论文部分内容阅读
摘 要：随着世界范围内石油和天然气需求量的日益增长，选用更为安全、经济可靠的管线钢来降低长距离油气输送管线的建设成本，以及提高输运过程的稳定性、可靠性和安全性显得越来越重要。在油气田使用的管线钢系列中，X120管线钢由于安全可靠、输送量大，降低成本等优势成为现阶段的发展态势。X120管线钢将会广泛应用于天然气管道输送行业。
关键词：X120管线钢；焊接热影响区（HAZ）的韧性；X120管线钢的腐蚀。
1 X120管线钢
1.1 X120管线钢的成分
X120管线钢的主要非金属元素是碳，其次还有硫，磷，硼等。金属元素有锰，钼，铌，钛，钒等以及其他元素。
碳：管线钢趋于向低碳方向或者超低碳方向发展，而对于X120管线钢来说其碳含量更低。其作用在于提高钢的强度和硬度。
硫：硫会严重恶化管线钢的抗氢致开裂（管线钢会产生沿轧制方向的裂纹）和抗腐蚀开裂性能，硫含量过高会使钢的冲击韧性急剧下降。除此之外，硫还会导致管线钢的各向异性。
磷：磷在钢中是一种易偏析元素。磷会恶化管线钢的焊接性能，并且会显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的韧脆转变温度，使钢发生冷脆。
硼：抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，加大贝氏体组织形成区域，从而在低碳的情况下也可以在一个较大的冷却范围内获得贝氏体组织。若不加硼，则会降低钢的塑形和韧性。而管线钢正是趋于向低碳方向或者超低碳方向发展。
锰：锰可以提高管线钢的强度。此外，锰可以推迟铁素体向珠光体的转变，降低贝氏体的转变温度，有利于形成细晶组织。但锰含量过高也会产生偏析现象。
钼：钼含量过高会使管线钢的抗拉强度升高，低温韧性降低。
铌：铌是管线钢中的微合金元素，可以产生晶粒细化及沉淀强化作用，并且可以改善管线钢的低温韧性。在低的碳和氮含量下，铌可抑制奥氏体的再结晶。
钛：产生中等程度的晶粒细化及强烈的沉淀强化作用。
钒：通过铁素体中碳氮化合物的析出对强化起作用。
其他元素：铜能降低钢的腐蚀速率；镍可以增强钢的强度，冲击韧性，延展性和抗腐蚀性，并且会降低钢的韧脆转变温度，但镍含量较高时，会提高裂纹扩展所需的能量，使热裂纹倾向明显增多。
X120钢中的各种元素都要有一个合适的含量范围（见表1），这样才能充分发挥他们的优点，并且尽量避免缺陷的产生，从而获得满足使用性能要求的管材。
1.2 X120管线钢的组织
如图1为X120管线钢的金相组织光学照片。X120管线钢要求获得晶粒细小的组织，板条状下贝氏体为X120管线钢的理想组织。X120管线钢的金相组织中还有少量的M-A组元。其中的马氏体具有很高的强度和硬度，是强化金属的重要途径；而贝氏体板条之间存在状态稳定的残余奥氏体，对钢的力学性能也会产生有益的影响。
1.3 X120管线钢的组织转变
研究X120管线钢的组织转变就是研究过冷奥氏体的转变规律。钢在过冷奥氏体转变时的冷却方式分为两种：等温冷却和连续冷却。等温冷却时会得到过冷奥氏体的等温转变曲线图，即TTT图，在TTT图中可以观察到铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的转变区域。而在连续冷却时所得到的CCT图只能观察到珠光体转变区和马氏体转变区。因此，为了便于观察和得到管线钢中的下贝氏体组织和马氏体组织，选用等温冷却是相较而言最好的办法。
在等温转变过程中，奥氏体化的加热温度和保温时间对奥氏体的晶粒大小和成分均匀性会产生影响。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的晶粒尺寸就增长越快，晶粒越粗大，成分也越均勻；反之加热温度越低，保温时间越短，奥氏体的晶粒尺寸就增长越慢，晶粒越细小，成分越不均匀，使得奥氏体越不稳定，越容易发生转变。据实验研究表明，奥氏体晶粒长大速度最快的的加热温度和保温时间分别在1100℃和2h左右。而且在高温下，Nb、Mo和Ti等碳氮化物会对晶界产生钉扎作用，对奥氏体的晶粒长大有阻碍作用。因此，理论上对X120管线钢需采用快速冷却和短时保温的方法。
此外，应力也会对奥氏体的等温转变产生影响，拉应力会促进奥氏体的转变，压应力则会阻碍奥氏体的转变。
1.4 X120管线钢的生产工艺
X120管线钢的主要生产工艺是热-力控轧控冷（TMCP）工艺。图2给出了一种X120钢的生产工艺，简称IDQ。
在IDQ生产过程中，重新加热的板坯在再结晶温度范围内首先进行热轧，然后在奥氏体区域加速冷却，最后在IDQ停止温度下停止加速冷却。可以获得细小的薄饼状颗粒和微结构的以下贝氏体为主的显微组织，具有高强度、高韧性和良好的抗冷裂性能。
2 X120钢焊接热影响区（HAZ）的韧性
和普通管线钢相比，X120钢的焊接材料除应具有与母材相匹配的强度外，还应具备足够的韧性。而焊缝的强度与韧性一般呈反比关系，强度越高，韧性就越低。在焊接过程中，焊接热影响区会出现晶粒粗化及组织结构变化。 提高HAZ的韧性是X120成功应用的关键。
栗卓新等人[1]的从管线钢焊缝的显微组织出发，通过调整其合金成分，减少焊缝中的非金属夹杂物，增加其中的粒状贝氏体和针状铁素体等韧化相来提高钢的韧性。杜伟等人[2]研究了不同线能量下X120管线钢热影响区的冲击韧性，其研究表明，不同的线能量对应的热影响区的韧性不同，随着焊接线能量的增加，焊接热影响区的冲击功先增加后减小；当线能量为35 kJ·cm-1左右时焊接热影响区韧性最高。陈翠欣等人[5]研究了焊接工艺参数对X80管线钢焊接粗晶区低温韧性的影响，其研究结果表明， 线能量对焊接热影响区的韧性影响最显著，然后是预热温度，最后才是板厚。雷玄威[12]等人的采用焊接热模拟法，分析了X120管线钢焊接热影响区粗晶区的组织转变，通过控制冷却速度和低的碳含量来促进粒状贝氏体的形成，从而提高钢的强韧性。 3 X120管线钢的腐蚀
管道腐蚀一直是油气行业的一个重要问题，其对构件寿命的危害很大。由于所处环境的因素，管线钢总会不可避免的受到各种腐蚀。
X120管线钢的抗硫化物应力腐蚀（SSC）性能较差，在输送管线的失效事故中占很大比例。SSC为短期的显著腐蚀，腐蚀情况一周到三个月便可出现，如图4为硫化物腐蚀所造成的开裂的金相组织照片。SSC受硫化物浓度、水含量、温度和PH值等因素影响。其中硫化物的浓度影响最为显著，硫化物水溶液中的氧气和氯离子作用互斥，氧气会加快腐蚀速率，而较高氯离子浓度时，会使腐蚀速率降低。因此，为了防止SSC腐蚀，理论上可以采用在管道周围增加涂层进行阴极保护来减缓氧化过程并且定期撒氯盐和清理污水来降低腐蚀速率。
应力腐蚀也是失效的重要原因之一。拉应力不会导致管线钢的应力腐蚀开裂，压应力会使管线钢产生应力腐蚀开裂，并且压应力越大，裂纹的扩展速度越快。现实生活中输送管道的应力来源于三个方面；管道所承受的载荷、残余应力和腐蚀产物的体积应力。如图5为应力所造成的开裂的金相组织照片。因此，为了防止和减少应力腐蚀开裂的影响，在管道热处理时进行喷丸以消除残余应力并且改进设计结构以避免应力集中。由于焊接接头中的化学成分和冶金结构的不均一，以及残余应力的存在，使得焊接接头更易被腐蚀。
综上，为了提高管道的安全性、完整性和延长管线的使用寿命，研究人员分别从管线设计人员和焊接工作者的角度出发，提出了一些缓解腐蚀的策略。对于管道的设计者来说，适当选择管材和管道表面涂层材料，选择合适的材料涂层技术。由于焊接接头更容易受到腐蚀，因此接头质量对于最小化管道的腐蚀起着至关重要的作用。在焊接施工前，焊工应该详细了解焊接耗材的选择、表面制备、焊接工艺的选择、焊缝表面的修整、預热/互通温度的使用以及焊后热处理等。其他腐蚀的措施是防止缺陷形成、使用钝化处理和去除氢源。
4结论及展望
本文在内容上对X120管线钢的微观组织、韧性及腐蚀进行了分析。整个分析过程以X120管线钢的成分为基础，通过分析其组织转变来确定合适的生产工艺，并加以考虑在这种生产工艺下X120管线钢的韧性及腐蚀情况。
高品级的材料让我们的生活变得越来越丰富多彩，虽然对于材料领域的研究还有许多的难题等着我们去克服，这也要求我们需要进行更深层次的研究。但我们要相信，国人的力量是强大的。材料的世界是五彩缤纷的，是波澜壮阔的，它将吸引着我们迈进更广阔的天地，而我们每个人也将在这片天地中创造出属于自己的光彩。
参考文献：
[1]栗卓新，马司鸣，HEE Jin-kim等.X100_X120管线钢焊接接头强韧化研究.1001-2303（2013）04-0001-07.
[2]杜伟，娄琦，王长安，杨专钊.X120管线钢焊接试验及分析.1001-3938（2011）01-0025-05.
[3]李继红，杨亮，张敏.X120管线钢的研究现状及发展前景.1001-3814（2012）22-0099-05.
[4]姜金星，郑宏伟，吴会宾，杨柳.X120管线钢调质工艺研究.2012.04.05.
[5]陈翠欣等.焊接工艺参数对X80管线钢焊接粗晶区低温韧性的影响.2005.22（2）：5-13.
[6]张婷婷等.焊接热循环对X120管线钢组织和性能的影响.2008.
[7]赵辉等.X120管线钢焊接热影响区的模拟研究.2011.
[8]Hans-Georg Hillenbrand，Andreas Liessem.Development of high strength material and pipe production technology for grade X120 Line pipe.2004.
[9]Huang F，Liu J，Deng Z J，Cheng J H.Effect of microstructure and inclusions on hydrogen induced cracking susceptibility and hydrogen trapping efficiency of X120 pipeline steel.2010.
[10]黄开文.国外高钢级管线钢的研究与使用情况.2003.
[11]王仪康，潘家华，杨柯等.高性能输送管线钢.2007.
[12]雷玄威，王红鸿等.超低碳超高强X120管线钢焊接热影响区粗晶区的组织转变.2011.
[13]张文儒.X120管线钢的抗硫化物应力腐蚀研究.2017.04.
[14]齐亮，彭凯，蔡文彩，冯兴宇.X120管线钢奥氏体长大规律研究.2016.03.
[15]郁春锋，李敬，褚祥治，杨跃辉，苑少强.X120管线钢中第二相回溶及其对奥氏体晶粒尺寸的影响.2016.10.
[16]李岩，唐兴昌，张有余.高级别管线钢等温相变动力学研究.2015.12 .
[17]段小林，刘静，黄峰，胡骞，张杰等.X120管线钢轧板不同厚度处的氢致开裂敏感性研究.2015.08.
[18]郑跃强，唐兴昌，李积鹏，王云平.X120管线钢的试制及其相变规律.2014.10.
[19]杨跃辉，张晓娟，苑少强.X120管线钢晶粒长大动力学研究.2014.05.
[20]李雅可，马立立，汪超，杨艳滨，代金.实验室条件下超高强X120钢管微观组织和性能研究.2014.03.
[21]A. Bahgat Radwan a， Mostafa H. Sliem a， Paul C. Okonkwo a， Mohamed F. Shibl b， Aboubakr M. Abdullah a. Corrosion inhibition of API X120 steel in a highly aggressive medium using stearamidopropyl dimethylamine.2017.03.
[22]Z.Y. Liu， Q. Li， Z.Y. Cui， W. Wu， Z. Li， C.W. Du， X.G. Li. Field experiment of stress corrosion cracking behavior of high strength pipeline steels in typical soil environments.2017.05.
[23]Satish Kumar Sharma*， Sachin Maheshwari. A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels.2016.12.
关键词：X120管线钢；焊接热影响区（HAZ）的韧性；X120管线钢的腐蚀。
1 X120管线钢
1.1 X120管线钢的成分
X120管线钢的主要非金属元素是碳，其次还有硫，磷，硼等。金属元素有锰，钼，铌，钛，钒等以及其他元素。
碳：管线钢趋于向低碳方向或者超低碳方向发展，而对于X120管线钢来说其碳含量更低。其作用在于提高钢的强度和硬度。
硫：硫会严重恶化管线钢的抗氢致开裂（管线钢会产生沿轧制方向的裂纹）和抗腐蚀开裂性能，硫含量过高会使钢的冲击韧性急剧下降。除此之外，硫还会导致管线钢的各向异性。
磷：磷在钢中是一种易偏析元素。磷会恶化管线钢的焊接性能，并且会显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的韧脆转变温度，使钢发生冷脆。
硼：抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，加大贝氏体组织形成区域，从而在低碳的情况下也可以在一个较大的冷却范围内获得贝氏体组织。若不加硼，则会降低钢的塑形和韧性。而管线钢正是趋于向低碳方向或者超低碳方向发展。
锰：锰可以提高管线钢的强度。此外，锰可以推迟铁素体向珠光体的转变，降低贝氏体的转变温度，有利于形成细晶组织。但锰含量过高也会产生偏析现象。
钼：钼含量过高会使管线钢的抗拉强度升高，低温韧性降低。
铌：铌是管线钢中的微合金元素，可以产生晶粒细化及沉淀强化作用，并且可以改善管线钢的低温韧性。在低的碳和氮含量下，铌可抑制奥氏体的再结晶。
钛：产生中等程度的晶粒细化及强烈的沉淀强化作用。
钒：通过铁素体中碳氮化合物的析出对强化起作用。
其他元素：铜能降低钢的腐蚀速率；镍可以增强钢的强度，冲击韧性，延展性和抗腐蚀性，并且会降低钢的韧脆转变温度，但镍含量较高时，会提高裂纹扩展所需的能量，使热裂纹倾向明显增多。
X120钢中的各种元素都要有一个合适的含量范围（见表1），这样才能充分发挥他们的优点，并且尽量避免缺陷的产生，从而获得满足使用性能要求的管材。
1.2 X120管线钢的组织
如图1为X120管线钢的金相组织光学照片。X120管线钢要求获得晶粒细小的组织，板条状下贝氏体为X120管线钢的理想组织。X120管线钢的金相组织中还有少量的M-A组元。其中的马氏体具有很高的强度和硬度，是强化金属的重要途径；而贝氏体板条之间存在状态稳定的残余奥氏体，对钢的力学性能也会产生有益的影响。
1.3 X120管线钢的组织转变
研究X120管线钢的组织转变就是研究过冷奥氏体的转变规律。钢在过冷奥氏体转变时的冷却方式分为两种：等温冷却和连续冷却。等温冷却时会得到过冷奥氏体的等温转变曲线图，即TTT图，在TTT图中可以观察到铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的转变区域。而在连续冷却时所得到的CCT图只能观察到珠光体转变区和马氏体转变区。因此，为了便于观察和得到管线钢中的下贝氏体组织和马氏体组织，选用等温冷却是相较而言最好的办法。
在等温转变过程中，奥氏体化的加热温度和保温时间对奥氏体的晶粒大小和成分均匀性会产生影响。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体的晶粒尺寸就增长越快，晶粒越粗大，成分也越均勻；反之加热温度越低，保温时间越短，奥氏体的晶粒尺寸就增长越慢，晶粒越细小，成分越不均匀，使得奥氏体越不稳定，越容易发生转变。据实验研究表明，奥氏体晶粒长大速度最快的的加热温度和保温时间分别在1100℃和2h左右。而且在高温下，Nb、Mo和Ti等碳氮化物会对晶界产生钉扎作用，对奥氏体的晶粒长大有阻碍作用。因此，理论上对X120管线钢需采用快速冷却和短时保温的方法。
此外，应力也会对奥氏体的等温转变产生影响，拉应力会促进奥氏体的转变，压应力则会阻碍奥氏体的转变。
1.4 X120管线钢的生产工艺
X120管线钢的主要生产工艺是热-力控轧控冷（TMCP）工艺。图2给出了一种X120钢的生产工艺，简称IDQ。
在IDQ生产过程中，重新加热的板坯在再结晶温度范围内首先进行热轧，然后在奥氏体区域加速冷却，最后在IDQ停止温度下停止加速冷却。可以获得细小的薄饼状颗粒和微结构的以下贝氏体为主的显微组织，具有高强度、高韧性和良好的抗冷裂性能。
2 X120钢焊接热影响区（HAZ）的韧性
和普通管线钢相比，X120钢的焊接材料除应具有与母材相匹配的强度外，还应具备足够的韧性。而焊缝的强度与韧性一般呈反比关系，强度越高，韧性就越低。在焊接过程中，焊接热影响区会出现晶粒粗化及组织结构变化。 提高HAZ的韧性是X120成功应用的关键。
栗卓新等人[1]的从管线钢焊缝的显微组织出发，通过调整其合金成分，减少焊缝中的非金属夹杂物，增加其中的粒状贝氏体和针状铁素体等韧化相来提高钢的韧性。杜伟等人[2]研究了不同线能量下X120管线钢热影响区的冲击韧性，其研究表明，不同的线能量对应的热影响区的韧性不同，随着焊接线能量的增加，焊接热影响区的冲击功先增加后减小；当线能量为35 kJ·cm-1左右时焊接热影响区韧性最高。陈翠欣等人[5]研究了焊接工艺参数对X80管线钢焊接粗晶区低温韧性的影响，其研究结果表明， 线能量对焊接热影响区的韧性影响最显著，然后是预热温度，最后才是板厚。雷玄威[12]等人的采用焊接热模拟法，分析了X120管线钢焊接热影响区粗晶区的组织转变，通过控制冷却速度和低的碳含量来促进粒状贝氏体的形成，从而提高钢的强韧性。 3 X120管线钢的腐蚀
管道腐蚀一直是油气行业的一个重要问题，其对构件寿命的危害很大。由于所处环境的因素，管线钢总会不可避免的受到各种腐蚀。
X120管线钢的抗硫化物应力腐蚀（SSC）性能较差，在输送管线的失效事故中占很大比例。SSC为短期的显著腐蚀，腐蚀情况一周到三个月便可出现，如图4为硫化物腐蚀所造成的开裂的金相组织照片。SSC受硫化物浓度、水含量、温度和PH值等因素影响。其中硫化物的浓度影响最为显著，硫化物水溶液中的氧气和氯离子作用互斥，氧气会加快腐蚀速率，而较高氯离子浓度时，会使腐蚀速率降低。因此，为了防止SSC腐蚀，理论上可以采用在管道周围增加涂层进行阴极保护来减缓氧化过程并且定期撒氯盐和清理污水来降低腐蚀速率。
应力腐蚀也是失效的重要原因之一。拉应力不会导致管线钢的应力腐蚀开裂，压应力会使管线钢产生应力腐蚀开裂，并且压应力越大，裂纹的扩展速度越快。现实生活中输送管道的应力来源于三个方面；管道所承受的载荷、残余应力和腐蚀产物的体积应力。如图5为应力所造成的开裂的金相组织照片。因此，为了防止和减少应力腐蚀开裂的影响，在管道热处理时进行喷丸以消除残余应力并且改进设计结构以避免应力集中。由于焊接接头中的化学成分和冶金结构的不均一，以及残余应力的存在，使得焊接接头更易被腐蚀。
综上，为了提高管道的安全性、完整性和延长管线的使用寿命，研究人员分别从管线设计人员和焊接工作者的角度出发，提出了一些缓解腐蚀的策略。对于管道的设计者来说，适当选择管材和管道表面涂层材料，选择合适的材料涂层技术。由于焊接接头更容易受到腐蚀，因此接头质量对于最小化管道的腐蚀起着至关重要的作用。在焊接施工前，焊工应该详细了解焊接耗材的选择、表面制备、焊接工艺的选择、焊缝表面的修整、預热/互通温度的使用以及焊后热处理等。其他腐蚀的措施是防止缺陷形成、使用钝化处理和去除氢源。
4结论及展望
本文在内容上对X120管线钢的微观组织、韧性及腐蚀进行了分析。整个分析过程以X120管线钢的成分为基础，通过分析其组织转变来确定合适的生产工艺，并加以考虑在这种生产工艺下X120管线钢的韧性及腐蚀情况。
高品级的材料让我们的生活变得越来越丰富多彩，虽然对于材料领域的研究还有许多的难题等着我们去克服，这也要求我们需要进行更深层次的研究。但我们要相信，国人的力量是强大的。材料的世界是五彩缤纷的，是波澜壮阔的，它将吸引着我们迈进更广阔的天地，而我们每个人也将在这片天地中创造出属于自己的光彩。
参考文献：
[1]栗卓新，马司鸣，HEE Jin-kim等.X100_X120管线钢焊接接头强韧化研究.1001-2303（2013）04-0001-07.
[2]杜伟，娄琦，王长安，杨专钊.X120管线钢焊接试验及分析.1001-3938（2011）01-0025-05.
[3]李继红，杨亮，张敏.X120管线钢的研究现状及发展前景.1001-3814（2012）22-0099-05.
[4]姜金星，郑宏伟，吴会宾，杨柳.X120管线钢调质工艺研究.2012.04.05.
[5]陈翠欣等.焊接工艺参数对X80管线钢焊接粗晶区低温韧性的影响.2005.22（2）：5-13.
[6]张婷婷等.焊接热循环对X120管线钢组织和性能的影响.2008.
[7]赵辉等.X120管线钢焊接热影响区的模拟研究.2011.
[8]Hans-Georg Hillenbrand，Andreas Liessem.Development of high strength material and pipe production technology for grade X120 Line pipe.2004.
[9]Huang F，Liu J，Deng Z J，Cheng J H.Effect of microstructure and inclusions on hydrogen induced cracking susceptibility and hydrogen trapping efficiency of X120 pipeline steel.2010.
[10]黄开文.国外高钢级管线钢的研究与使用情况.2003.
[11]王仪康，潘家华，杨柯等.高性能输送管线钢.2007.
[12]雷玄威，王红鸿等.超低碳超高强X120管线钢焊接热影响区粗晶区的组织转变.2011.
[13]张文儒.X120管线钢的抗硫化物应力腐蚀研究.2017.04.
[14]齐亮，彭凯，蔡文彩，冯兴宇.X120管线钢奥氏体长大规律研究.2016.03.
[15]郁春锋，李敬，褚祥治，杨跃辉，苑少强.X120管线钢中第二相回溶及其对奥氏体晶粒尺寸的影响.2016.10.
[16]李岩，唐兴昌，张有余.高级别管线钢等温相变动力学研究.2015.12 .
[17]段小林，刘静，黄峰，胡骞，张杰等.X120管线钢轧板不同厚度处的氢致开裂敏感性研究.2015.08.
[18]郑跃强，唐兴昌，李积鹏，王云平.X120管线钢的试制及其相变规律.2014.10.
[19]杨跃辉，张晓娟，苑少强.X120管线钢晶粒长大动力学研究.2014.05.
[20]李雅可，马立立，汪超，杨艳滨，代金.实验室条件下超高强X120钢管微观组织和性能研究.2014.03.
[21]A. Bahgat Radwan a， Mostafa H. Sliem a， Paul C. Okonkwo a， Mohamed F. Shibl b， Aboubakr M. Abdullah a. Corrosion inhibition of API X120 steel in a highly aggressive medium using stearamidopropyl dimethylamine.2017.03.
[22]Z.Y. Liu， Q. Li， Z.Y. Cui， W. Wu， Z. Li， C.W. Du， X.G. Li. Field experiment of stress corrosion cracking behavior of high strength pipeline steels in typical soil environments.2017.05.
[23]Satish Kumar Sharma*， Sachin Maheshwari. A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels.2016.12.