X100管线钢的分析报告 2

1、对X100管线钢的材料分析报告X100级管线钢的现实意义近年来，随着我国对石油、天然气等能源的需求进一步增大并且伴随最近铁矿石价格 的飞涨，导致管钢成本的提高.为了减少输送成本，同时又不损失石油天然气的输送量，开 发X100等级的高钢级管线钢成为一种必然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%（据加拿大的统计分析表明，管线钢每提高一个 钢级可减少建设成本7%）,主要体现在节约材料、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，为节省管线工程的建设投资、降低运输费用，采用高强度等级的 管线钢更加经济合理.随着国内一系列管道建设工程的展开，X1

2、00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。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.X100级管线钢的发展及现状从近些年的发展历史来看，较早时候日本、德国的管线钢制造商与一些石油公司合作，进 行高强度等级的X100和X120管线钢的开发试制.在20世纪80年代中期，X100级管线钢 已完成了试验，但那时尚无实际应用的需求；1995年，几家石油和天然气公司开始设计 X100级管线钢材料.欧洲自1995年开始进行X100钢管的开发试制，采用T MCP工艺，到 2002年已生产了数百

3、吨壁厚12. 7 25. 4 mm的X100管线钢.2002年T CPL在加拿大建 成了一条管径1 219 mm、壁厚14. 3 mm、X100钢级的1 km试验段.但是从材料设计的角度 来讲，X100的研究尚不成熟，组织与性能的关系有待于进一步分析，以便为国内的X100 的开发和设计奠定良好基础.从其管线钢的材料及级别来看，其发展可分为三个阶段：第一阶段为20世纪50年代 年以前，是以C-Mn钢为主的普通碳钢，强度级别为X52以下。第二阶段为20世纪50年代 到70年代，在C-Mn钢基础上引入微量钒和铌，通过相应的热轧及轧后处理等工艺，提高了 钢材的综合性能，生产出X60、X65级钢板。特别

4、是20世纪60年代后期，日本等国开展了 控制轧制研究，对热轧中厚钢板、带钢热变形过程中工艺参数与组织状态、力学性能关系等 方面进行了系统研究。第三阶段为20世纪70年代年至今，用V、Ti、Nb、Mo、B等元素微 合金化，并采用了控制轧制与控制冷却相结合等新技术，相继开发出X70、X80、X100等综 性能优异的高强度级别管线钢。目前，管线钢正朝着厚壁、大直径和高强度方向发展。当前石油管道用钢的主流级别已成为X80,围绕该钢种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

5、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。目前全世界长输管道总长度已经超过了200万公里，而我国也已铺设了2万多公里的油 气管道，预计在未来十年内我国还将建设长输管线总长度达到10 20万公里的油气管道。 随着管道铺设长度的增加和输送压力的提高，对管道的钢级要求越来越高，目前我国已经 具了生产X52、X60、X65、X70、X80管线钢的能力，继西气东输一线、二线工程后，为实现 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，并已经成功试制 出X100管线钢，但国内研制的X100管线

6、钢的冲击性能仍存在一定的问题，因此目前为止我国X100级管线钢尚处于研发试制阶段，快速发展X10 0管线钢是中国管道事业面临的重要。性能要求要求具有高强度、高的低温止裂韧性以及良好的焊接性，对特殊地区的管线钢还要求具有 抗H步腐蚀及抗大应变的能力X100级管线钢的微观组织与力学性能研究设备技术:利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜扫描及先进的EBSD技术试验材料：国产及进口 X100管线钢主要成分：C Si Mn Nb Mo Cu Cr Ni Fe研究对象：X100管线钢的力学性能、显微组织、晶粒取向及析出物（具体研究组织内针状 铁素体、粒状贝氏体和M/A岛组成）工艺：控轧控冷工艺（TMCP）或

7、高温轧制工艺（HTP）性能主要参数：试验钢的平均屈服强度为7 0 0 MPa,抗拉强度为7 9 0 MPa,屈强比 为0. 8 8,伸长率为2 0%,20C时的平均夏比冲击功为2 2 4 J几种典型实验：实验一选材和试验过程：本研究所选用材料为进口X100钢管.金相样品直接试验钢板上切取， 金相组织观察在MEF4M金相显微镜及图像分析系统上进行，观察面为平轧向的样品正面， 经粗磨、细磨、抛光和3 %硝酸酒精腐蚀而成.从试验钢板端部垂直于轧方向切取冲击样坯, 经机床加工成10 mm x 10 mm x 55 mm的夏氏V型缺口冲击试样.10、- 20、-40、-60、 -80C 6种温度条件下，

8、分别按照GB2975- 82、GB/ T229294标准规定，在B2300B机械式 半自动冲击试验机上进行冲击试验.拉伸试样均采用12. 5 mm试样，并按AST M A370- 2002标准规定，在MT S810- 15自动拉伸试验机上进行.然后利用先进的EBSD技术对X100 超强管线钢的相参量、有效晶粒尺寸及其分布进行了研究结果分析：（1） X100管线钢全部为粒状贝氏体组织;（2） X100管线钢的透射组织分析 表明，状贝氏体含量很高，主要存在于铁素体边界；铁三碳存在于铁素体板条；以针状铁 素体为主，也存在少量条状铁素体；同时位错密度很高；（3） EBSD研究表明，铁三碳呈均 匀弥散分

9、布，残余奥氏体含量较大.有效晶粒细化现象突出，预示该品牌X100管线钢拥有 较理想的强韧性特征.实验二：选材和试验过程：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种实验钢板的主要化学成分见表，根据ASTMA370-2002和ASTMA370-20

10、05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-60C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300mmX75mmX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。试样经打磨抛光后，用2%硝酸酒精溶液侵蚀后进行金 相和扫描电镜的微观组织观察。将透射电镜样品减薄至50“m以下，采用5%高氯酸无水乙 醇溶液为电解液，在-

11、20C、50V下电解双喷减薄至穿孔，在JEM-200CX透射电镜下观察， 工作电压为175 kV。结果分析：（1）严格控制钢中S、P含量，有利于提高管材的韧性和塑性及断后伸长率，并 且S、P量的降低能够显著提高管材的低温韧性。（2）采用控轧控冷工艺可获得微观组织为 粒状贝氏体+状铁素体+M/A岛组织的X100级高强度级别的管线钢。但在保证微观组织的晶 粒度满足标准要的前提下，在奥氏体再结晶温度区轧制时，通过反复再结晶使原奥氏体晶粒 尽可能细化，同降终冷温度，保证针状铁素体和粒状贝氏体组织晶粒细小，分布均匀。（3） X100-2管线钢管体的韧性值较高，且低温区间冲击韧度下降幅度较缓慢，表现了良好

12、的抗 起裂性能。在减小粒状氏体和针状铁素体晶粒尺寸的同时，降低层片状M/A岛组织在晶间的 聚集分布，以进一步提高体的塑性变形能力，改善其低温韧性.实验三选材和实验过程：试验用X100管线钢板厚度为14.3mm，化学成分见表1,力学性能见表2，其基本金相组织针状铁素体.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 余量屈服强度R eL /M Pa抗拉强度日“ /M Pa表2断后伸长率A （% ）屈强比R e,L /Rm

13、冲击吸收功Akv/ J73080520. 50. 91191采用热模拟试验获取X100管线钢在不同焊接热输入条件下粗晶热影响区（coarse grainhea-t affectzone, CGHAZ）的组织结构.热模拟试验在G leeble1500型热模拟机上行 热模拟参数如表3所示.表3热输入加热速度峰值温度冷却时间高温停留时间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其中热循环的几种t8/ 5覆盖了石油、天然气输送钢管在制管焊接和野外施工焊接过程中所 采用的不同焊接热输入下的冷却参数.热模拟试样分别采用10mm65mm和10. 5mm10.5mm55 mm的初始试样，试样于板厚中部（沿板厚方向两面对称加工）横向截取.热模拟试验后再将试样加工5mm25mm的标准比例拉伸试样和10mm x 10 mm x 55 mm的标准Charpy冲击试样，沿板厚方向开制V形缺口.拉伸试验在MTS880型万能试验机上进行；冲击试验在JBC -300电子

15、测力冲击试验机上进行.光学金相试样经机械抛光后以3%硝酸酒 精溶液进行腐蚀，在RECHART MEF3A光学显微镜下观察.TEM试样经机械减薄至50m后，在双喷电解装置上以10%高氯酸+90%醋酸溶液进行双喷，在J EM 200CX透射电子显微镜上观察.SEM试验在TESLA BS300型扫描电子显微镜上进行.结果分析：（1）随着焊接热输入的增加，X100管线钢的强韧性降低.当焊接热输入在10 20 kJ/cm范围内,X100管线钢的焊接粗晶热影响区有较好的强韧特性，可作为X100管线钢 推荐的热输入.（2）在10 kJ/cm左右的较低热输入下，X100管线钢焊接粗晶热影响区的显 微组织为BF

16、+ GB.这种组织赋予材料以最佳的强韧性水平.（3）在20 kJ/cm左右的中等焊接 热输入下,X100管线钢焊接粗晶热影响区的显微组织以GB+QF为主，材料有较好的强韧配 合.（4）当热输入为50 kJ/cm时，一方面晶粒粗化比较明显，另一方面粗晶区中的BF和GB 被QF和PF替代，致使材料的强韧性降低.实验四：选材和实验过程：试验用WS01焊丝采用电炉冶炼，直径为4. 0mm。焊丝主要化学成分如表1所示；焊剂为 CHF105,焊前经350烘干1小时。焊接试板选用与本焊丝强度相当的材料，焊接试验按照GB/T 12470 2003埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂标准进行。试板的尺寸为500mm x 150mm x 25mm .熔敷金属的化学成分见表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焊丝熔敷金属屈服强度ReL达到700MPa，抗拉强度Rm达到750 MPa, -20 冲击功AKV 最小值为94J,平均值达到98J;熔敷金属焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体结果分析：（1）采用WS01焊丝匹配CHF105焊剂，熔敷金属-20 下的平均冲