目录
1.引言 ......................................................................................................................................... 1 1.1 X80管线钢发展背景 ...................................................................................................... 1 1.2 X80管线钢的研究现状 .................................................................................................. 2 1.2.1 X80管线钢的发展历史 ......................................................................................... 2 1.2.2 X80管线钢的成分、组织性能 ............................................................................. 4 1.2.3 X80管线钢的焊接技术 ......................................................................................... 5 1.2.4 X80管线钢焊接热影响区组织 ............................................................................. 6 2. X80管线钢的应力腐蚀断裂 ................................................................................................ 7 2.1 管线钢应力腐蚀破裂的特点 ......................................................................................... 7 2.2 管线钢应力腐蚀破裂的机理 ......................................................................................... 9 2.2.1 硫化氢应力腐蚀开裂机理 ..................................................................................... 9 2.2.2 IGSCC 破裂机理 ................................................................................................. 12 2.2.3 TGSCC 破裂机理 ................................................................................................ 13 3. X80 管线钢焊接接头的低温断裂 ..................................................................................... 14 3.1 管线钢的低温脆断韧性 ............................................................................................... 14 3.2 低温脆断韧性研究 ....................................................................................................... 14 4.西气东输二线X80管线钢焊接失效性分析 ...................................................................... 15 4.1 X80管线钢在西气东输二线中的应用 ........................................................................ 15 4.2 X80管线钢焊接失效的原因分析 ................................................................................ 15 4.2.1 宏观观察 ............................................................................................................... 15 4.2.2 微观组织观察 ....................................................................................................... 16 4.2.3 能谱分析 ............................................................................................................... 16 4.2.4 扫描电镜分析 ....................................................................................................... 17 4.2.5 金相显微组织观察 ............................................................................................... 18 4.2.6 综合分析 ............................................................................................................... 19 5.总结 ....................................................................................................................................... 19
西安石油大学本科论文
1.引言
1.1 X80管线钢发展背景
随着全球能源结构的优化调整，石油天然气的需求增加，极大地促进了管线工程的发展，同时也推动了 X80 管线钢的开发步伐，2002 年 8 月，国家经贸委、中国石油天然气集团公司、中国钢铁协会等单位组织召开了“十五”国家重大技术装备研制和国产化会议，与会专家一致通过“大口径输气管线用 X80 板材国产化及评价”课题的可行性论证，并报国家经贸委批准，正式列入“十五”国家重大技术装备研制和国产化项目。2005 年 3 月 26 日，宝钢应用高强度高韧性 X80管线钢制成的管径为 1016mm，壁厚为 15.3mm 的螺旋缝埋弧焊钢管，在河北景县成功对接，首条 X80 输气管线应用工程正式开工建设，标志着我国长输管线向高强度、高压力、大口径方向发展。
随着我国天然气工业的发展，长输管道建设将在未来几年进入高速发展期，高钢级管线钢拥有广阔的应用前景。X80管线钢作为我国重点发展的长输管道高钢级管线钢，已经少量应用于我国管道工程建设中。随着“西气东输”天然气管道的全面投产和中俄、中哈跨国油气管道建设高潮的来临，油气田逐渐向高寒地区、海上以及高含硫等资源进展，油气管线使用的安全性成为学术界普遍关心的问题，从而对管道材料提出了更高的要求。
长输管道在服役过程中，通常遇到土壤、原油或天然气等强腐蚀介质，其中许多是在高温、高压和高流速等条件下服役，其腐蚀问题显得更为突出和严重。长输管线穿越沙漠、沼泽和盐碱等复杂地区，管线外壁长期与土壤中的腐蚀性介质相接触，内有强腐蚀的输送介质，腐蚀状况非常严重。我国的埋地管道投产 1～2 年后即发生腐蚀穿孔的情况已屡见不鲜。对于埋地管道最普遍发生的全面腐蚀，一般采用防腐蚀涂料涂装以及实施阴极电流保护的方法进行保护。但管线在长期服役过程中，防腐涂层有可能发生破损和剥落，使管线钢重新暴露于腐蚀环境中，此时管线钢在应力的作用下会产生微裂纹，并在腐蚀作用下不断扩展，当裂纹扩展到足够大时，就会导致管线的应力腐蚀破裂（Stress Crossion Craking，SCC）。应力腐蚀破裂是一种没有预兆的失效形式，所造成的损失非常巨大。
随着高寒地带油气田的开发以及管道输送压力和钢材等级的提高，管道发生脆性断裂的问题尤为突出。压力管道作为一种典型的焊接结构，由于焊接过程常使焊接接头的组织性能劣化及焊接缺陷处严重的应力集中，使焊接缺陷处成为整个焊接管道中最薄弱部位，服役过程中往往成为裂纹的源头，造成裂纹的扩展甚至失稳断裂。
X80 管线钢是控轧控冷的低碳合金钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能力，是输气管道的主导钢材。针对国产 X80 管线钢的研究还局限在制管技术及焊接性等方面的
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西安石油大学本科论文 研究。而关于国产 X80 管线钢在环境中的应力腐蚀以及低温断裂评定的研究尚处于空白，加强对国产 X80管线钢管道安全可靠方面的研究，增加高压、高强管线钢的技术储备显得尤为重要。
1.2 X80管线钢的研究现状
1.2.1 X80管线钢的发展历史
管线运输是长距离输送石油、天然气最经济、合理的运输方式，为了提高输送效益、降低能耗、减少投资，国际管线输送技术正朝着长距离、大口径、高压力方向发展，高压输送要求使用强度更高、韧性更好的管线钢，高钢级管线钢可以减少钢材消耗，降低材料费用，因此高压输送管道采用高钢级管材呈强劲的发展趋势，工业发达国家普遍将 X80 管线钢列为 2l 世纪天然气输送管线的首选钢级。据 EuroPiPe 公司介绍，钢管费用占管道建设总投资的 l/3 左右，在同样的输量下，提高钢管强度就能降低壁厚，节约成本，1 条 250km 的输气管线，当输气量不变时，由 X80 管线钢代替 X70 管线钢，由于壁厚减薄可节省钢材 2 万 t，降低成本 7％。
X80 管线钢主要是通过细晶强化、析出强化、位错强化、亚晶强化以及置换强化提高钢的强度，虽然管线钢级的发展，提高强度是主要目的，但相应地也需要提高钢的韧性、焊接性、较低的韧脆转变温度和保证一定的耐腐蚀性等。
输送油气的大口径钢管，19 世纪末首先在美国发展起来，1891 年美国建成第一条天然气长输管线（约 200km），1925 年建成第一条焊接钢管天然气管线。1928 年美国石油学会（American Petroleum Institution）制定了 API SPEC 5L 焊管标准，以后每年 API SPEC 5L 标准经过一次修订，至今已形成钢级从 X42、X60、X65、X70、X80 等比较完善的焊管标准体系。
随着管道输送压力的不断提高，输送钢管也相应地迅速向高钢级发展，20世纪 60~70 年代一般采用 X52、X60、X65钢级，近年来国际上长输管道普遍采用 X70 管线钢，据统计其使用量占到供货总量的 90%左右。1985 年德国Mannesmann 钢铁公司研制成功了 X80 管线钢，并铺设了 3.2 公里的试验管道，标志着高钢级管材应用的新开端，为了大幅度提高强度来降低管线钢管的运营成本，世界上许多大型企业都在进行更高强度级别的管线钢的研制，ExxonMobil公司和新日铁已经成功地完成了 X120 的开发，大大加快了管线钢高强度化的进程国外 X80管线钢的开发、生产应用已经渐趋成熟，在管线设计、炼钢轧钢、制管成型、焊接工艺、检测评定、防腐保护、运营维护、工艺优化等方面积累了丰富的经验。当前，X80管线钢的工业应用将逐步开始，德国、加拿大、日本、英国等国家均具备 X80 管线钢管规模生产的能力，并已经运用到多条管线中。目前全球已建成的 X80输气管道见表 1-1。
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表 1-1 国外已建成的X80 输气管道
Table 1-1 X80 gas pipeline of the whole world has been founded
我国管道工业的发展经历了三个高潮期。1958年开始建设长距离原油输送管道，1965年开始建设长距离天然气输送管道，在20世纪60年代中期至70年代初形成了第一个发展高潮，在此期间建成的主要管道有四川天然气管网和东北输油管道等。20世纪90年代逐渐形成第二个发展高潮，在此期间建成的主要有鄯乌输气管道、库鄯输油管道和陕京输气管道。随着我国对石油、天然气能源需求的急剧增加，又迎来了一个前所未有的管线建设高潮。近期竣工的主要有涩宁兰输气管道、兰成渝成品油管道和西气东输管道；正在建设的有忠武输气管道、陕京二线输气管道、沿江原油管道(南京至荆门、岳阳)及环珠江三角洲输气管道等；正在规划的有中哈管道以及中俄管道等。
在我国管道建设的不同阶段，管线钢的发展变化非常迅速。20世纪50～70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢；70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢(相当于X52级钢)；90年代，塔里木三条油气管道、鄯乌输气管道、库鄯输油管道和陕京输气管道采用的X52、X60、X65级热轧板卷主要由宝钢和武钢生产供应。“八五”期间，通过冶金部门和石油部门的联合攻关，成功研制和开发了X52～X70级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了X70级管线钢，其中螺旋缝埋弧焊管全面实现了国产化，前期的直缝埋弧焊管仍依赖进口，后期的采用了巨龙钢管公司生产的JCOE焊管。对于X80高钢级管材的研究和应用，石油部门与冶金部门联合开展了10余项国家基础攻关、应用基础研究和技术开发项目，其中包括国家“973”项目“高强度管线钢的重大工艺基础研究”，中油集团技术开发项目“X80管线钢管的开发与应用”、“X80管线钢的焊接及高韧性焊材选择”等等。宝钢、武钢、鞍钢等都相继成功开发了X80级热轧板卷和宽厚钢板，宝鸡、华油、巨龙等公司相继成功开发了X80级螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管。
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西安石油大学本科论文 1.2.2 X80管线钢的成分、组织性能
提高钢强度既简便又经济的方法是增加碳含量，但是碳含量的增加会使其他性能如成型性、焊接性、塑韧性等性能降低。管线钢的发展是碳含量持续降低，强度水平连续升高的发展历史，自上世纪 60 年代开始，随着油气管道输送压力和管径的增加，开始使用低合金高强钢（HSLA）并成为此时钢种的主流，这类钢主要以热轧及正火状态供货，其主要化学成分为：C≤0.20%，合金元素≤3～5%。随着管线钢的进一步发展，美国石油组织在 API 5LS 标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65 三种钢，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≤0.20%Nb、V、Ti 等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。1973 年和 1985 年 API 标准又相继增加了 X70 和 X80 管线钢，而后又开发了 X100 管线钢，碳含量降到 0.01%-0.04%，真正出现了现代意义上的多元微合金控轧控冷钢。微合金化技术使钢不但获得了高强度而且保持了高水平的综合性能。
X80 管线钢采用了超低碳含量、高锰、超低硫、Nb-V-Ti 复合微合金化、控制组织的 Mo的低合金化成分设计。在制造工艺上综合了超低碳、超低硫、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术和控轧控冷的热处理热轧工艺。通过成分和工艺的最佳配合，获得具有高强度、高韧性的针状铁素体组织。
Mn 能够推迟铁素体-珠光体转变，降低 Bs 点，有利于形成细晶粒的针状铁素体，同时起固溶强化作用，但锰的含量不宜超过 2.0%，因锰易在钢中形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀性。
微合金化元素 Nb，V 和 Ti 都起到提高强度和韧性的作用，三个元素均是通过细化晶粒和沉淀强化提高强度，但每种机理强化程度不同。Nb 具有最强的细晶强化效果，而 V 具有最强的沉淀强化效果，Ti 介于上述两者之间。晶粒细化是唯一能够同时提高强度和韧性的强化机理。Nb 是能够同时提高强度和韧性的元素，Nb的晶粒细化引起的强烈效果与其在轧制时通过固溶，特别是碳氮化 Nb析出延迟奥氏体再结晶有关系；Nb 阻止在轧制最后阶段奥氏体的再结晶，促进了扁平晶粒的变形，从而形成非常细的铁素体晶粒。
Nb 的另一个重要影响是在中低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成，降低转变温度是由于在轧制过程中仍有一部分 Nb留在固溶体中而没有发生沉淀反应。这一效果在同时加入 Nb 和 Mo 或同时加入 Nb 和 B 时由于协同作用而加强，X80 管线钢是一个应用实例，铁素体-低珠光体组织在得到韧性要求的同时却达不到强度级别。 在厚板中加入少量的钼（0.15%），钼使铁素体析出线明显右移，但并不明确推移贝氏体转变，所以在较宽的冷却范围内过冷奥氏体直接发生贝氏体转变，而没有或很少先共析铁素体析出，从而保证厚板的心部也能在较低的冷速下获得贝氏体组织，提高钢的强度。
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