管線鋼的用途
一、管線鋼的發(fā)展
20世紀(jì)40年代末,由于受到冶金技術(shù)和加工工藝的限制,管道用鋼一直采用添加C 、Mn、Si來增加鋼材強(qiáng)度,這類普通碳素鋼的典型化學(xué)成分為:C:0.1~0.25%,Mn:0.4~0.7%,Si:0.1~0.5%,一定的S、P含量和殘存的其他元素。后來,又通過提高錳含量、降低C含量和加入少量合金元素(一般小于3% ),使C含量上限從0.25%降到0.2%,錳含量上限從0.7%增加到1.8%,得到低合金高強(qiáng)度鋼;和普通碳素鋼一樣,這類鋼均是以熱軋或正火狀態(tài)交貨,這類鋼稱為C+ Mn鋼,如:20#、 X42 、X46、X52;這類鋼的設(shè)計(jì)主要是滿足強(qiáng)度的要求。
隨著天然氣輸送壓力和管徑的增大,單純依靠增加C、Mn含量,通過固溶強(qiáng)化來提高鋼管的強(qiáng)度,會(huì)使管鋼的可焊性和韌性變差,不能滿足工程需要。
60年代末,煉鋼工業(yè)突破了傳統(tǒng)的C-Mn合金化加正火的生產(chǎn)工藝,在鋼中加入微量的Nb、V、Ti (不大于0.2%)等微合金元素,減少C含量,通過控軋、控冷(TMPC)等加工工藝,使鋼材的綜合性能得到了明顯的改善,這種鋼稱為微合金化高強(qiáng)度低合金鋼,從此管線鋼進(jìn)入了微合金化加控軋、控冷生產(chǎn)的嶄新階段。
早期的微合金化鋼常常只含單一的微合金元素,如Mn-Nb鋼、Mn-V鋼、Mn-Ti鋼,后來發(fā)現(xiàn),不同的微合金元素以及微合金元素與其他合金元素之間的相互作用,能賦予管線鋼更完善的性能,因此,出現(xiàn)了Mn-Nb-V鋼,如:X60 、X65鋼。
70年代末,在Mn-Nb系基礎(chǔ)上,研制出了Mn-Mo-Nb系微合金化高強(qiáng)度鋼,如X70、X80鋼。
隨著近海、極地管線等的使用需求,90年代末,開發(fā)了超低碳Mn-Nb-Mo-B-Ti系高強(qiáng)度鋼,如:X100、X120。
我國西氣東輸工程首次使用了X70的管線鋼,目前,多家鋼廠已試制成功X80 、X100管線鋼管。
目前油氣輸送朝著大口徑、高輸壓方向發(fā)展,要求管線鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性能,使得管線鋼的開發(fā)也向著超低碳和少量多元合金化方向發(fā)展。
二、化學(xué)成分的作用和碳當(dāng)量
1、化學(xué)成分的作用
化學(xué)成分是決定鋼管力學(xué)性能的重要因素之一,下面簡單介紹幾種主要化學(xué)成分在鋼管中的作用。
碳(C):是提高鋼材強(qiáng)度的主要來源,也是最廉價(jià)的元素,隨著碳含量增加,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高,但塑性和沖擊韌性降低,焊接性能下降。
當(dāng)碳含量超過0.23%時(shí),鋼材的焊接性能變壞。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大C含量,根據(jù)不同鋼級,范圍為:C≤0.12 ~ 0.24% 。
錳(Mn):錳是作為降低C含量,增加鋼材強(qiáng)度的主要元素。Mn能降低相變溫度、改變微觀組織,細(xì)化晶粒尺寸,通過固溶強(qiáng)化、晶間強(qiáng)化和相變強(qiáng)化作用,提高鋼的強(qiáng)度和硬度,如16Mn鋼比A3屈服強(qiáng)度高40%。錳還能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,提高鋼材的韌性。
在煉鋼中,錳是良好的脫硫劑和弱脫氧劑,它與S形成MnS ,消除硫、氧對鋼材的熱脆影響,改善鋼的冷脆傾向 ,提高鋼的淬透性。 但是錳含量過高,會(huì)導(dǎo)致鋼坯內(nèi)發(fā)生錳的偏析,降低鋼材的焊接性能。
管線鋼中的錳含量一般控制在1.1%~2.0%。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大Mn含量,根據(jù)不同鋼級,范圍為:Mn≤1.2~1.8%
硅(Si):碳素鋼中加入硅,能細(xì)化晶粒,提高鋼的強(qiáng)度、硬度。硅含量過多,會(huì)降低鋼的塑性、韌性和焊接性能。 在煉鋼過程中,硅是還原劑和強(qiáng)脫氧劑,所以鎮(zhèn)靜鋼一般含有0.15-0.30%的硅。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大Si 含量,根據(jù)不同鋼級,范圍為:Si≤ 0.4~0.45%。
磷(P):管線鋼中,磷是有害元素,它降低鋼的塑性和韌性,增加冷脆性,使焊接性能、冷彎性能變壞。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大允許P含量為:P≤0.025%。
硫(S):硫也是有害元素。它使鋼產(chǎn)生熱脆性和分層,降低鋼的延展性和韌性,在鍛造和軋制時(shí)易造成裂紋;硫?qū)︿摰暮附有阅芤膊焕?/p>
GB/T9711中PSL2鋼管的最大S 含量:S≤0.015%。
鈮(Nb):在控軋控冷工藝中,它具有顯著阻止奧氏體晶粒長大、延遲奧氏體再結(jié)晶、細(xì)化組織晶粒的作用以及中等沉淀強(qiáng)化作用和較好降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的作用。它能提高鋼的強(qiáng)度和韌性,但它對阻止焊接熱影響區(qū)晶粒長大,改善熱影響區(qū)沖擊韌性的作用不明顯。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鈮含量:Nb≤0.05%。
釩(V):在控軋控冷工藝中,它具有顯著降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度、較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化和較弱的細(xì)化晶粒作用。它能提高鋼的強(qiáng)度和韌性。煉鋼中,釩是優(yōu)良的脫氧劑,釩與碳形成的碳化物,在高溫高壓下可提高鋼材的抗腐蝕能力。一般管線鋼成分設(shè)計(jì)中不單獨(dú)使用V。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大釩含量,根據(jù)不同鋼級,范圍為:V≤0.04~0.1%;且L360以下鋼級的Nb+V≤0.06%。
鈦(Ti):在控軋控冷工藝中,它具有顯著的沉淀強(qiáng)化作用、中等晶粒細(xì)化作用和較弱降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的作用,它能提高鋼的強(qiáng)度和韌性,還能改善硫化物分布形態(tài);它對焊接熱影響區(qū)的韌性具有獨(dú)特的貢獻(xiàn),它能降低鋼的焊接熱影響區(qū)裂紋的敏感性,改善焊接性能,但Ti含量過大,會(huì)形成大量TiC質(zhì)點(diǎn),反而降低韌性。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鈦含量:Ti≤0.04%,同時(shí)規(guī)定,L415以上鋼級Nb+V+Ti ≤0.15%。
鉬(Mo):它具有抑制塊狀鐵素體形成,促進(jìn)針狀鐵素體轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步細(xì)化晶粒的作用;它還能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,提高Nb的沉淀強(qiáng)化效果,因此,它能提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。
Mo還具有補(bǔ)償因包辛格效應(yīng)(在金屬塑性加工過程中正向加載引起的塑性應(yīng)變強(qiáng)化導(dǎo)致金屬材料在隨后的反向加載過程中呈現(xiàn)塑性應(yīng)變軟化,即屈服強(qiáng)度下降的現(xiàn)象)所引起的強(qiáng)度損失。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鉬含量,根據(jù)不同鋼級,范圍為:Mo≤0.15~0. 5%。
鎳(Ni):鎳在鋼中的相變行為與Mo相似,能降低鋼材的相變溫度,改善微觀組織,細(xì)化晶粒,提高鋼材的強(qiáng)度,而又保持良好的塑性和韌性。它還能提高鋼的抗腐蝕能力。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鎳含量,根據(jù)不同鋼級,范圍在:Ni≤0.3~0.5%。
鉻(Cr):顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度,但它也顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,使韌性下降;鉻還能提高鋼的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鉻含量,根據(jù)不同鋼級,范圍在: Cr≤0.3~0.5%。
銅(Cu):適量的銅,可顯著提高管線鋼的抗腐蝕能力和抗氫致開裂的能力。它能有效地防止氫原子滲入鋼中,減少平均裂紋長度。當(dāng)銅含量超過0.2%時(shí),還能在鋼的表面形成致密保護(hù)層,顯著降低HIC和鋼板的平均腐蝕速率,使平均裂紋長度接近零。銅還會(huì)降低相變溫度,提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。但是,當(dāng)銅含量超過0.5%時(shí),鋼材的塑性會(huì)顯著降低;對焊接性也有影響。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大銅含量: Cu≤0. 5%。
2、碳當(dāng)量
為了評價(jià)鋼材的焊接性能和焊接冷裂紋傾向,可以簡單地用碳當(dāng)量來衡量。碳當(dāng)量越大,其焊接性能越差,淬硬傾向和冷裂紋傾向越大。
當(dāng)CEIIW ≤0.35%, 鋼材焊接性能優(yōu)秀。
當(dāng)CEIIW =0.36-0.40 %,鋼材焊接性能良好。
當(dāng)CEIIW =0.41-0.45 %,鋼材焊接性能尚可,
當(dāng)CEIIW =0.46-0.50 %,鋼材焊接性能較差,冷裂紋的敏感性將增大,焊前需適當(dāng)預(yù)熱以及采用低氫型焊接材料 。
當(dāng)CEIIW ≥0.5%,焊接性能很差,屬于難焊接的材料,需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的焊接工藝方法。
對于碳素鋼,決定碳當(dāng)量的主要元素是碳含量;對于低合金鋼,除碳含量以外,各種合金元素對鋼材的可焊性也起著重要作用。為了準(zhǔn)確表達(dá)各種合金元素對鋼材可焊性的影響,將鋼鐵中各種合金元素折算成碳當(dāng)量,然后把各元素的碳當(dāng)量相加,作為鋼材總的碳當(dāng)量。
每一種元素碳當(dāng)量的折算值用1/X表示,X是根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得來,一般為正整數(shù)。
同一種元素,在不同的碳當(dāng)量計(jì)算法中,由于不同的研究者,得到的X值也不相同。
GB/T9711標(biāo)準(zhǔn)的碳當(dāng)量計(jì)算公式為:
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稱為碳當(dāng)量
CEPCM稱為冷裂紋敏感系數(shù)
GB/T9711標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:當(dāng)C>0.12%時(shí),采用CEIIW;C≤0.12%時(shí),采用CE Pcm,其主要原因是:CEIIW計(jì)算公式,只考慮了C、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、V七種元素對碳當(dāng)量的影響, 同時(shí),它對Ni和Cu, Cr、Mo和V采用相同的系數(shù),相對比較粗略,在C含量大于0.12%時(shí),能準(zhǔn)確地反映鋼材的焊接性能。
由于管線鋼制造技術(shù)的進(jìn)步,隨著碳含量的大大降低和多種合金元素的添加,過去在碳含量較高時(shí)推出的CEIIW計(jì)算公式,由于沒有考慮碳含量的變化和其余合金元素的影響,已不能準(zhǔn)確反映鋼材的焊接性能。
CEpcm計(jì)算公式除了考慮以上七種元素之外,還考慮了Si、B的影響,這對于更高鋼級可能添加B的材料是很重要的。同時(shí),CEpcm計(jì)算公式是經(jīng)過詳細(xì)研究各種元素對焊接性能的影響后,對Ni、Mo和V確定了不同的系數(shù),因此,對于Ni、Cu、Cr、Mo、V含量較高的鋼種,采用CEpcm計(jì)算公式能更為準(zhǔn)確反映鋼材的焊接性能。