淺析X80管線鋼性能特征及技術(shù)挑戰(zhàn)

張 純

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

近年來，隨著改革開放的逐步深入，我國經(jīng)濟(jì)獲得了飛速的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中需要用到更多高性能的鋼材料。尤其是在油氣運(yùn)輸中，管道是最為安全、可靠的運(yùn)輸方式之一。為了進(jìn)一步滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，就要不斷提升油氣運(yùn)輸?shù)哪芰?，因此，能夠適應(yīng)油氣管道性能要求的高強(qiáng)度管線鋼得到了更加深入的研究和應(yīng)用。其中，X80管線鋼是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的高強(qiáng)度鋼材料之一，其主要是通過合金化工藝生產(chǎn)得來，通過近些年的研究發(fā)現(xiàn)，在材料中添加少量合金元素后，可以進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)度與韌性，從而可以充分滿足管道運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

1 X80管線鋼的性能特征

提高鋼材料的強(qiáng)度，不僅能夠提高管道的操作壓力進(jìn)而擴(kuò)大運(yùn)輸量，還能降低管道厚度，有效控制生產(chǎn)成本，這必然推動了高強(qiáng)管線鋼的持續(xù)研發(fā)與生產(chǎn)。下面對X80管線鋼的性能特征展開論述。

1.1 冶金技術(shù)

（1）合金化處理。實(shí)踐表明，X80管線鋼有著高度細(xì)化晶粒、高清潔度的特征，組成成分中的硫含量比較低，氧化物等有害物質(zhì)含量也比較少，包含極少量的碳以及鈮、釩等元素。經(jīng)過合金化處理，可以利用固溶、沉積硬化等作用有效的增強(qiáng)金屬性能，同時其中的合金成分會根據(jù)不同的產(chǎn)品而隨之發(fā)生變化，以滿足特定生產(chǎn)情況下對不同性能的要求。

（2）加工工藝。目前，對其的研究主要是集中在以下兩個方面：一是，顯微結(jié)構(gòu)控制；二是，不同形態(tài)沉積相的析出等，最終目的是進(jìn)一步增強(qiáng)材料的強(qiáng)度與韌性等。

上世紀(jì)中期，熱機(jī)處理技術(shù)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，并逐漸應(yīng)用在高強(qiáng)鋼的加工方面。實(shí)踐證明，該技術(shù)不僅在成本方面較低，有著極高的經(jīng)濟(jì)價值，還能夠?qū)崿F(xiàn)較為精準(zhǔn)的組織控制，進(jìn)而改善材料的延展性能。此外，加速冷卻的使用，可以提高材料的韌性以及強(qiáng)度等，從而充分滿足在生產(chǎn)設(shè)計方面的特定要求。到了上世紀(jì)末段，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與完善，熱機(jī)處理技術(shù)得到了更深層次的優(yōu)化、升級，可以通過沉積硬化，減少可擴(kuò)散的游離碳含量，從而有效地平衡了高強(qiáng)度與高韌性?？傊?，在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過對熱機(jī)處理技術(shù)的靈活運(yùn)用，既可以通過相變等獲得高強(qiáng)度，也可以通過微觀結(jié)構(gòu)的控制獲得高韌性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了兩種性能的有機(jī)結(jié)合。

1.2 冶金特征

一般來說，金屬的微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了其最終的性能，對于X80管線鋼來說，不同的組成成分以及不同的生產(chǎn)工藝會產(chǎn)生多種不同的微觀組合。下面我們就其中三種主要的微觀結(jié)構(gòu)及其特征展開論述：

（1）貝氏體單相。該結(jié)構(gòu)是在溫度高于一定閾值時，迅速降溫冷卻而得到的。這一結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，需要對其組成成分進(jìn)行極為精確的控制。在軋制、冷卻階段，通過生成低角度晶界的微觀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)同時提高材料強(qiáng)度與韌性的目的。近年來的實(shí)踐表明，該結(jié)構(gòu)可確保在低至零下40度條件下具有較為理想的性能。

（2）貝氏體-鐵素體雙相。該結(jié)構(gòu)也是在溫度低于某一閾值時，迅速降溫冷卻而得到。一般情況下，對其性能造成影響的因素有：鐵素體、貝氏體的形態(tài)、尺寸，以及具體的分布情況等。其中，鐵素體主要是用來減輕晶界的脆性，進(jìn)而避免裂紋的進(jìn)一步外擴(kuò)。而且，還可以為材料提供高應(yīng)變所需的變形特性。相比于其他鋼材料，該種結(jié)構(gòu)還有著基于應(yīng)變需要的特征，比如，延展性受粒度、分布控制，沒有可見的屈服點(diǎn)，應(yīng)變硬化行為突出。

（3）下貝氏體-板條馬氏體。在溫度高于某一閾值時，迅速降溫冷卻，并在中溫時保持直至降到室溫而獲得，一般具有高度變形以及細(xì)化的特征，可以獲得較高的強(qiáng)度與韌性。此外，若是以下貝氏體為主，則具有較為理想的沖擊韌性，同時，通過二次強(qiáng)化作用，可以獲得更高的韌性。

1.3 焊接工藝

目前，主要應(yīng)用的是以下兩種工藝：①熔化極氣體保護(hù)下向自動焊根焊、填充及蓋面，該工藝在實(shí)踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)出了較高的效率，且勞動強(qiáng)度較低、操作穩(wěn)定性強(qiáng)，更多的使用在流水作業(yè)過程中。②纖維素型焊條下向電弧焊根焊、填充蓋面，該工藝的應(yīng)用也是非常廣泛的，表現(xiàn)出了操作方便、成型好、效率高等特征，不足之處在于環(huán)焊縫沖擊韌性離散型較大，在特定條件下的作業(yè)難度隨之增加。

在具體的焊接操作中，對焊接質(zhì)量構(gòu)成影響的因素主要有：①焊接熱輸入。其主要是對焊縫冷卻速率以及性能構(gòu)成一定程度的影響。在其他相關(guān)因素不變的情況下，沖擊韌性是隨著線能量的上升而降低的，且大線能量下，有著較為明顯的分散性，熱輸入速率的進(jìn)一步增大會擴(kuò)大焊縫的尺寸。②二次加熱作用。其主要是對材料的強(qiáng)度和韌性造成影響，使得焊接熱影響區(qū)發(fā)生某種程度的脆化。在進(jìn)行單道焊時，熱影響區(qū)晶粒較母材更粗大，在韌性方面有所下降，在相應(yīng)的作用下會使得晶粒隨之變大。③預(yù)熱溫度。其主要是對最終的焊接質(zhì)量造成影響。有研究者對此展開研究，結(jié)果表明：在預(yù)熱溫度上升時，臨界斷裂應(yīng)力有著一定程度的提升，抗開裂敏感性能力隨之變強(qiáng)；當(dāng)其達(dá)到150℃時，冷裂紋敏感性變小，斷口形貌表現(xiàn)為韌窩狀；在冷卻速率增大時，顯微硬度有著一定程度的提升，而斷裂韌性則是從高到低，接著再從低到高，當(dāng)冷卻速率達(dá)到某一特定值時，可獲得較為理想的斷裂韌性；如果接著提升冷卻速率，斷裂韌性會迅速的下降。

2 X80管線鋼的技術(shù)挑戰(zhàn)

目前來說，X80管線鋼的失效類型主要有腐蝕、氫致開裂、應(yīng)變失效、焊縫區(qū)失效等，下面我們對此一一展開研究，進(jìn)而探討發(fā)展X80管線鋼的技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）腐蝕。一般來說，腐蝕是造成材料損傷的重要因素，對于油氣管道來說更是如此。近年來的研究表明，在除氧條件下，X80管線鋼處在活性溶解狀態(tài)。陽極極化，會造成產(chǎn)物膜的破壞，使得腐蝕作用不斷加劇。陰極極化，在相應(yīng)反應(yīng)過程中形成的氫原子會進(jìn)入到材料的內(nèi)部。而隨著氫原子的不斷積累，材料的電化學(xué)活性必然隨之提高。在特定作用下，材料的腐蝕會進(jìn)一步加劇，可以說，氫、壓力的共同作用，會在一定程度上加劇材料的腐蝕，降低其總體性能。

（2）氫致開裂。研究表明，在鋼強(qiáng)度級別增加時，氫致開裂的敏感性是隨之上升的。這是管線鋼在實(shí)際應(yīng)用中必須優(yōu)先解決的一個問題。在生產(chǎn)實(shí)踐中，氫的形成是非常容易的，既可以由無處不在的腐蝕作用形成，也可以由焊接操作形成，此外，當(dāng)管線工作的環(huán)境具有一定數(shù)量的硫酸鹽還原菌時，也將形成大量的氫，并逐漸積累，最終對鋼材的正常運(yùn)行構(gòu)成影響。

（3）應(yīng)變失效。鋼材在生產(chǎn)、加工以及應(yīng)用過程中，會面臨著應(yīng)變失效的問題。近年來的研究指出：該作用會使得鋼材料發(fā)生脆化，隨著失效溫度的上升，材料的強(qiáng)度、硬度隨之增大，而塑性則是隨之降低。有研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變失效出現(xiàn)后，腐蝕活性會變大，特別是開裂敏感性增加，斷口表現(xiàn)出較為明顯的脆斷特征。因此，這一作用不僅會造成鋼材料韌性的下降，還會影響到材料的抗腐蝕性能。

（4）焊縫區(qū)失效。在實(shí)踐中不難發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)有著大量的雜質(zhì)、微裂紋等，在這里可以很容易的積累大量的氫。一般可分為強(qiáng)氫陷阱與弱氫陷阱。目前的研究表明，前者的穩(wěn)定性比較好，而后者在受熱條件下，存在氫釋放的現(xiàn)象。

有學(xué)者對此進(jìn)行了較為深入的研究，在進(jìn)行多層多道焊時，前一焊道會受到后續(xù)的熱循環(huán)影響，其中的氫會產(chǎn)生熱釋放，且弱氫陷阱中的氫，是在熱循環(huán)升溫段就基本完成了釋放，而強(qiáng)氫陷阱，則是在整個操作過程中只有很少的氫被釋放，加熱速度的提高會使得氫釋放率有所降低，且冷卻段釋放的氫會在很大程度上增加氫致開裂的風(fēng)險。

3 結(jié)語

總的來說，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對各類高性能鋼材料的需求不斷增加，其中，X80管線鋼是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的高強(qiáng)度管線鋼之一，通過合金化、熱機(jī)處理后，能夠獲得較好的強(qiáng)度、韌性，進(jìn)而能夠充分的滿足大管徑、高壓力環(huán)境下的生產(chǎn)要求。因此，本文對X80管線鋼的性能特征及技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了研究，希望為我國鋼材料技術(shù)的未來發(fā)展提供一定借鑒。研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕、氫致開裂、應(yīng)變失效、焊縫區(qū)失效等是造成鋼材料失效的重要因素，在未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，并提出針對性的解決辦法，以在總體上提高鋼材料的性能，從而為我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供重要保障。