钢材中添加0.10%铌，助力提高管道强度和韧性

在API钢材中添加不超过0.10%的铌，即可提高热机械加工工艺(TMCP)的轧制温度，改进板材和卷材的生产工艺，并实现具有出色最终横截面的API微观结构。该精细均匀微观结构不仅可以确保材料具有最佳机械性能，同时还可实现更高强度和韧性。 微观结构如何影响钢材性能？

微观结构如何影响钢材性能？

多次实践已成功证明，当钢材的精细均匀微观结构中含有不超过0.10%的铌时，即可确保其具有出色韧性。例如，针对欧洲生产的0.10%铌含量的X70级螺旋钢管进行夏比冲击试验时，其能量值上限超过了200焦，且转变温度范围达到了-20℃～-65℃。当钢管直径为1067毫米时，其能量值上限超过270焦，且转变温度约为-70℃；而对于0.05%铌含量的同等X70级钢管，其能量值上限约为200焦。0.10%铌含量的APIX70级钢管的转变温度在-60℃以下（低于0.05%铌含量的APIX70级钢管）。

          直径为1067毫米且壁厚为18.8毫米的螺旋钢管APIX70级钢管韧性（冲击试验）

此外，超过0.08%铌含量且直径为1220毫米的APIX70级和X80级螺旋钢管，其不同壁厚下均可实现极好韧性。

T27J = 吸收能量达到27焦最低值时的转变温度（欧洲国家）
T50% = 断口外观为 50% 时的转变温度

中国生产的螺旋钢管也表现出良好性能。下图所示为夏比冲击和落锤撕裂试验(DWTT)结果。

 

中俄东线X80级卷材和螺旋埋弧焊管开发

30°方向上，落锤撕裂试验的 85% 脆性转变温度达到 -55℃，而在另外两个方向上均低于 -20℃。
从图上我们能够清楚地看出，在钢材中加入 0.08%～0.10% 的铌，可提高其机械性能的可靠性，且无需具有明显分散性即可得到出色结果（即，性能更加一致）；结果详见以下四家中国制造商生产的螺旋钢管。

如美国夏延平原输气管道所示，直缝钢管同样实现了较好结果。2004年，在厄尔巴索夏延平原输气项目中，穿越科罗拉多州和堪萨斯州的天然气输气管道，均采用了由含0.05%碳和0.095%铌的钢材加工而成的钢管。俄勒冈钢铁公司生产的直缝钢管具有以下机械特性：

 

管体和焊缝

HTPX80级——夏延平原输气项目结果

0.098%铌

钢管平均韧性和规范（-7℃条件下）

铌的作用是什么？

更精细均匀的微观结构保证了高强度和高韧性，铌在提高Tnr（未再结晶温度）后，减缓了再结晶过程。由此，即可在较高温度下热轧，而不会产生变形晶粒再结晶和生长风险。其结果是，在热轧过程结束时，奥氏体晶粒细小、均匀且具有更多应变积累。这种更精细的变形奥氏体将转化为需要的精细API微观结构。通过此工艺生产的具有精细均匀横截面API微观结构的板材或卷材，将为管道制造商的生产提供最佳条件。利用此材料，制造商将能够在持续生产出满足标准要求的产品的同时，显著降低材料的不合格率和缺陷率。

针状铁素体、贝氏体和碳化物沉淀物

  

钢材韧性由晶粒尺寸决定。在根据韧脆转变温度(DBTT)对韧性进行评估时，发现钢材晶粒尺寸越小，韧脆转变温度越低。但是，仅依靠较小平均晶粒尺寸无法保证高韧性水平。由于当材料中晶粒尺寸存在差异时，韧性水平将受到较大尺寸晶粒的影响，因此为了实现高韧性水平，还须确保细晶粒分布均匀。

 

下图显示了在轧制过程中控制晶粒生长，以在钢材中产生细小均匀晶粒结构，从而实现所需韧性水平的重要性。

以下热轧机各阶段示意图，显示了热轧过程中奥氏体晶粒尺寸的变化情况。从再热炉开始，晶粒在机械作用下持续细化。如果能够在热机械加工工艺流程中妥善设计变形顺序和温度，则可有效实现晶粒细化，并可确保精加工后的材料具有煎饼形奥氏体晶粒结构。经过层流冷却后，这些晶粒即可转化为超细针状铁素体或贝氏体。含有针状铁素体和贝氏体的更精细均匀微观结构，将可确保材料同时具备出色的高强度和高韧性。

钢铁公司已成功利用此方法，为管道制造商创造了客观收益。

得到具有此微观结构和更高性能的钢材后，管道制造商在管道生产过程中将更加自信。钢材中会导致降级或材料切除的缺陷更少。生产过程更加流畅后，将实现轧机生产效率下降（甚至在某些情况下减少轧机停产的“瓶颈问题”）。当出现这些瓶颈问题时，不得不重新排列管道或者进行返工，进而带来生产流程降速、生产效率降低和生产成本升高，并最终导致管道延迟交付。在现场施工期间，使用更高韧性钢材是防止因迟滞引起严重损伤并减少在用管道发生故障的最佳方法。 

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