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目录第一章绪论11.1选题背景11.2课题研究目的和意义21.3管线钢的研究进展31.4管线钢的研究现状和发展趋势41.4.1 管线钢的发展趋势41.4.2 管线钢的组织结构的变化41.4.3管线钢的国内外研究现状61.5焊接热影响区的组织性能特点及其研究现状81.5.1 管线钢焊接热影响区的组织转变特点81.5.2 管线钢的HAZ组织分布91.5.3 HAZ的性能分布101.5.4 管线钢的焊接热影响区研究现状101.5.4 管线钢焊接热影响区的粗晶区局部脆化现象12 1.6本文的研究内容14第二章试验材料及方法152.1试验材料152.2试验方法152.2.1 热模拟试验152.2.2 夏比冲击试验202.2.3 硬度试验212.2.4 显微组织分析实验22第三章X100管线钢热影响区的组织性能研究233.1热模拟试验233.2硬度试验243.3冲击试验253.4显微组织分析26第四章结论28参考文献29致谢31第一章绪论1.1选题背景石油天然气是国民经济的重要战略物资。
能源需求的增长加上能源结构的优化调整，带动了石油天然气工业的全面发展。
至2030年全世界天然气的需求量将翻一番。
今后10~15年，全球总能源消耗将比现在增加60%左右，其中天然气消耗将翻一番。
天然气需求的增长主要集中在北美、欧洲和经济迅速发展的亚洲。
从地域上来看，用户主要在工业发达的城市地区，而油气田则大部分在极地、冰原、荒漠、海洋等偏远地带。
因而作为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，油气输送管道在近40年得到了巨大的发展，这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。
预计今后10~15年内，我国共需各类油气输送钢管1000×104t左右(不包括城市管网)[1]。
油气输送管发展的动力来自于两个方面。
其一是世界石油工业的发展。
随着极地油气田、海洋油气田和边远油气田的开发，对输送管提出了越来越高的要求。
x100管线钢标准管线钢是一种特殊的钢材，用于制造输送液体或气体的管道系统。
在不同的国家和地区，对于管线钢的标准制定会有一定的差异。
在中国，当前广泛使用的管线钢标准是X100管线钢标准，下面将从管线钢的特点、应用、标准制定等方面进行详细的介绍。
首先，让我们了解一下管线钢的特点。
管线钢具有高强度、良好的可塑性和韧性，能够承受较大的压力和温度。
它具有耐热、耐腐蚀、耐磨损等特性，适用于各种不同的工况环境。
此外，管线钢的焊接性能也非常优秀，能够满足管道系统的连接需要。
管线钢广泛应用于石油、天然气、化工、水利等领域。
在石油和天然气工业中，管线钢被用于输送石油、天然气等能源资源。
在化工工业中，管线钢用于输送各种化工介质。
在水利工程中，管线钢被用于输送水资源。
这些应用领域对于管线钢的性能要求非常严格，对于管线钢的标准制定也具有重要的意义。
在制定管线钢标准时，需要考虑以下几个方面。
首先，需要确定管线钢的化学成分和力学性能要求。
这包括确定元素含量、抗拉强度、屈服强度、延伸率等。
其次，需要规定管线钢的制造方法和工艺要求，包括热处理、冷加工、退火等。
再次，需要制定管线钢的外观和检测要求，如表面质量、尺寸、无损检测等。
最后，还需要考虑管线钢的交货状态和包装要求。
X100管线钢是中国当前广泛使用的管线钢标准之一。
X100代表着钢材的抗拉强度为100ksi或690MPa。
X100管线钢在中国已经得到了广泛应用，在重大石油、天然气管道工程中发挥着重要的作用。
它具有较高的强度和韧性，并且能够满足高压、高温等复杂工况的要求。
X100管线钢标准包含了完整的化学成分、力学性能和工艺要求的规定。
它要求管线钢的化学成分符合相应要求，包括铁素体、贝氏体和珠光体的含量。
此外，它还规定了管线钢的抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能指标。
另外，X100管线钢还规定了管线钢的制造方法和工艺要求，包括钢坯制备、热轧、热处理等。
除了力学性能和工艺要求外，X100管线钢标准还对管线钢的外观和检测要求进行了规定。
1 X100管线钢的发展历史2002年TCPL 在加拿大建成了一条管径1219mm 、壁厚14.3mm 、X100钢级的1km 试验段[1]。
同年,新版的CSZ245-1-2002首次将Grade690 (X100) 列入加拿大国家标准；2004年2月,Exxon Mobil 石油公司采用与日本新月铁合作研制的X120钢级焊管在加拿大建成一条管径914 mm 、壁厚16mm 、1.6 km 长的试验段。
X100级管线钢在20世纪80年代中期已完成了试验，但那时尚无实际应用的需求，图1为管线钢的发展历史。
到1995年几家石油和天然气公司开始设计X100级的材料。
有关X100最早的研究报告发表于1988年，通过大量工作已形成很好的技术体系。
欧洲钢管自1995年开始进行X100的开发试制，采用TMCP 工艺。
到2002年已生产了数百吨壁厚在12.7~25.4mm 的X100管线钢。
图1 管线钢钢级随年代的发展变化2002年9月，TransCanada 用JFE/NKK 提供的口径1219mm 、壁厚14.3mm 的X100钢管在加拿大WESTPATH项目中铺设了1km 长的试验段，进行了世界上首次X100的应用试验[2]。
通过现场焊接试验，认为只要采取适当的措施，X100现场焊接的焊缝强度和韧性可以获得满意结果。
这对推广应用X100管线钢具有指导意义。
随着中国经济的强劲增长，对石油天然气等能源的需求也相应增加，而大半需从国外进口。
这意味着从中亚和西西伯利亚到中国东北部将建设一巨大的长距离管线输送的网络工程。
而长距离管线输送的关键在于不断提高其工作压力，降低单位输送成本，且通过减少其管壁厚度来降低材料及相关建设费用。
鉴于此，长距离输送则要求更高钢级的高强度管线钢管，同时还要求有高韧性，特别是很高的CVN 。
因此，近年来开发更高强度管线钢的经济驱动力不断增加，曾在国际标准中处于最高钢级的X70已被X80所取代，X100和X120国际标准的草稿业已推出。
第45卷 第9期 2010年9月钢铁Iron and Steel Vol.45,No.9September 2010X 100管线钢的热轧显微组织分析周 平1,2, 兰亮云1, 邱春林1,霍孝新2, 高秀华1, 刘相华1(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;2.莱芜钢铁集团有限公司技术研发中心,山东莱芜271104)摘 要:通过热轧试验,利用扫描电镜,TEM 观察和EBSD 技术等分析显微组织与力学性能之间的关系。
研究结果表明:显微组织以G B +A F 组织为主,A F 组织呈典型的长条针状;以块状形式转变的准多边形铁素体为主,内部含有大量位错,高位错密度形成位错胞,位错线上分布着细小的析出相,具有高强度和良好冲击韧性;大角度晶界占整个分析区域内晶界的88%,大角度晶界主要分布在30°～60°,对冲击韧性非常有利。
关键词:X100;管线钢;针状铁素体;控轧控冷中图分类号:T G142.1 文献标志码:A 文章编号:04492749X (2010)0920077205H ot 2R olled Microstructure Analysis of X 100Pipeline SteelZHOU Ping 1,2, L AN Liang 2yun 1, Q IU Chun 2lin 1,HUO Xiao 2xin 2, GAO Xiu 2hua 1, L IU Xiang 2hua 1(1.The State Key Lab of Rolling and Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,Liaoning ,China ;2.Technical Research and Development Center ,Laiwu Steel Group ,Laiwu 271104,Shandong ,China )Abstract :The relationship between microstructure and mechanical properties were investigated through hot 2rolling tests ,scanning electron microscopy ,TEM observation and analysis of EBSD technology.The results show that G B +A F are the primary microstructures ,and A F is typical of long needle 2like structure.the quasi 2polygonal ferrite transformed f rom massive ferrite is the main structure ,containing a lot of interior dislocation and f urther forming the high dislocation density of dislocations cell ,and distributing small precipitates in dislocation lines with high strength and good impact toughness.The wide 2angle grain boundary is about 88%of the total grain boundary ob 2served ,wide 2angle grain boundary are mainly distributed in 30°260°,which is very beneficial to toughness.K ey w ords :X100;pipeline steel ;acicular ferrite ;thermomechanical control process (TMCP )作者简介:周 平(1973—),女,硕士生,高级工程师; E 2m ail :sdlgzp @ ; 收稿日期:2009211219 管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、最合理的运输方式。
X100/X120管线钢焊缝性能要求近几年来，随着天然气需求量不断增长，我国石油天然气管道工程也发展迅速，带动了管线钢产量的大幅提高。
降低长距离天然气输送管线的建设成本显得越来越重要，使用高钢级、较小直径、中等壁厚的钢管可以降低施工成本，压缩造价，降低材料成本。
20世纪90年代中期，我国管线钢年产量仅为30万t，到2009年已提高到700万t，与此同时，从管线钢的品质特性来看，我国已从20世纪80～90年代初期的铁素体-珠光体微合金管线钢发展到目前的针状铁素体管线钢，完成了第一代产品到第二代产品的转变。
随着X80强度级别管线钢的批量生产以及X100、X120管线钢的试制成功，我国已具备了X52至X120管线钢的生产能力[1]。
0 高强度管线钢的研发目前管线钢的应用范围越来越广泛，发展速度越来越快，上世纪70年代出现的控轧、控制冷却的工艺代替了冶金行业传统的热轧、正火工艺，在合金元素的成分设计方面，通过Nb的添加，制造出了X60钢；通过Nb、V的微合金化，生产出了X70钢；而X80钢是采用低碳，Nb、Ti合金化，通过控轧及加速冷却的工艺研制出来的（对于δ≥25㎜的钢板，必须添加Mo）；而X100则是在控制轧制及加速冷却的条件下，通过Mn-Nb-Ti合金化及添加Mo的情况下试制出来的高强高韧性的管线钢[4]。
通过微合金化技术和控制轧制与控制冷却技术工艺的发展，使管线钢的性能指标向高强度高韧性方面发展。
高强度级别管线钢，一般指X80、X100、X120等。
由于随着钢的强度级别的提高，在同样输气量的情况下，管材壁厚可以减小，从而可以节省用钢量。
因此，可减少管线建设的投资费用，通常管材费用占管线投资的25%～30%[4]。
1 X100/X120管线钢的化学成分、性能和组织1.1 X100/X120管线钢的化学成分2006年国内某钢厂研制的X100钢板的主要化学成分[3]，为了便于对比，列出宝钢生产的X120管线钢板的主要化学成分和碳当量。
高级别管线钢概述管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口经焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。
管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。
随着石油、天然气消费量的增长，其输送的重要性显越发突出，尤其是长距离输送。
而提高输送效率，提高输送的经济效益就要通过加大输送管道口径，提高输送压力来解决。
从而提高了对高级别、高性能管线钢的需求。
1、国内发展概况我国管线钢的起步较晚，国内生产符合API5L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史，X60～X70级管线钢已在国际市场上占有一定的地位，目前国内已投入生产的X80级管线钢质量也达到了国际先进水平，X100级管线钢已经研制出来。
随着国内冶金技术装备水平的提高，我国能生产管线钢板卷的企业逐渐增多，但是能够生产X70及以上级别的钢厂仅有宝钢、武钢、鞍钢、舞钢、等。
近两年来，许多钢铁厂加大了对高级别管线钢的研究开发，宝钢已研发出X120级别的管线用钢板。
21世纪是我国输气管建设的高峰时期。
“西气东输”管线采用大口径、高压输送管的方法，这条管线全长4167km，输送压力为10MPa，管径为1016mm，采用的钢级为X70、厚度4.6mm，-20℃的横向冲击功≥120J。
从西气东输工程钢材与钢板的国产化率统计看（表1.1）[1]，此项目X70钢材与钢管的总国产化率并不高，说明我国迫切需要加速高钢级管线钢宽厚板生产能力的建设。
从总体上来看，我国X80级别以上高级别管线钢与国际上还有很大的差距，同级别管线钢的开发与应用整整比发达国家晚了近30年。
表1.1西气东输工程钢材与钢板的国产化率统计2、国外发展概况国外高级别管线钢呈现强劲的发展趋势，从20世纪70年代初期X65管线钢开始投入使用，80年代X70级管线钢逐渐被引入工程建设，1985年API标准中增加了X80钢级，随后X80开始部分在一些管线工程中使用，并很快就投入到X100和X120管线钢的开发试制工作。
x100管线钢标准
X100管线钢是一种高强度、高韧性的钢材，主要用于石油、天然气等输送管道的建设。
其标准主要包括以下几个方面：
1. 化学成分：X100管线钢的主要成分是铁和碳，同时还含有少量的硅、锰、磷、硫等元素。
这些元素的含量需要严格控制，以保证钢材的性能。
2. 机械性能：X100管线钢的机械性能主要包括抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击韧性等。
这些性能指标需要达到一定的标准，以保证管道在高压、高温等恶劣环境下的安全运行。
3. 焊接性能：X100管线钢需要具有良好的焊接性能，以便进行各种复杂的焊接操作。
这包括焊缝的强度、韧性、硬度等性能指标。
4. 耐腐蚀性：由于X100管线钢主要用于输送石油、天然气等腐蚀性介质，因此需要具有良好的耐腐蚀性。
这包括耐酸、耐碱、耐盐等腐蚀性能。
5. 尺寸精度：X100管线钢的尺寸精度要求较高，需要保证管道的直径、壁厚等尺寸符合设计要求。
6. 表面质量：X100管线钢的表面质量也非常重要，需要保证无裂纹、夹杂、
氧化皮等缺陷。
7. 检验标准：X100管线钢的生产和使用都需要按照相关的国家标准和行业标准进行检验，以确保其质量和性能。
以上就是X100管线钢的标准，不同的国家和地区可能会有不同的标准要求。
在选择和使用X100管线钢时，需要根据具体的工程条件和要求，选择合适的产品和标准。
X100级管线钢的微观组织与力学性能的关系石油天然气输送管道发展趋势是采用大口径高压输送石油天然气并选用高强度级别的管线钢作为输送管道，这样既能大幅度降低管道建设成本、节约工程造价，又能提高管道输送设计压力。
继西气东输一线、二线工程后，为了实现我国的能源战略目标，各钢铁企业开始着手研发X100级及更高级别的管线钢。
到目前为止X100级管线钢尚处于研发试制阶段，现有研究表明，其微观组织主要由粒状贝氏体(GB)+针状铁素体(AF)+M/A岛状结构或下贝氏体(LB)+马氏体(M)+M/A岛状结构组成。
API5L将X100级管线钢的性能指标值暂定为屈服强度690MPa(SMYS)和抗拉强度760MPa(SMTS)。
国内关于X100管线钢的研究主要集中于管线钢的化学成分设计方面，采用相应地控轧控冷工艺(TMCP)或高温轧制工艺(HTP)得到力学性能满足要求的管线钢；国外的研究主要集中于X100管线钢的化学成分设计及其对微观组织的影响、板材轧制工艺参数。
对于X100管线钢的微观组织及其对力学性能的影响方面还缺乏深入的研究，并且评价出具有良好性能的微观组织对轧制工艺的制定具有重要的指导意义。
本文着重分析了国内外具有代表性的三家钢铁企业生产的X100级管线钢的微观组织的区别及其对力学性能的影响。
三种实验钢板的主要化学成分见表1。
根据ASTMA370-2002和ASTMA370-2005标准在钢管距焊缝180°母材部位取横向拉伸和冲击试样，并在MTS810型拉伸机和JB-800型冲击机上进行试验。
根据GB/T18658-2002(金属夏比冲击试验方法)取标准冲击试样，进行温度为20、0、-10、-20、-40和-60℃的系列冲击试验。
落锤试样在管材距焊缝1/4部位取横向落锤试样(DWTT)，试样尺寸为300mm×75mm×壁厚，缺口形式为标准压制V型缺口，实验设备型号为JL-30000，实验按API5L标准进行。
第29卷 第3期Vo l 29 No 3材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of M aterials Science &Engineering 总第131期Jun.2011文章编号:1673 2812(2011)03 0386 06高钢级X100管线钢的组织与性能曾 明,江海涛,胡水平,赵征志(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京 100083)摘 要 本文利用光学显微康、扫描电镜、透射电镜等,对实验室T MCP 工艺生产的X100管线钢的组织构成、微观结构、析出物的形态和分布等进行了研究。
研究结果表明,X100为GB(Granular Bainite)、BF(Bainite Ferrite)、M /A 构成的复相组织,且各相比例和形态对性能影响较大,以GB 为主的基体加上少量BF 及弥散分布的细小M/A 构成的组织具有较好的强度和韧性匹配。
TEM 微观形貌观察发现,贝氏体晶粒内部具有高密度位错和不同位向的板条束及M /A 硬化相;萃取复形实验发现,X100中主要有两种类型的析出物:一类尺寸较大为T i 的析出,一类尺寸较小为Nb 的析出物;这两种析出物起阻碍奥氏体再结晶和晶粒长大及析出强化的作用。
关键词 X100管线钢;复相组织;高密度位错;析出物中图分类号:T G142.33 文献标识码:AMicrostructure and Mechanical Properties of Pipeline Steel X100ZENG Ming,JIANG Hai tao,HU Shui ping,ZHAO Zheng zhi(National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,Beijing Universityof Science and Technology,Beijing 100083,China)Abstract Microstr uctural constituents as w ell as distribution of precipitates in pipeline steel X100pro duced by thermo mechanical contr ol pr ocess (TM CP)techno logy w ere inv estig ated by m eans of optical micro scopy ,scanning electr on m icroscopy,tr ansm issio n electron micr oscopy,etc.Results show that X100ispo lyphase structur ed steel w hich is m ainly constituted of GB (granular bainite)、BF (bainite fer rite )、M/A (martensite austensite ),conformation and proportion o f each phase have significant influence on the performances of X100.It is pro ved that GB based structure w ith a few BF and dispersed fine M /A inside has ex cellent effects on streng th and toughness.H igh density of dislocations,bainite lathes w ith differ ent orientatio ns and M /A har dening phase w ere found by means of T EM o bser vation.It also found tw o types of precipitate,o ne w ith big size mainly constitute of T i,the other w ith sm all size mainly constitute of Nb;each ty pe of precipitate have big effects o n hindering the recry stallizatio n of austenite and on the precipitation streng thening.Key words pipeline steel X100;poly phase;hig h density o f dislocations;precipitate收稿日期:2010 09 09;修订日期:2010 10 18作者简介:曾 明(1985-),男,硕士。
研究方向:冶金工艺装备及钢种开发。
E mail:z engming0504@ 。
通讯作者:江海涛,副研究员。
E mail:nw pujht@1 引 言目前,世界石油管道的建设正朝着长距离、大口径、高输送压力发展,为减少建设和维护成本,高钢级管线钢的开发应用已成为国内外管道用钢的研究热点[1~3]。
当前石油管道用钢的主流级别已成为X80,围绕该钢种的相关研究也已十分成熟。
X100~X120级别管线钢的实验室研发已取得成功,除了国外有少量实验管道,还未出现大规模工程应用,对其组织的研究也一直处在对传统低碳贝氏体组织的研究阶段,关于组织的形成和转变机理也未达成统一定论。
组织的微观结构、强韧化机理以及复相组织构成与性能之间的关系等一些具体问题还有待研究。
相信随着国内一系列管道建设工程的展开,X100的高强度、高韧性带来的成本优势将促使其大规模生产应用,对其组织性能的研究也将更加全面、深入。
本文即在实验室采用TM CP工艺成功开发出X100的基础上,借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜对其宏观及微观组织构成、析出相、强韧化机理等进行进一步分析研究。
2 试验材料及方法试验钢种采用低C+M n+Nb Ti Mo的合金化设计[4],成分见表1。
试验钢在25kg真空感应炉内冶炼,经浇铸冷却表1 试验钢成分Table1 C hemical composition of pipeline steel X100/mass%C Si M n Nb Ti Cr Ni M o Cu S P N0.0490.20 1.950.0800.0170.210.580.290.29<0.004<0.012<0.004后将钢锭重新加热至1150 ,均热后锻成80mm 80mm 90m m的方坯。
将试验钢坯放入箱式炉中加热到1200 保温1h,在实验室二辊轧机上经再结晶区和未再结晶区两阶段控轧轧制成12m m厚钢板。
再结晶区累计变形量50%、未再结晶区累计压下量70%,开轧温度1100 、未再结晶区轧制入口温度920 、终轧温度800 、终冷温度280 ~420 ,冷速20 /s ~60 /s,轧后钢板放入保温炉保温1h后随炉冷却至室温以模拟现场卷取。
对轧后钢板做力学性能相关测试,并沿轧向取横截面,经打磨抛光后用4%硝酸酒精侵蚀进行金相组织观察,经喷碳处理后在扫描电镜下观察组织;通过双喷和萃取复形实验制样并在TEM 2100透射电镜下观察其微观结构、析出物的类型和分布。
3 试验结果及分析3.1 X100的力学性能实验钢的力学性能见表2,按照API5L 2007管线钢管规范的相关指标要求,X100抗拉强度760M Pa~ 990M Pa,屈服强度690M Pa~840M Pa,屈强比< 0.93,延伸率>15%, 20 冲击功>200J[5];从试验结果来看随控冷工艺即冷速(Vc)和终冷温度(T c)的不同,钢板的性能有很大的差异,但有部分钢板的力学性能已完全满足相关指标,并且强度有较大的富余量。
图1为各钢级管线钢应力 应变曲线,可见相对于X70、X80其强度提升较大。
由于X100组织内部高位错密度、较多的亚结构和残留硬化相,它的应力应变曲线表现为连续屈服而未出现屈服平台,外形上呈现明显的屋顶状特征[6]。
图2为X100的韧脆转变温度曲线,由曲线可知X100具有较高强度的同时仍然有较好的低温韧性,同一温度下冲击试样单个值(Sv)波动较小,与平均值(Av)差别不大,韧脆转变温度在 80 ~ 100 之间,具有优良的低温韧性指标。
图1 X70 X100的应力 应变曲线Fig.1 S tress s train cur ve of pipeline steel X70 X100图2 X100的韧脆转变温度曲线Fig.2 Du ctile brittle transition temp eratu re cur ve3.2 X100的组织及对性能影响高钢级管线钢的组织倾向于引入低温相产物,在构成上不再是单一的组织类型。
X100基体就是由粒状贝氏体(GB)、板条贝氏体(BF)、M/A岛组成的复相组织。
图3是实验室条件下采用T MCP工艺生产的387第29卷第3期曾 明,等.高钢级X100管线钢的组织与性能表2 X100的力学性能Table 2 Mechanical properties of pipeline steel X100NO.Rm/M Pa Rp0.2/M PaRp0.2/Rm A/%Akv(-20 )/J Sv Av Vc/ s -1T c/ 1#9989280.9316154136139143603202#6986130.8722300301304302204203#8387430.9021212245224227403754#8357290.871819621521020740360X100钢板的金相和扫描组织照片,用金相分析软件image plus6.0对多幅组织照片统计分析得到组织比例构成见表3。
表3 复相组织分析结果Table 3 Analysis of polyphase microstructureNO.Polyph as e microstru cture con stitu tion/%GB(g ranular bainite)BF(b ainite ferrite)M /A(m artensite austen site)1#158142#94063#623351#钢板组织以BF 为主,观察图3(a)(d)由于钢板模拟卷取过程发生自回火,板条的位向和分布在金相照片下不太明显,在扫描照片下可清晰观察到大量的BF 组织,其比例高达81%,由于冷速较大,GB 、M/A 岛量均较少。
