石油、天然氣長(zhǎng)輸，油田集輸，X46級(jí)以上的管線用鋼板和熱連軋帶鋼的總稱，簡(jiǎn)稱管線鋼。
石油、天然氣是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和國(guó)防建設(shè)不可缺乏的燃料和原料，采用管線形式長(zhǎng)距離輸送的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，使制管行業(yè)和必須的板材生產(chǎn)獲得了優(yōu)先開發(fā)。中國(guó)管線鋼的研制和生產(chǎn)，在2000年前后面臨一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，在管線用鋼的系列化方面，在產(chǎn)量和質(zhì)量上都迫切需要有一個(gè)較大的飛躍。從1995年開始，將陸續(xù)敷設(shè)25條陸上和海洋油氣輸送管線，總長(zhǎng)度13000km。煤炭行業(yè)煤粉漿體輸送也采用長(zhǎng)輸管線，8條輸煤管線的可行性研究總長(zhǎng)度為5500krn。
技術(shù)要求 管線鋼的生產(chǎn)都按API SPEC 5L 驗(yàn)收和供貨。美國(guó)石油學(xué)會(huì)API技術(shù)規(guī)范以其先進(jìn)性、通用性和安全性在國(guó)際上享有很高聲譽(yù)，并為多數(shù)國(guó)家所采用(原有的SPEC 5LS和5LX已合并于1995年4月的API第41版本之中)。
(1)化學(xué)成分。API對(duì)制管(包括無(wú)縫鋼管和焊接鋼管)用材的熔煉分析化學(xué)成分規(guī)定如表所示。
該規(guī)范包括由A25～X80共12個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的管線用鋼，高于X42級(jí)，可以添加鈮、釩、鈦及其他元素，根據(jù)制成鋼管的規(guī)格尺寸確定添加數(shù)量。
(2)高強(qiáng)度。要求管線鋼具有高的屈服強(qiáng)度，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于X65級(jí)以上的貝氏體類型的管線鋼，由于制管工藝引起的包辛格效應(yīng)將有所減弱。
(3)高韌性。夏氏V型缺口沖擊試驗(yàn)(SR5)和落錘撕裂試驗(yàn)(SR6)，可以作為附加條件評(píng)定鋼的脆性破壞的傾向。對(duì)于使用于%26ldquo;高寒地帶的管線，高硫油氣的管線和海底管線用鋼，又針對(duì)管線敷設(shè)條件和油氣田特性，提出不同的技術(shù)要求。經(jīng)驗(yàn)表明，管線斷裂特性中，管內(nèi)介質(zhì)減壓波速度大于管線脆性斷裂擴(kuò)展速度時(shí)為延性破斷，相反則表現(xiàn)為脆性破壞。因焊管中不可避免存在各種缺陷，當(dāng)管材沖擊韌性確定之后，管徑越大、壁厚越大，則容許的缺陷值越高。當(dāng)管材工作溫度高于FATT時(shí)，采用夏氏V型缺口沖擊試驗(yàn)；低于FATT時(shí)，以COD試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)管線的止裂能力較為適宜。
(4)良好的焊接性。鋼材焊接性的設(shè)計(jì)原則，實(shí)際上就是馬氏體點(diǎn)(Ms)和最大馬氏體硬度(HVmax )的控制，通常以鋼的焊接碳當(dāng)量(Ceq)和焊接裂紋敏感性系數(shù)(Pcm)來(lái)評(píng)定管線鋼的焊接性水平。由于野外敷設(shè)管線的惡劣條件以及制管的工藝技術(shù)水平，力求焊縫的高質(zhì)量。管線多數(shù)采用的是螺縫焊管，但這種管線有一些不可忽視的缺點(diǎn)，如焊接熱影響區(qū)大，焊縫成形易造成局部應(yīng)力集中，管壁的殘余拉應(yīng)力可導(dǎo)致鋼管承壓能力的減弱。UOE管焊縫可靠性高，適用于海底、河流穿越、大落差地段以及較難以維護(hù)地段的管線。高頻電阻焊(ERW)管的焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，并解決了在線焊縫退火處理和超聲波探傷，近年ERW管已由陸地管線擴(kuò)大用于海底管線。
(5)耐腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕的能力。管線鋼最為普遍的是經(jīng)受內(nèi)壁高硫油氣的H2S腐蝕和外表面的海水腐蝕。
成分設(shè)計(jì) 管線鋼成分設(shè)計(jì)的基本方案是低碳、高錳和鋁鎮(zhèn)靜，以及微合金化。
首先摒棄了迄今的提高鋼中碳含量、犧牲鋼的塑韌性為代價(jià)、而追求強(qiáng)度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，從適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)焊接條件和優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性、韌性的匹配出發(fā)，先后開發(fā)了微珠光體鋼(%26le;0.08C)、無(wú)珠光體鋼(%26le;0.05C)、針狀鐵素體鋼(%26le;0.05Xc)和超低碳貝氏體鋼(%26le;0.03％C)等鋼種。其次是力求降低鋼中硫含量和控制鋼中硫化物的形態(tài)，新型管線鋼的硫含量都%26le;0.008％，實(shí)際控制水平則更低，如X60級(jí)管線鋼含硫量一般控制在0.008％～0.015％、X65級(jí)為0.005％～0.008％，X70級(jí)在0.002％～0.005％。微合金化是新型管線鋼合金設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一，添加碳氮化物形成元素鈮、釩、鈦等，通過(guò)細(xì)化晶粒、改變相變動(dòng)力學(xué)和溶質(zhì)原子過(guò)飽和狀態(tài)的脫溶行為，以獲得超越傳統(tǒng)管線鋼的性能水平，微合金化元素對(duì)鋼的組織和性能的影響如圖1所示。
特別是鈮-釩、鈮-鈦復(fù)合微合金化則充分利用了不同碳氮化物形成元素的溶解析出行為，得到優(yōu)于單一元素微合金化的管線鋼。鋼中鈮、釩、鈦的微合金化的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的效果又與鋼中的氮含量有關(guān)，釩一鈦一氮管線鋼是很有特色的品種。在傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)型低合金高強(qiáng)度管線鋼中，硼的加入對(duì)提高鋼的淬透性具有積極影響，在非調(diào)質(zhì)的微合金化管線鋼中，硼的存在使鈮微合金化效果更好。X80~X100級(jí)管線鋼合金設(shè)計(jì)的另一成功范例，即在鋼中加入0.5％鎳和0.3％銅，以充分利用了銅的析出強(qiáng)化效果。較高鎳銅含量的X70級(jí)沉淀硬化型管線鋼在國(guó)外已試制成功，如在正火+回火狀態(tài)下使用的IN787和NiCu age70鋼。
生產(chǎn)工藝 長(zhǎng)輸油氣管線用鋼生產(chǎn)流程及其要點(diǎn)見圖2。
根據(jù)性能要求，在合金設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮鋼的組織類型微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌化機(jī)制，在以后的冶煉、軋制、熱處理等工序操作中，都包括著豐富的化學(xué)冶金、物理冶金和力學(xué)冶金的內(nèi)容。作為現(xiàn)代管線鋼生產(chǎn)的工藝要點(diǎn)為：
(1)在70年代前，管線鋼的冶煉采用平爐、電爐和純氧頂吹轉(zhuǎn)爐三種冶煉方式。此后，基本上都采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，X80級(jí)管線鋼和一小部分X70級(jí)管線鋼，仍沿用電爐冶煉。轉(zhuǎn)爐冶煉的短周期和高產(chǎn)量與連續(xù)澆注相結(jié)合是最佳的工藝模式，可以順利地冶煉各種合金類型的低碳超低碳管線鋼。根據(jù)不同的需要，可采取鐵水預(yù)處理和鋼水吹氬、噴粉、真空脫氣等二次精煉工藝，以實(shí)現(xiàn)脫氣、成分均勻化、合金微調(diào)、夾雜物形態(tài)控制等諸多目的。微鈦處理的管線鋼，連鑄工藝的應(yīng)用則具有更大的意義。
(2)新型管線鋼的生產(chǎn)，采用微合金化與控制軋制、控制冷卻的工藝相結(jié)合才是完善的。后者又稱之為鋼的組織和性能的在線控制。再結(jié)晶控制軋制和常規(guī)控制軋制是兩類典型控制軋制工藝，其核心是高溫奧氏體再結(jié)晶、非再結(jié)晶區(qū)的富化生核和碳氮化物的析出強(qiáng)化。控制軋制各因素的相互關(guān)系如圖3所示。
帶鋼軋后的適宜的速度冷卻通過(guò)相變溫度區(qū)，是獲得高強(qiáng)度等級(jí)管線鋼的有效工藝手段。間隙式加速冷卻或連續(xù)式加速冷卻，可以調(diào)整鋼中鐵素體的類型、鐵素體中位錯(cuò)密度、貝氏體相的尺寸、貝氏體中析出相的數(shù)量和尺寸。
(3)X70級(jí)以下的新型管線鋼生產(chǎn)都是在控制軋制或控制軋制一控制冷卻狀態(tài)下獲得最終性能的。調(diào)質(zhì)型的管線鋼和沉淀硬化型管線鋼，仍需進(jìn)行熱處理。
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