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摘 要：本论文介绍了管线钢的性能要求：高强度、高韧性、良好的焊接性；然后又按管线钢内部的组织对管线钢进行分类分析，使对管线钢的认识更加清晰，为以后管线钢的制造提供了参考。
关键词：管线钢；高强度；高韧性；组织结构；性能要求
1. 管线钢的性能
高强度。加大管道直径，增加管道工作压力是提高管道运输效率的有力措施，也是油气管道发展的基本方向。管径增大和输送压力提高均要求管材有较高的强度。目前管线钢的强度已由最初的295～360MPa（相当于API标准的X42～X52级管线钢）提高到526～703MPa（相当于X80～X100级管线钢）， 而现在X120、X130级管线钢也在开发之中。随着钢等级的提高，屈强比增高，如Alliance管线的X70钢要求σsΠσb≤0.93，实际测定为0.91，我国的“西气东输”用管线钢要求σsΠσb≤0.90。高屈强比表明钢的应变硬化能力降低，使 管线抗侧向弯曲能力降低。应变硬化能力对于在土质不稳定区、不连续区及地震带铺设的管线钢是很重要的。
高韧性。随着高寒地带油气田的开发，对输送管的低温韧性要求日益增高。韧性是管线钢的重要性能之一，它包括冲击韧性和断裂韧性等。由于韧性的提高受到强度的制约，因此管线钢生产常常采用晶粒细化的强韧化手段，既可以提高强度又能提高韧性，另外，钢中杂质元素和夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性，因此，降低钢中有害元素含量并进行夹杂物变性处理是提高韧性的有效手段。
焊接性。钢材良好的可焊性对保证管道的整体性和野外焊接质量也至关重要。对评价可焊性的指标“碳当量”，各个国家有不同的计算公式和要求。近年来，美国Amoco公司针对一些管道焊缝撕裂事故， 提出了更为严格的控制指标 ，即碳当量（Ce）与裂纹敏感系数（Pcm）两个指标的合格界限是： Ce≤0.35%（C≥0.12%）；Pcm≤0.20%（C<0.12%）。钢的化学成分对高强度钢的焊接性有直接的 重大影响，提高焊接性能的有效措施是降低C、P、S含量和选择适当的合金元素。其次，适当控制Ti、Al等的氮化物和Ti的氧化物对降低淬硬性和防止冷裂纹及提高韧性也有好处，加Ca、Re等对防止裂纹和层状撕裂及提高韧性也有效果。
抗氢致裂纹和硫化物应力腐蚀断裂
氢致裂纹是由腐蚀生成的氢原子进入 钢后，聚集在的界面上，沿着碳、锰和磷偏析的异常组织扩展或沿着带状珠光体和铁素体 间的相界扩展，当氢原子结合成氢分子，导致在轧制过程中产生裂纹。 硫化物应力腐蚀是在H2S和腐蚀介质及酸性离子等作用下生成的氢原子经钢表面进入内部，富集后產生沿垂直于拉伸力方向扩展而开裂。硫化物应力腐蚀断裂易造成突发性灾难事故。
2. 管线钢的分类
（1）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。
常见的铁素体-珠光体和少珠光体管线钢。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。
（2）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。
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。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。
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管線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。■
关键词：管线钢；高强度；高韧性；组织结构；性能要求
1. 管线钢的性能
高强度。加大管道直径，增加管道工作压力是提高管道运输效率的有力措施，也是油气管道发展的基本方向。管径增大和输送压力提高均要求管材有较高的强度。目前管线钢的强度已由最初的295～360MPa（相当于API标准的X42～X52级管线钢）提高到526～703MPa（相当于X80～X100级管线钢）， 而现在X120、X130级管线钢也在开发之中。随着钢等级的提高，屈强比增高，如Alliance管线的X70钢要求σsΠσb≤0.93，实际测定为0.91，我国的“西气东输”用管线钢要求σsΠσb≤0.90。高屈强比表明钢的应变硬化能力降低，使 管线抗侧向弯曲能力降低。应变硬化能力对于在土质不稳定区、不连续区及地震带铺设的管线钢是很重要的。
高韧性。随着高寒地带油气田的开发，对输送管的低温韧性要求日益增高。韧性是管线钢的重要性能之一，它包括冲击韧性和断裂韧性等。由于韧性的提高受到强度的制约，因此管线钢生产常常采用晶粒细化的强韧化手段，既可以提高强度又能提高韧性，另外，钢中杂质元素和夹杂物对管线钢的韧性具有严重的危害性，因此，降低钢中有害元素含量并进行夹杂物变性处理是提高韧性的有效手段。
焊接性。钢材良好的可焊性对保证管道的整体性和野外焊接质量也至关重要。对评价可焊性的指标“碳当量”，各个国家有不同的计算公式和要求。近年来，美国Amoco公司针对一些管道焊缝撕裂事故， 提出了更为严格的控制指标 ，即碳当量（Ce）与裂纹敏感系数（Pcm）两个指标的合格界限是： Ce≤0.35%（C≥0.12%）；Pcm≤0.20%（C<0.12%）。钢的化学成分对高强度钢的焊接性有直接的 重大影响，提高焊接性能的有效措施是降低C、P、S含量和选择适当的合金元素。其次，适当控制Ti、Al等的氮化物和Ti的氧化物对降低淬硬性和防止冷裂纹及提高韧性也有好处，加Ca、Re等对防止裂纹和层状撕裂及提高韧性也有效果。
抗氢致裂纹和硫化物应力腐蚀断裂
氢致裂纹是由腐蚀生成的氢原子进入 钢后，聚集在的界面上，沿着碳、锰和磷偏析的异常组织扩展或沿着带状珠光体和铁素体 间的相界扩展，当氢原子结合成氢分子，导致在轧制过程中产生裂纹。 硫化物应力腐蚀是在H2S和腐蚀介质及酸性离子等作用下生成的氢原子经钢表面进入内部，富集后產生沿垂直于拉伸力方向扩展而开裂。硫化物应力腐蚀断裂易造成突发性灾难事故。
2. 管线钢的分类
（1）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。
常见的铁素体-珠光体和少珠光体管线钢。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。
（2）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。
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。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。
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管線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。■