浅析X80管线钢性能特征及技术挑战

张 纯

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

近年来，随着改革开放的逐步深入，我国经济获得了飞速的发展，工业生产过程中需要用到更多高性能的钢材料。尤其是在油气运输中，管道是最为安全、可靠的运输方式之一。为了进一步满足工业生产的需要，就要不断提升油气运输的能力，因此，能够适应油气管道性能要求的高强度管线钢得到了更加深入的研究和应用。其中，X80管线钢是当前应用最为广泛的高强度钢材料之一，其主要是通过合金化工艺生产得来，通过近些年的研究发现，在材料中添加少量合金元素后，可以进一步提高钢材的强度与韧性，从而可以充分满足管道运输的需要。

1 X80管线钢的性能特征

提高钢材料的强度，不仅能够提高管道的操作压力进而扩大运输量，还能降低管道厚度，有效控制生产成本，这必然推动了高强管线钢的持续研发与生产。下面对X80管线钢的性能特征展开论述。

1.1 冶金技术

（1）合金化处理。实践表明，X80管线钢有着高度细化晶粒、高清洁度的特征，组成成分中的硫含量比较低，氧化物等有害物质含量也比较少，包含极少量的碳以及铌、钒等元素。经过合金化处理，可以利用固溶、沉积硬化等作用有效的增强金属性能，同时其中的合金成分会根据不同的产品而随之发生变化，以满足特定生产情况下对不同性能的要求。

（2）加工工艺。目前，对其的研究主要是集中在以下两个方面：一是，显微结构控制；二是，不同形态沉积相的析出等，最终目的是进一步增强材料的强度与韧性等。

上世纪中期，热机处理技术得到了快速的发展和应用，并逐渐应用在高强钢的加工方面。实践证明，该技术不仅在成本方面较低，有着极高的经济价值，还能够实现较为精准的组织控制，进而改善材料的延展性能。此外，加速冷却的使用，可以提高材料的韧性以及强度等，从而充分满足在生产设计方面的特定要求。到了上世纪末段，随着相关技术的发展与完善，热机处理技术得到了更深层次的优化、升级，可以通过沉积硬化，减少可扩散的游离碳含量，从而有效地平衡了高强度与高韧性。总之，在生产实践中，通过对热机处理技术的灵活运用，既可以通过相变等获得高强度，也可以通过微观结构的控制获得高韧性，进而实现了两种性能的有机结合。

1.2 冶金特征

一般来说，金属的微观结构在很大程度上决定了其最终的性能，对于X80管线钢来说，不同的组成成分以及不同的生产工艺会产生多种不同的微观组合。下面我们就其中三种主要的微观结构及其特征展开论述：

（1）贝氏体单相。该结构是在温度高于一定阈值时，迅速降温冷却而得到的。这一结构的实现，需要对其组成成分进行极为精确的控制。在轧制、冷却阶段，通过生成低角度晶界的微观结构，可以实现同时提高材料强度与韧性的目的。近年来的实践表明，该结构可确保在低至零下40度条件下具有较为理想的性能。

（2）贝氏体-铁素体双相。该结构也是在温度低于某一阈值时，迅速降温冷却而得到。一般情况下，对其性能造成影响的因素有：铁素体、贝氏体的形态、尺寸，以及具体的分布情况等。其中，铁素体主要是用来减轻晶界的脆性，进而避免裂纹的进一步外扩。而且，还可以为材料提供高应变所需的变形特性。相比于其他钢材料，该种结构还有着基于应变需要的特征，比如，延展性受粒度、分布控制，没有可见的屈服点，应变硬化行为突出。

（3）下贝氏体-板条马氏体。在温度高于某一阈值时，迅速降温冷却，并在中温时保持直至降到室温而获得，一般具有高度变形以及细化的特征，可以获得较高的强度与韧性。此外，若是以下贝氏体为主，则具有较为理想的冲击韧性，同时，通过二次强化作用，可以获得更高的韧性。

1.3 焊接工艺

目前，主要应用的是以下两种工艺：①熔化极气体保护下向自动焊根焊、填充及盖面，该工艺在实践中得到了较为广泛的应用，表现出了较高的效率，且劳动强度较低、操作稳定性强，更多的使用在流水作业过程中。②纤维素型焊条下向电弧焊根焊、填充盖面，该工艺的应用也是非常广泛的，表现出了操作方便、成型好、效率高等特征，不足之处在于环焊缝冲击韧性离散型较大，在特定条件下的作业难度随之增加。

在具体的焊接操作中，对焊接质量构成影响的因素主要有：①焊接热输入。其主要是对焊缝冷却速率以及性能构成一定程度的影响。在其他相关因素不变的情况下，冲击韧性是随着线能量的上升而降低的，且大线能量下，有着较为明显的分散性，热输入速率的进一步增大会扩大焊缝的尺寸。②二次加热作用。其主要是对材料的强度和韧性造成影响，使得焊接热影响区发生某种程度的脆化。在进行单道焊时，热影响区晶粒较母材更粗大，在韧性方面有所下降，在相应的作用下会使得晶粒随之变大。③预热温度。其主要是对最终的焊接质量造成影响。有研究者对此展开研究，结果表明：在预热温度上升时，临界断裂应力有着一定程度的提升，抗开裂敏感性能力随之变强；当其达到150℃时，冷裂纹敏感性变小，断口形貌表现为韧窝状；在冷却速率增大时，显微硬度有着一定程度的提升，而断裂韧性则是从高到低，接着再从低到高，当冷却速率达到某一特定值时，可获得较为理想的断裂韧性；如果接着提升冷却速率，断裂韧性会迅速的下降。

2 X80管线钢的技术挑战

目前来说，X80管线钢的失效类型主要有腐蚀、氢致开裂、应变失效、焊缝区失效等，下面我们对此一一展开研究，进而探讨发展X80管线钢的技术挑战。

（1）腐蚀。一般来说，腐蚀是造成材料损伤的重要因素，对于油气管道来说更是如此。近年来的研究表明，在除氧条件下，X80管线钢处在活性溶解状态。阳极极化，会造成产物膜的破坏，使得腐蚀作用不断加剧。阴极极化，在相应反应过程中形成的氢原子会进入到材料的内部。而随着氢原子的不断积累，材料的电化学活性必然随之提高。在特定作用下，材料的腐蚀会进一步加剧，可以说，氢、压力的共同作用，会在一定程度上加剧材料的腐蚀，降低其总体性能。

（2）氢致开裂。研究表明，在钢强度级别增加时，氢致开裂的敏感性是随之上升的。这是管线钢在实际应用中必须优先解决的一个问题。在生产实践中，氢的形成是非常容易的，既可以由无处不在的腐蚀作用形成，也可以由焊接操作形成，此外，当管线工作的环境具有一定数量的硫酸盐还原菌时，也将形成大量的氢，并逐渐积累，最终对钢材的正常运行构成影响。

（3）应变失效。钢材在生产、加工以及应用过程中，会面临着应变失效的问题。近年来的研究指出：该作用会使得钢材料发生脆化，随着失效温度的上升，材料的强度、硬度随之增大，而塑性则是随之降低。有研究发现，在应变失效出现后，腐蚀活性会变大，特别是开裂敏感性增加，断口表现出较为明显的脆断特征。因此，这一作用不仅会造成钢材料韧性的下降，还会影响到材料的抗腐蚀性能。

（4）焊缝区失效。在实践中不难发现，焊缝区有着大量的杂质、微裂纹等，在这里可以很容易的积累大量的氢。一般可分为强氢陷阱与弱氢陷阱。目前的研究表明，前者的稳定性比较好，而后者在受热条件下，存在氢释放的现象。

有学者对此进行了较为深入的研究，在进行多层多道焊时，前一焊道会受到后续的热循环影响，其中的氢会产生热释放，且弱氢陷阱中的氢，是在热循环升温段就基本完成了释放，而强氢陷阱，则是在整个操作过程中只有很少的氢被释放，加热速度的提高会使得氢释放率有所降低，且冷却段释放的氢会在很大程度上增加氢致开裂的风险。

3 结语

总的来说，随着经济社会的发展，对各类高性能钢材料的需求不断增加，其中，X80管线钢是当前应用最为广泛的高强度管线钢之一，通过合金化、热机处理后，能够获得较好的强度、韧性，进而能够充分的满足大管径、高压力环境下的生产要求。因此，本文对X80管线钢的性能特征及技术挑战进行了研究，希望为我国钢材料技术的未来发展提供一定借鉴。研究发现，腐蚀、氢致开裂、应变失效、焊缝区失效等是造成钢材料失效的重要因素，在未来需要进一步加强相关领域的研究，并提出针对性的解决办法，以在总体上提高钢材料的性能，从而为我国经济的持续稳定发展提供重要保障。