X100管線鋼的分析報告 2

1、對X100管線鋼的材料分析報告X100級管線鋼的現實意義近年來，隨著我國對石油、天然氣等能源的需求進一步增大并且伴隨最近鐵礦石價格 的飛漲，導致管鋼成本的提高.為了減少輸送成本，同時又不損失石油天然氣的輸送量，開 發(fā)X100等級的高鋼級管線鋼成為一種必然X100管線鋼的應用具有巨大的經濟效益， 可使長距離油氣管線成本節(jié)約5%12%（據加拿大的統(tǒng)計分析表明，管線鋼每提高一個 鋼級可減少建設成本7%）,主要體現在節(jié)約材料、提高輸送壓力、減小施工量、降低維護費 用、優(yōu)化整體方案等方面，為節(jié)省管線工程的建設投資、降低運輸費用，采用高強度等級的 管線鋼更加經濟合理.隨著國內一系列管道建設工程的展開，X1

2、00的高強度、高韌性帶來 的成本優(yōu)勢將促使其大規(guī)模生產應用。目前，世界石油管道的建設正朝著長距離、大口徑、 高輸送壓力發(fā)展，為減少建設和維護成本，高鋼級管線鋼的開發(fā)應用已成為國內外管道用 鋼的研究熱點.X100級管線鋼的發(fā)展及現狀從近些年的發(fā)展歷史來看，較早時候日本、德國的管線鋼制造商與一些石油公司合作，進 行高強度等級的X100和X120管線鋼的開發(fā)試制.在20世紀80年代中期，X100級管線鋼 已完成了試驗，但那時尚無實際應用的需求；1995年，幾家石油和天然氣公司開始設計 X100級管線鋼材料.歐洲自1995年開始進行X100鋼管的開發(fā)試制，采用T MCP工藝，到 2002年已生產了數百

3、噸壁厚12. 7 25. 4 mm的X100管線鋼.2002年T CPL在加拿大建 成了一條管徑1 219 mm、壁厚14. 3 mm、X100鋼級的1 km試驗段.但是從材料設計的角度 來講，X100的研究尚不成熟，組織與性能的關系有待于進一步分析，以便為國內的X100 的開發(fā)和設計奠定良好基礎.從其管線鋼的材料及級別來看，其發(fā)展可分為三個階段：第一階段為20世紀50年代 年以前，是以C-Mn鋼為主的普通碳鋼，強度級別為X52以下。第二階段為20世紀50年代 到70年代，在C-Mn鋼基礎上引入微量釩和鈮，通過相應的熱軋及軋后處理等工藝，提高了 鋼材的綜合性能，生產出X60、X65級鋼板。特別

4、是20世紀60年代后期，日本等國開展了 控制軋制研究，對熱軋中厚鋼板、帶鋼熱變形過程中工藝參數與組織狀態(tài)、力學性能關系等 方面進行了系統(tǒng)研究。第三階段為20世紀70年代年至今，用V、Ti、Nb、Mo、B等元素微 合金化，并采用了控制軋制與控制冷卻相結合等新技術，相繼開發(fā)出X70、X80、X100等綜 性能優(yōu)異的高強度級別管線鋼。目前，管線鋼正朝著厚壁、大直徑和高強度方向發(fā)展。當前石油管道用鋼的主流級別已成為X80,圍繞該鋼種相關研究也已十分成熟。X100 X120級別管線鋼的實驗室研發(fā)已取得成功，除了國外有少量實驗管道，還未出現大規(guī)模工 程應用，對其組織的研究也一直處在對傳統(tǒng)低碳貝氏體組織的研

5、究階段關于組織的形成 和轉變機理也未達成統(tǒng)一定論。組織的微觀結構、強韌化機理以及復相組織構成與性能之間 的關系等一些具體問題還有待研究。目前全世界長輸管道總長度已經超過了200萬公里，而我國也已鋪設了2萬多公里的油 氣管道，預計在未來十年內我國還將建設長輸管線總長度達到10 20萬公里的油氣管道。 隨著管道鋪設長度的增加和輸送壓力的提高，對管道的鋼級要求越來越高，目前我國已經 具了生產X52、X60、X65、X70、X80管線鋼的能力，繼西氣東輸一線、二線工程后，為實現 能源戰(zhàn)略目標，各鋼鐵企業(yè)開始著手研發(fā)X100級及更高級別的管線鋼，并已經成功試制 出X100管線鋼，但國內研制的X100管線

6、鋼的沖擊性能仍存在一定的問題，因此目前為止我國X100級管線鋼尚處于研發(fā)試制階段，快速發(fā)展X10 0管線鋼是中國管道事業(yè)面臨的重要。性能要求要求具有高強度、高的低溫止裂韌性以及良好的焊接性，對特殊地區(qū)的管線鋼還要求具有 抗H步腐蝕及抗大應變的能力X100級管線鋼的微觀組織與力學性能研究設備技術:利用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡掃描及先進的EBSD技術試驗材料：國產及進口 X100管線鋼主要成分：C Si Mn Nb Mo Cu Cr Ni Fe研究對象：X100管線鋼的力學性能、顯微組織、晶粒取向及析出物（具體研究組織內針狀 鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島組成）工藝：控軋控冷工藝（TMCP）或

7、高溫軋制工藝（HTP）性能主要參數：試驗鋼的平均屈服強度為7 0 0 MPa,抗拉強度為7 9 0 MPa,屈強比 為0. 8 8,伸長率為2 0%,20C時的平均夏比沖擊功為2 2 4 J幾種典型實驗：實驗一選材和試驗過程：本研究所選用材料為進口X100鋼管.金相樣品直接試驗鋼板上切取， 金相組織觀察在MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)上進行，觀察面為平軋向的樣品正面， 經粗磨、細磨、拋光和3 %硝酸酒精腐蝕而成.從試驗鋼板端部垂直于軋方向切取沖擊樣坯, 經機床加工成10 mm x 10 mm x 55 mm的夏氏V型缺口沖擊試樣.10、- 20、-40、-60、 -80C 6種溫度條件下，

8、分別按照GB2975- 82、GB/ T229294標準規(guī)定，在B2300B機械式 半自動沖擊試驗機上進行沖擊試驗.拉伸試樣均采用12. 5 mm試樣，并按AST M A370- 2002標準規(guī)定，在MT S810- 15自動拉伸試驗機上進行.然后利用先進的EBSD技術對X100 超強管線鋼的相參量、有效晶粒尺寸及其分布進行了研究結果分析：（1） X100管線鋼全部為粒狀貝氏體組織;（2） X100管線鋼的透射組織分析 表明，狀貝氏體含量很高，主要存在于鐵素體邊界；鐵三碳存在于鐵素體板條；以針狀鐵 素體為主，也存在少量條狀鐵素體；同時位錯密度很高；（3） EBSD研究表明，鐵三碳呈均 勻彌散分

9、布，殘余奧氏體含量較大.有效晶粒細化現象突出，預示該品牌X100管線鋼擁有 較理想的強韌性特征.實驗二：選材和試驗過程：元素CSiMnPSCrMoNiNbCeqPcmX100-10.0430.231.860.00840 .00160.210.290.460.0380.4970.191X100-20.0640.0951.690.00780.00230.0240.270.20.0420.4360.187X100-30.0490.252.000.0120.0030.320.330.460.0520.5560.213三種實驗鋼板的主要化學成分見表，根據ASTMA370-2002和ASTMA370-20

10、05標準在鋼管距焊 縫180母材部位取橫向拉伸和沖擊試樣，并在MTS810型拉伸機和JB-800型沖擊機上進行 試驗。根據GB/T18658-2002 （金屬夏比沖擊試驗方法）取標準沖擊試樣，進行溫度為20、0、 -10、-20、-40和-60C的系列沖擊試驗。落錘試樣在管材距焊縫1/4部位取橫向落錘試樣 （DWTT）試樣尺寸為300mmX75mmX壁厚，缺口形式為標準壓制V型缺口，實驗設備型號為 JL-30000，實驗按API5L標準進行。試樣經打磨拋光后，用2%硝酸酒精溶液侵蝕后進行金 相和掃描電鏡的微觀組織觀察。將透射電鏡樣品減薄至50“m以下，采用5%高氯酸無水乙 醇溶液為電解液，在-

11、20C、50V下電解雙噴減薄至穿孔，在JEM-200CX透射電鏡下觀察， 工作電壓為175 kV。結果分析：（1）嚴格控制鋼中S、P含量，有利于提高管材的韌性和塑性及斷后伸長率，并 且S、P量的降低能夠顯著提高管材的低溫韌性。（2）采用控軋控冷工藝可獲得微觀組織為 粒狀貝氏體+狀鐵素體+M/A島組織的X100級高強度級別的管線鋼。但在保證微觀組織的晶 粒度滿足標準要的前提下，在奧氏體再結晶溫度區(qū)軋制時，通過反復再結晶使原奧氏體晶粒 盡可能細化，同降終冷溫度，保證針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織晶粒細小，分布均勻。（3） X100-2管線鋼管體的韌性值較高，且低溫區(qū)間沖擊韌度下降幅度較緩慢，表現了良好

12、的抗 起裂性能。在減小粒狀氏體和針狀鐵素體晶粒尺寸的同時，降低層片狀M/A島組織在晶間的 聚集分布，以進一步提高體的塑性變形能力，改善其低溫韌性.實驗三選材和實驗過程：試驗用X100管線鋼板厚度為14.3mm，化學成分見表1,力學性能見表2，其基本金相組織針狀鐵素體.CSiM nPS表1C r M o NiNbVTiCuA lFe0. 05 0. 25 2. 00 0. 0120. 00320. 33 0. 33 0. 46 0. 0550. 007 0. 022 0.20 0. 046 余量屈服強度R eL /M Pa抗拉強度日“ /M Pa表2斷后伸長率A （% ）屈強比R e,L /Rm

13、沖擊吸收功Akv/ J73080520. 50. 91191采用熱模擬試驗獲取X100管線鋼在不同焊接熱輸入條件下粗晶熱影響區(qū)（coarse grainhea-t affectzone, CGHAZ）的組織結構.熱模擬試驗在G leeble1500型熱模擬機上行 熱模擬參數如表3所示.表3熱輸入加熱速度峰值溫度冷卻時間高溫停留時間tH / sE / ( kJ. cm -1 ) v / (度.s- 1 )T /t8/5 / s900度1100度101301 30053. 622. 95151301 300105. 433. 60201301 3002010. 867. 20301301 3004

14、021. 7114. 41401301 3007038. 0025. 23501301 30010054. 2836. 03其中熱循環(huán)的幾種t8/ 5覆蓋了石油、天然氣輸送鋼管在制管焊接和野外施工焊接過程中所 采用的不同焊接熱輸入下的冷卻參數.熱模擬試樣分別采用10mm65mm和10. 5mm10.5mm55 mm的初始試樣，試樣于板厚中部（沿板厚方向兩面對稱加工）橫向截取.熱模擬試驗后再將試樣加工5mm25mm的標準比例拉伸試樣和10mm x 10 mm x 55 mm的標準Charpy沖擊試樣，沿板厚方向開制V形缺口.拉伸試驗在MTS880型萬能試驗機上進行；沖擊試驗在JBC -300電子

15、測力沖擊試驗機上進行.光學金相試樣經機械拋光后以3%硝酸酒 精溶液進行腐蝕，在RECHART MEF3A光學顯微鏡下觀察.TEM試樣經機械減薄至50m后，在雙噴電解裝置上以10%高氯酸+90%醋酸溶液進行雙噴，在J EM 200CX透射電子顯微鏡上觀察.SEM試驗在TESLA BS300型掃描電子顯微鏡上進行.結果分析：（1）隨著焊接熱輸入的增加，X100管線鋼的強韌性降低.當焊接熱輸入在10 20 kJ/cm范圍內,X100管線鋼的焊接粗晶熱影響區(qū)有較好的強韌特性，可作為X100管線鋼 推薦的熱輸入.（2）在10 kJ/cm左右的較低熱輸入下，X100管線鋼焊接粗晶熱影響區(qū)的顯 微組織為BF

16、+ GB.這種組織賦予材料以最佳的強韌性水平.（3）在20 kJ/cm左右的中等焊接 熱輸入下,X100管線鋼焊接粗晶熱影響區(qū)的顯微組織以GB+QF為主，材料有較好的強韌配 合.（4）當熱輸入為50 kJ/cm時，一方面晶粒粗化比較明顯，另一方面粗晶區(qū)中的BF和GB 被QF和PF替代，致使材料的強韌性降低.實驗四：選材和實驗過程：試驗用WS01焊絲采用電爐冶煉，直徑為4. 0mm。焊絲主要化學成分如表1所示；焊劑為 CHF105,焊前經350烘干1小時。焊接試板選用與本焊絲強度相當的材料，焊接試驗按照GB/T 12470 2003埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑標準進行。試板的尺寸為500mm x 150mm x 25mm .熔敷金屬的化學成分見表2。表1表2CS i Mn P S Ni焊接材料C Si Mn P S Ni0. 068 0. 045 1. 91 0. 012 0. 0075 2. 38 WS01+ CH F105 0. 040 0. 34 1. 58 0. 017 0. 008 1. 81 WS01焊絲熔敷金屬屈服強度ReL達到700MPa，抗拉強度Rm達到750 MPa, -20 沖擊功AKV 最小值為94J,平均值達到98J;熔敷金屬焊縫組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體結果分析：（1）采用WS01焊絲匹配CHF105焊劑，熔敷金屬-20 下的平均沖