摘要：原油和天然气是当今社会最主要的能源之一，天然气作为清洁能源的代表需求依然十分强劲管道输送是长距离输送石油、天然气最安全、经济、高效的运输方式。天然气传输流量的逐渐增加，天然气长输管道的单管输量的指标也逐渐严格。目前，X80管线钢是长距离大输气量管线的主要管材，但是，X90管线钢的相关研究却很少，其产品应用需要管材兼具超高强度、优良的塑韧性及焊接性能，热机械轧制（TMCP）和焊接工艺开发难度较大。
关键词：石油管线；焊接；工艺
1引言
提高天然气管道输量的途径有两种：一是增大输送压力，二是增大管径。以我国为例，新一轮干线天然气管线—西气东输四线、五线、六线正在进行规划研究，将西气东输二线的单管输送能力由300亿m3/a提升至450~500亿m3/a，采用的管线钢必须要具有更高工作压力、更厚规格、更大管径、更高钢级的特点。输送压力12 MPa、X90钢级、外径1422 mm、厚度16.0~27.4 mm是我国新一轮干线天然气输送最佳选择方案之一。
2 X90 管线钢性能要求
提高钢级、减小壁厚能效节省管线生产、运输、铺设等投资金额，管线钢每提高一个级别可降低建设成本7%。建设高压力、大流量管线无疑对管道用钢管的可靠性提出了更苛刻要求。要求其不但具有高强度、高韧性以及良好的焊接性和加工性能，而且对特殊地区服役的管线钢还要求具有良好的抗大变形和抗H2S腐蚀能力。
2.1高强度、高韧性
韧性的高低是影响管道断裂的决定因素，高韧性是防止裂纹形成、阻碍裂纹扩展的重要保证。随着管线钢钢级的增加，对钢材的低温韧性提出了更加苛刻的要求。
2.2 屈强比、均伸长率
国家正在实施西北、东北、西南陆上能源通道建设，不可避免要经历强震区、活动断裂带、矿山采空区、冻土地区、地质灾害地段。为确保管道的安全性和完整性，除了限制环向应力，来保证环向正常承压外；因地面变形引起轴向的拉伸、压缩、弯曲变形情况下，应保证管道在一定轴向变形下的完整性。
屈强比表示钢材的强度容量和变形容量，是衡量钢材抗震性能的一个重要参数。屈强比越低，能够在断裂之前发生大量的塑性变形，能降低钢材过载出现的危险程度；屈强比升高增加了钢材过载的危险性。从这个角度出发，屈强比越低越安全。所以一些相关规范规定了屈强比的高值：抗大应变管线钢为0.85，一般管线钢为0.93，X90管线钢为0.95。
2.3环焊性能
管道铺设属于野外施工，其作业点沿着管道的走向不断变换，一条长输管道的铺设过程可能会遇到复杂的人文环境、地形地貌和气候环境，管道施工的焊接工艺必须是多样的以适应不同的焊接环境。随着强度、韧性的提高，X90管线钢现场环焊缝的焊接材料选择余地变少、焊接工艺窗口变窄，焊接施工难度变大，焊接接头的强韧性匹配是主要的技术难题之一，必须系统地、综合地研究解决，主要有以下几方面：（1）冶金设计、轧制工艺、制管工艺对管线钢管现场环缝焊接的适应性；（2）现场焊接新方法、新技术研究与应用；（3）满足焊缝高强度的同时，如何保证焊缝和热影响区韧性。
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3管线钢的控轧控冷工艺
组织设计是获得目标力学性能的基础，理想的组织可通过最优化学成分和制造工艺获得。现代高钢级管线钢均采用TMCP（Thermo-mechanical Controlling Processing）工艺生产。TMCP工艺是通过控制轧制温度和冷却制度，在线精确控制相组成和比例，从而获得机械性能优异的钢材制造技术体系。它可以在提高强度和韧性的同时，降低合金元素的添加量，TMCP工艺同时有提高焊接性能的优点。TMCP工艺通过控制再结晶区轧制的应变速率和应变量控制再结晶晶粒尺寸，并通过未再结晶区轧制压扁奥氏体晶粒，为控制随后的γ→α转变提供了合适的热/动力学条件；通过控制轧制之后的冷却工艺，可获得最佳的相组成比例。
3.1控制轧制技术
所谓轧制，是一种以有效地提高钢的性能和获得一定轧件尺寸为根本目标的塑性成形工艺。通过控制热轧钢的形变温度、压下量（形变量）、道次、道次间歇停留时间、终轧温度等，获得最佳的细化晶粒和第二相均匀分布的组织状态。
控制轧制过程一般有两个阶段：第一阶段在形变奥氏体再结晶区控轧和第二阶段在形变奥氏体未再结晶区控轧。第一阶段多道次控轧的温度区间一般≥1000°C，此时形变奥氏体发生反复动/静态再结晶，因此能够获得细小的再结晶晶粒；第二阶段多道次控轧的温度区间一般在950℃~Ar3之间，在此阶段内，由第一阶段形成的再结晶晶粒经变形而形成压扁的晶粒，同时产生大量的形变剪切带，且因形变诱导而析出数量较多的碳氮化物粒子。
3.2 轧后冷却制度
在控轧结束后，形变奥氏体保留了高密度位错和大量的晶体缺陷，通过控制轧后冷却制度可以控制相变组织，从而获得期望的综合性能。轧后冷却制度的主要参数包含开冷温度、弛豫时间、冷速、终冷温度和返红温度等。在实际生产中，轧后控冷主要是控制冷却系统的出水量、水比、辊速和辊道加速度来达到控制冷却后相组成和比例的目的。
随着强度、冲击韧性和焊接性要求的提高，就需要获得的细小的铁素体和贝氏体组织，因此高钢级管线钢的轧后必须严格控制冷却制度。不同使用要求的管线钢板采用不同的控冷工艺，例如抗大应变的X70、X80管线钢，开冷温度相对偏低，通常在Ac1以下，约为720~760℃，较低的开冷温度可以得到部分软相先共析铁素体，提高钢板塑性和韧性，同时采用较快的冷速提高未转变奥氏体的过冷度，细化相变组织的同时获得部分硬相贝氏体组织，提高基体强度。非抗应变管线钢通常开冷温度在760℃以上，通过加速冷却控制奥氏体过冷度以及性和速率，细化铁素体晶粒尺寸。所以为了得到强韧性匹配优异高级别管线钢，应选择适当的开冷温度，通过控制开冷温度来控制铁素体的相变过程，从而得到不同比例的铁素体组织。
结束语
X90管线钢需具有高强度、高韧性以及良好的焊接性和加工性能，而且对特殊地区服役的管线钢还要求具有良好的抗大变形和抗H2S腐蚀能力，特别是为适应不同环境的管道施工现场环焊缝接头的强韧性匹配必须系统加以解决的技术难题之一。
参考文献：
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论文作者:戴卫峰1,刘强2,邱焕民3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：管线论文; 韧性论文; 奥氏体论文; 晶粒论文; 管道论文; 温度论文; 抗大论文; 《基层建设》2019年第10期论文;