体的转变过程是一种共格切变过程。转变过程中局部地区位错缠结而形成具有较高位错密度（108~109cm-2）的亚晶。由于体心立方结构层错能高，不易分解成扩展位错而发生交滑移，亚晶的位错具有很大的可动性，因而赋予材料良好的强韧性。同时，针状铁素体中的岛状组织弥散细小，不易诱发裂纹，并经常成为裂纹扩展的障碍。管线钢的生产过程表明，针状铁素体管线钢通过微合金化和控轧、控冷技术，综合利用钢的固溶强化、晶粒细化、微合金化元素的析出强化效应，可使钢的屈服强度达700~800MPa,-10℃的冲击韧性达400J以上。
除了高强度和良好的韧性外，由于针状铁素体板条中存在着高密度的可移动位错，易于实现多滑移，因而针状铁素体钢具有连续的屈服行为和高的形变强化能力。这种特性可补偿和抵消因包申格效应所引起的强度损失，保证钢管的强度在制管成型过程中进一步得到提高。在针状铁素体管线钢中，总伴有一定量的多边形铁素体。因而，针状铁素体管线钢也被称为针状铁素体-铁素体（AF-F）管线钢。其中的多边形铁素体体积分数的控制对材料的强韧性有重要影响，研究结果表明，当多边形铁素体体积分数约为15%时，材料能得到强度和韧性的最佳组合。
常见的针状铁素体管线钢的化学成分见表2-1。可以看出，X70，X80强度级别的管线钢可通过C-Mn-Mo-Nb的合金设计，使钢的显微组织主要为针状铁素体。
表2-1 AF 管线钢的成分（质量分数）%
API钢级 | 主要成分范围 |
X70 | C≤0.06,Mn≤1.65,Si＜0.40,Nb≤0.10(或Nb+Mo≤0.15),CEpcm≤0.18(或0.21)  |
X80 | C≤0.06,Mn＜1.70,Si＜0.40,Nb≤0.10，Cu,Ni,Cr,CEpcm≤0.18 |
C≤0.06,Mn＜1.70,Si＜0.40,Nb≤0.10，Cu,Ni,Mo,CEpcm≤0.21 |
三.贝氏体-马氏体管线钢
随着高压、大流量天然气管线钢的发展和对降低管线建设成本的追求，针状铁素体的组织形态已不能满足要求。20世纪后期，一种超高强度管线钢应运而生，其典型钢种为X100和X120。1988年日本SMI公司首先报道了X100的研究成果。历经多年的研究和开发，X100钢管于2002年首次投入工程试验段的敷设。美国ExxonMobil公司于1993年着手X120管线钢的研究，并于1996年与日本SMI公司和NSC公司联手，共同推进了X120的研究进程。2004年X120钢管首次投入工程试验段的敷设。
通过低碳，Mn-Mo-Cu-Ni-Nb-Ti的多元合金设计和先进的TMCP技术，X100管线钢可获得全部针状铁素体组织。虽然在对X100显微组织的定量分析中，仍有可能存在少量其他组织，人们习惯称其为全针状铁素体钢，或全粒状贝氏体钢、退化贝氏体钢。从组织形态学上分析，如果说X100与X80等针状铁素体管线钢有较大的相似性，那么X120则有完全不同的组织形态，其典型显微组织为下贝氏体-板条马氏体。
X120管线钢的显微组织下贝氏体（LB）和马氏体（M）均以板条的形态分布。在下贝氏体的板条内分布着微细的具有六方点阵的ε-碳化物，这些碳化物平行排列并与板条长轴呈55。~65。取向。在马氏体板条内的碳化物呈魏氏组态分布，板条间存在残余奥氏体。下贝氏体和马氏体板条内有高密度的位错。X120管线钢的这种组织结构赋予材料高的强韧特性，其屈服大于827MPa,-30℃时的冲击韧性超过230J。
贝氏体-马氏体管线钢在成分设计上，选择了C-Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-V-Ti-B的最佳配合。这种合金设计思想充分利用了硼在相变动力学上的重要特征。加入微量的硼（0.0005%~0.0030%）可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移。同事使贝氏体转变曲线变得扁平，即使在超低碳（＜0.003%）情况下，通过在TMCP中降低终冷温度（＜300℃）和提高冷却速率（＞20℃/s），也能够获得下贝氏体-板条马氏体组织。
常见的贝氏体-马氏体管线钢的化学成分见表3-1
表3-1 AF 管线钢的成分（质量分数）%
API钢级 | 主要成分范围 |
X100 | C≤0.06,Mn＜2.0,Si＜0.40,Nb≤0.06，Cu,Ni,Cr,Mo,V,CEpcm≤0.23 |
X120 | C≤0.10,Mn＜2.0,Si＜0.40,Nb≤0.06，Cu,Ni,Cr,Mo,V,B,CEpcm≤0.25 |
四.回火索氏体管线钢
从长远的发展看，未来的管线钢将要求更高的强韧性。如果控轧、控冷技术满足不了这种要求，可以采用淬火+回火的热处理工艺，通过形成回火索氏体组织来满足壁厚、高强度、足够韧性的综合要求。在管线钢中，这种回火索氏体也称为回火马氏体，是超高强度管线钢X120的一种组织形态。
目前，有两种生产淬火+回火超高强度大口径钢管的方法。
1.采用经热处理的钢板制管
管线钢在板轧厂热轧后直接淬火，然后高温回火，可获得良好的强韧配合。此种方法曾在英国、加拿大进行过广泛的研究。
2.对热轧板制造的钢管进行热处理
这种方法是由高强度无缝钢管生产工艺演变出来的，一般使用感应加热喝喷水淬火，适用于壁厚、高强韧性的情况。淬火+回火钢管曾采用感应加热喝步进喷雾淬火，并于550~680℃炉热感应回火。
由于热轧板比淬火钢板制管成型容易，同时制管成型过程中的高输入焊接脆化区可通过热处理过程得以消除或改善，所以在上述两种方法中，第二种方法具有更大的优越性。
（摘自高惠临文章）20120708
