CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM 2013—2014学年《石油机械与装备材料》大作业管线钢的发展及应用所在院系：理学院考生姓名：陈雷学号： **********班级：研-3指导教师：完成日期： 2014 年 4 月 23 日管线钢的发展及应用绪论石油天然气是国民经济的重要战略物资，能源增长加上结构优化调整，带动了石油天然气工业的全面发展。
目前，在人类所消耗的能源当中，石油占居第一位，天然气居第二位。
但是从全球资源储备来看，天然气资源远比石油丰富，我国更是如此[1]。
估计不久以后，天然气将占据首位，而石油会位居第二，至2030年世界上天然气的需求量将翻一番。
预计从21 世纪20 年代开始全球能源将发生巨大的变化，那时人类所使用的能源主要有核聚变能源和天然气水合物两大类。
管道工业以输送天然气、石油、成品油等能源为主要任务，其发展趋势必须顺应未来能源的变化。
世界上多数专家预计，在2010 年至2015 年期间，X80、X100和X120 级钢管均会广泛地应用于输气管线。
管道输送是将石油天然气从遥远的开采地向最终用户端长距离输送的重要方式。
在5000 公里距离以下，石油天然气的管道输送是较其它运输方式相比最为经济的一种手段。
与其它方式相比，管道输送具有输送量大，成本低，安全性高、便捷、高效等优点。
二次大战后，油气输送管线发展迅猛，输送压力不断提高，国外新建天然气管道的设计工作压力都在10MPa 以上。
输送压力的提高要求增加钢管壁厚，壁厚增加势必带来钢管重量的增加。
在此情况下，只有提高管线钢级，才能减小钢管壁厚，节约钢材，降低管道建设的成本。
一般情况下，钢管费用占整个管道投资的25％-30％。
如图1 所示，在较高工作压力下，X100 管线钢的应用具有巨大的经济效益，可使长距离油气管线成本节约5%～12 %，主要体现在材料节约、提高输送压力、减小施工量、降低维护费用、优化整体方案等方面[2 ]。
图1. 采用不同钢级钢管建设的成本变化进入21 世纪，管线钢正出现一个蓬勃发展的趋势。
管线钢发展的动力来自两个方面，其一是世界石油工业的发展。
由于极地油气田、海上油气田和腐蚀环境油气田等恶劣环境油气田的开发，不仅要求管线钢具有高的强度，而且要求具有高的韧性、疲劳性能、抗断裂性能和耐腐蚀性能，同时还要求力学性能的改善不会恶化钢的焊接性能和加工性能。
其二是冶金技术的进步。
自1959 年微合金化钢开始在油气管工程中应用以来，国际上对微合金管线钢已经行了50 年的研究与生产。
目前，管线钢的设计和生产过程由于采用了冶金数学、清洁生产、过程智能控制等高新科技，通过微合金化、超纯净冶炼和现代控轧、控冷技术，已能够提供超纯净度、炒均匀性和超细晶粒的具有优良强韧特性的管道管材。
管线钢已成为低合金高强度钢和微合金化钢领域内最富活力、最具研究成果的一个重要分支。
一．管线钢的研发历程19 世纪末，输送油气用的大口径钢管首先在美国发展起来。
1928 年美国石油学会（American Petrolium Institute）制定了API SPEC 5L 焊管标准，以后每年A修订一次PISPEC 5L 标准。
例如：“X42”表示管线钢的屈服强度等级为42 KPs（i英制单位），所对应公制单位为290MPa。
随着管线钢的进一步发展，到20 世纪60年代末70 年代初，美国石油组织在API 5LX 和API 5LS 标准中提出了微合金控轧管线钢X56、X60、X65 系列。
这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.10%～0.14%，在钢中加入了小于0.20%的Nb、V、Ti 等微合金元素，并通过控制轧制工艺显著改善了钢的力学性能。
到1973 年和1985 年，API 标准又相继增加了X70和X80 钢，其碳含量降到0.01%～0.05%，碳当量也相应地降到0.37 以下，开发出了真正现代意义上的多元微合金化控轧控冷管线钢。
如图2[3]所示，为不同强度级别管线钢的发展历程图。
图2 管线钢的发展历程1891 年，美国建成了第一条天然气长距离输送管线（约200km），并于1925年建成第一条焊接钢管天然气管线。
早期建设的管道，由于管径小、压力低以及冶金技术的限制，直到40 年代，一直都还采用C、Mn、Si 型的普通碳素钢，其强度级别均低于X52，在冶金上更侧重于性能，而对化学成分没有严格的规定。
二十世纪60 年代以前，管线钢的强度是通过含0.20%碳的钢经热轧、正火得到的，此时钢级主要为X52、X56。
1959 年低碳高强度低合金钢（HSLA）首先应用在大运河管道工程，从而带动了热轧微合金化技术在高强度管线钢上的应用与发展。
自20 世纪60 年代，随着输油、气管道输送压力和输送管径的增大，对管线钢的强度级别要求也越来越高，人们开始采用高强度低合金钢来代替普碳钢，并通过控制轧制和控制冷却技术进一步提高材料的力学性能。
20 世纪60 年代至70 年代，主要为X52-X60 钢级的管线钢，其化学成分为0.20%C 再添加一定量的合金元素（钒或铌），通过传统热轧和正火后钒的析出强化来获得所需的强度。
这时钢的显微组织为铁素体加珠光体型。
到七、八十年代，随着控制轧制工艺（TM）在生产中的应用，X65、X70 钢级管线钢迅速发展起来。
钢中的碳含量大大降低，同时降低了钒的含量，提高Nb 含量，通过Nb 对热轧时奥氏体再结晶行为的影响来达到细化晶粒的目的，提高钢的强度。
由于C 含量的降低，大大减少了珠光体的比例，钢的韧性也得到了很大的提高。
这时钢的成分为0.10%C+Nb(V)，其组织为铁素体加少量珠光体。
到了八十年代后期，随着热轧工艺和设备的不断改进和发展，在控轧（TM）后进行强制加速冷却技术（ACC）的工艺在生产中得到了应用。
管线钢的C 含量进一步降低，但强度却在提高。
另外，冷却速率的提高和冷却停止温度的降低使得终轧后的组织发生了根本性的改变，由铁素体+珠光体型变为先共析铁素体+贝氏体型（或针状铁素体型），同时组织也得到进一步细化。
X80 管线钢就是在此技术上发展起来的。
此时钢中碳含量约0.08%，并通过铌、钛复合进行微合金化，钛的加入能进一步改善高强度钢的焊接性能。
到九十年代，X100 管线钢也相继在德国、加拿大等国家研制出来，其成分为0.07%C+Nb+Ti+Mo，生产工艺为控轧（TM）+加速冷却（ACC）或控轧（TM）+直接淬火（DQ），其中后一种工艺得出的组织为马氏体。
二．管线钢的生产及应用二次世界大战后，油气输送管线迅猛发展，随着输气管道输送压力的不断提高、输送介质以及自然环境的不断变化，对管材的要求也不断提高。
输送压力从之前的0.25Mpa 上升到90 年代的10Mpa，国外新建成的天然气管道的设计工作压力都在10MPa 以上。
而管线钢的屈服强度则从170Mpa提高到500Mpa以上。
从高钢级管线钢的开发使用上来看，20 世纪60 年代初期，X60 管线钢开始投入使用；到80 年代，X70 钢被逐渐引入工程建设当中；到90 年代，X80 钢开始在一些管线中投入试用[4]，与此同时，还加强了对X100 和X120 钢级的开发工作。
至今为止，X70 级别管线钢已广泛应用，在西气东输二线工程中也应用了X80级别的管线钢。
而在加拿大和欧洲，X80 级别管线钢已经建成了数百公里的试验段。
X100、X120强度级别的管线钢的研究也取得了很大的进展，工业发达国家普遍把X80列为21 世纪初天然气管道的首选钢级。
另外，一些著名的石油公司和管道公司也计划在新世纪初进行X100钢级管道的工业性试验、甚至越过X100直接进行X120钢级的工业性试验。
1967 年，国际上第一条高压、高钢级(X65)跨国天然气管线(伊朗到阿塞拜疆)建成；20 世纪70 年代初期，北美开始将X70 级管线钢用于天然气管线的建设当中；1985 年，德国铺设了世界上第一条 3.2km 长的X80 试验段；1988 年日本SMI公司率先报道了X100 的研究成果。
到2002 年9 月，Transcanada 公司成功地将NKK 提供的14.3mm 厚的X100 高钢级钢管用于WESTPA TH 项目Saratoga 试验段中，并且取得了一系列研究成果。
X100 钢级也首次被列入2002 年新版的加拿大管道标准CSAZ245.1—2002 当中。
美国Exxon 公司于1993 年着手X120 管线钢的研究，并于1996 年分别与日本SMI 公司和NSC 公司联手，推进X120 钢级管线钢的研究进程。
2004 年2 月，加拿大在Pearless Lake 项目中成功建成了一条 2 公里长的φ914mm 的X100 和 1.6 公里长的φ914mmX120 试验段，该试验段的建成是世界上首次在工程中应用X120 管线钢。
目前，国外天然气高压输送采用高钢级钢管呈现强劲的发展趋势。
微合金钢控制轧制技术在管线钢中的应用使得管线钢的生产不再进行正火，从而大大降低了生产成本。
同时，由于微合金元素的作用使得晶粒得到进一步细化，与相同级别的非控轧钢相比，钢中碳含量可以大幅度降低，使钢的韧性和焊接性得到了很大提高。
随着输气管道输送压力的不断提高，使得钢管迅速向高钢级发展。
国际上，X70 钢管已使用多年，X80 钢管在德国、加拿大、日本、中国等国已经具备了规模生产的能力，并已应用到多条管线当中。
与此同时，国外一些厂家也加强了X100 和X120 钢级的开发与储备工作。
由于高钢级管线钢对强韧性和焊接性能等综合性能的特殊要求，对长距离油气输送使用高钢级管线钢还需要大量的基础性研究。
实际上X70、X80 级别针状铁素体型管线钢是目前世界各国进行天然气管线建设的首选钢种，而从制造成本上看，X80 针状铁素体型管线钢将成为新一轮油气输送管线建设的重要需求。
下面简单介绍以下各个级别管线钢的发展级应用概况。
①X70 钢级管线钢的发展概况20世纪70年代初，Transcanada 首次使用了X70 钢级的钢管，迄今为止，已经建设了近6300km长的管线；而欧洲钢管公司到2001 年底也已生产X70钢级的钢管近321万吨。
目前，X70级别的管线钢管的生产技术在欧洲钢管，新日铁，住友，NKK，KAWASAKI，IPSCO，ILVA 等公司均已成熟，并且正向着厚壁、深海、抗腐蚀方向发展。
②X80 钢级的开发与使用高钢级管线钢的生产是钢铁企业综合实力的重要标志和体现，X80管线钢管在国际上的研究和应用已有20多年的历史，关于其组织、机械性能和抗腐蚀性能、焊接性能等的相关研究也已有较多报道。
但是，由于其对强韧性和焊接性等综合性能的特殊要求，X80 的使用仍受到一定限制，至今为止，世界上已建成的X80输气管线也不多。
