管线钢的发展及用途

一、管线钢的发展

20世纪40年代末，由于受到冶金技术和加工工艺的限制，管道用钢一直采用添加C、Mn、Si来增加钢材强度，这类普通碳素钢的典型化学成分为：C：0.1~0.25%，Mn：0.4~0.7%，Si：0.1~0.5%，一定的S、P含量和残存的其他元素。后来，又通过提高锰含量、降低C含量和加入少量合金元素（一般小于3%），使C含量上限从0.25%降到0.2%，锰含量上限从0.7%增加到1.8%，得到低合金高强度钢；和普通碳素钢一样，这类钢均是以热轧或正火状态交货，这类钢称为C+Mn钢，如：20#、X42、X46、X52；这类钢的设计主要是满足强度的要求。

随着天然气输送压力和管径的增大，单纯依靠增加C、Mn含量，通过固溶强化来提高钢管的强度，会使管钢的可焊性和韧性变差，不能满足工程需要。

60年代末，炼钢工业突破了传统的C-Mn合金化加正火的生产工艺，在钢中加入微量的Nb、V、Ti（不大于0.2%）等微合金元素，减少C含量，通过控轧、控冷（TMPC）等加工工艺，使钢材的综合性能得到了明显的改善，这种钢称为微合金化高强度低合金钢，从此管线钢进入了微合金化加控轧、控冷生产的崭新阶段。

早期的微合金化钢常常只含单一的微合金元素，如Mn-Nb钢、Mn-V钢、Mn-Ti钢，后来发现，不同的微合金元素以及微合金元素与其他合金元素之间的相互作用，能赋予管线钢更完善的性能，因此，出现了Mn-Nb-V钢，如：X60、X65钢。

70年代末，在Mn-Nb系基础上，研制出了Mn-Mo-Nb系微合金化高强度钢，如X70、X80钢。

随着近海、极地管线等的使用需求，90年代末，开发了超低碳Mn-Nb-Mo-B-Ti系高强度钢，如：X、X。

我国西气东输工程首次使用了X70的管线钢，目前，多家钢厂已试制成功X80、X管线钢管。

目前油气输送朝着大口径、高输压方向发展，要求管线钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性能，使得管线钢的开发也向着超低碳和少量多元合金化方向发展。

二、化学成分的作用和碳当量

1、化学成分的作用

化学成分是决定钢管力学性能的重要因素之一，下面简单介绍几种主要化学成分在钢管中的作用。

碳（C）：是提高钢材强度的主要来源，也是最廉价的元素，随着碳含量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性降低，焊接性能下降。当碳含量超过0.23%时，钢材的焊接性能变坏。GB/T中PSL2钢管的最大C含量，根据不同钢级，范围为：C≤0.12~0.24%。

锰（Mn）：锰是作为降低C含量，增加钢材强度的主要元素。Mn能降低相变温度、改变微观组织，细化晶粒尺寸，通过固溶强化、晶间强化和相变强化作用，提高钢的强度和硬度，如16Mn钢比A3屈服强度高40%。锰还能降低韧脆转变温度，提高钢材的韧性。

在炼钢中，锰是良好的脱硫剂和弱脱氧剂，它与S形成MnS，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，提高钢的淬透性。但是锰含量过高，会导致钢坯内发生锰的偏析，降低钢材的焊接性能。管线钢中的锰含量一般控制在1.1％~2.0％。GB/T中PSL2钢管的最大Mn含量，根据不同钢级，范围为：Mn≤1.2~1.8%

硅（Si）：碳素钢中加入硅，能细化晶粒，提高钢的强度、硬度。硅含量过多，会降低钢的塑性、韧性和焊接性能。在炼钢过程中，硅是还原剂和强脱氧剂，所以镇静钢一般含有0.15－0.30%的硅。GB/T中PSL2钢管的最大Si含量，根据不同钢级，范围为：Si≤0.4~0.45%。

磷（P）：管线钢中，磷是有害元素，它降低钢的塑性和韧性，增加冷脆性，使焊接性能、冷弯性能变坏。GB/T中PSL2钢管的最大允许P含量为：P≤0.%。

硫（S）：硫也是有害元素。它使钢产生热脆性和分层，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时易造成裂纹；硫对钢的焊接性能也不利。GB/T中PSL2钢管的最大S含量：S≤0.%。

铌(Nb)：在控轧控冷工艺中，它具有显著阻止奥氏体晶粒长大、延迟奥氏体再结晶、细化组织晶粒的作用以及中等沉淀强化作用和较好降低韧脆转变温度的作用。它能提高钢的强度和韧性，但它对阻止焊接热影响区晶粒长大，改善热影响区冲击韧性的作用不明显。GB/T中PSL2钢管的最大铌含量：Nb≤0.05%。

钒(V)：在控轧控冷工艺中，它具有显著降低韧脆转变温度、较强的沉淀强化和较弱的细化晶粒作用。它能提高钢的强度和韧性。炼钢中，钒是优良的脱氧剂，钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高钢材的抗腐蚀能力。一般管线钢成分设计中不单独使用V。GB/T中PSL2钢管的最大钒含量，根据不同钢级，范围为：V≤0.04~0.1%；且L以下钢级的Nb+V≤0.06%。

钛(Ti)：在控轧控冷工艺中，它具有显著的沉淀强化作用、中等晶粒细化作用和较弱降低韧脆转变温度的作用，它能提高钢的强度和韧性，还能改善硫化物分布形态；它对焊接热影响区的韧性具有独特的贡献，它能降低钢的焊接热影响区裂纹的敏感性，改善焊接性能，但Ti含量过大，会形成大量TiC质点，反而降低韧性。GB/T中PSL2钢管的最大钛含量：Ti≤0.04%，同时规定，L以上钢级Nb+V+Ti≤0.15%。

钼(Mo)：它具有抑制块状铁素体形成，促进针状铁素体转变，进一步细化晶粒的作用；它还能降低韧脆转变温度，提高Nb的沉淀强化效果，因此，它能提高钢材的强度和韧性。Mo还具有补偿因包辛格效应（在金属塑性加工过程中正向加载引起的塑性应变强化导致金属材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化，即屈服强度下降的现象）所引起的强度损失。GB/T中PSL2钢管的最大钼含量，根据不同钢级，范围为：Mo≤0.15~0.5%。

镍(Ni)：镍在钢中的相变行为与Mo相似，能降低钢材的相变温度，改善微观组织，细化晶粒，提高钢材的强度，而又保持良好的塑性和韧性。它还能提高钢的抗腐蚀能力。GB/T中PSL2钢管的最大镍含量，根据不同钢级，范围在：Ni≤0.3~0.5%。

铬（Cr）：显著提高钢的强度、硬度，但它也显著提高钢的脆性转变温度，使韧性下降；铬还能提高钢的抗氧化性能和抗腐蚀性能。GB/T中PSL2钢管的最大铬含量，根据不同钢级，范围在：Cr≤0.3~0.5%。

铜(Cu)：适量的铜，可显著提高管线钢的抗腐蚀能力和抗氢致开裂的能力。它能有效地防止氢原子渗入钢中，减少平均裂纹长度。当铜含量超过0.2%时，还能在钢的表面形成致密保护层，显著降低HIC和钢板的平均腐蚀速率，使平均裂纹长度接近零。铜还会降低相变温度，提高钢材的强度和韧性。但是，当铜含量超过0.5%时，钢材的塑性会显著降低；对焊接性也有影响。GB/T中PSL2钢管的最大铜含量：Cu≤0.5%。

2、碳当量

为了评价钢材的焊接性能和焊接冷裂纹倾向，可以简单地用碳当量来衡量。碳当量越大，其焊接性能越差，淬硬倾向和冷裂纹倾向越大。当ＣEIIW≤0.35%，钢材焊接性能优秀。当ＣEIIW=0.36-0.40%，钢材焊接性能良好。当ＣEIIW=0.41-0.45%，钢材焊接性能尚可，当ＣEIIW=0.46-0.50%，钢材焊接性能较差，冷裂纹的敏感性将增大，焊前需适当预热以及采用低氢型焊接材料。当ＣEIIW≥0.5%，焊接性能很差，属于难焊接的材料，需采用较高的预热温度和严格的焊接工艺方法。

于碳素钢，决定碳当量的主要元素是碳含量；对于低合金钢，除碳含量以外，各种合金元素对钢材的可焊性也起着重要作用。为了准确表达各种合金元素对钢材可焊性的影响，将钢铁中各种合金元素折算成碳当量，然后把各元素的碳当量相加，作为钢材总的碳当量。每一种元素碳当量的折算值用1/X表示，X是根据大量试验数据统计得来，一般为正整数。同一种元素，在不同的碳当量计算法中，由于不同的研究者，得到的X值也不相同。GB/T标准的碳当量计算公式为：

CEIIW=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

CEPCM=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

通常：CEIIW称为碳当量

CEPCM称为冷裂纹敏感系数

GB/T标准规定：当C＞0.12%时，采用CEIIW；C≤0.12%时，采用CEPcm，其主要原因是：CEIIW计算公式，只考虑了C、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、V七种元素对碳当量的影响，同时，它对Ni和Cu，Cr、Mo和V采用相同的系数,相对比较粗略,在C含量大于0.12%时，能准确地反映钢材的焊接性能。

由于管线钢制造技术的进步，随着碳含量的大大降低和多种合金元素的添加，过去在碳含量较高时推出的CEIIW计算公式，由于没有考虑碳含量的变化和其余合金元素的影响，已不能准确反映钢材的焊接性能。

CEpcm计算公式除了考虑以上七种元素之外，还考虑了Si、B的影响，这对于更高钢级可能添加B的材料是很重要的。同时，CEpcm计算公式是经过详细研究各种元素对焊接性能的影响后，对Ni、Mo和V确定了不同的系数，因此，对于Ni、Cu、Cr、Mo、V含量较高的钢种，采用CEpcm计算公式能更为准确反映钢材的焊接性能。