全世界能源需求的增加和对CO2排放量小的绿色能源的需求增加，因此近年来对天然气的需求大幅度增加。日本以天然气作为液化天然气(LNG)进口，但由于从天然气产地到消费地或到LNG基地的输送使用的是管道管，随着气体产地越来越遥远，因此积极开发远距离管道管。为降低这种天然气输送用管道管的总成本，因此对可以高压输送和减少钢材使用量的高强度管道管的要求越来越高。近年来，APIX70和X80级(API：美国石油协会)高强度管道管的应用开始增加，在2002年X100已首次实际应用。
另一方面，管道管的敷设开始向寒冷地域和地震带或深海地区及有酸性气体腐蚀高发区等环境恶劣的地域扩大。对于在地震地域和不连续冻土地域敷设的管道管，要求不仅具有高强度，而且具有高可变形性。另外，对于在酸性气体腐蚀环境下使用的管道管也同样提出了高强度化要求，目前根据NACE(美国腐蚀技术协会)的技术要求，主要使用X60或X65级管道管，但作为在H2S浓度低或pH高的酸性环境下使用的管道管，已开始采用X70级。耐酸性气体管道管的生产需要先进的炼钢和浇铸技术及TMCP(控轧控冷)技术，在要求高强度化的同时，还要求材质稳定。另外，还进行深海用管道管的开发，在管壁增厚的同时，对高强度化的要求也越来越高。因此，近年来对管道管，除了要求高强度化外，还提出了各种各样的要求。JFE钢公司采用先进的材质控制技术和最先进的钢板生产设备，积极开发各种管道管。
本文就近年来开发的管道管用高强度UOE钢管的特性和生产技术进行介绍。
1．管道管用厚钢板的生产技术
1．1快速冷却技术
虽然高强度管道管用钢板的生产可以采用控制轧制和快速冷却技术，但为了确保韧性和焊接性，以获得高强度，因此快速冷却将发挥极为重要的作用。福山厂厚板车间于1980年在世界上首次将快速冷却技术应用于厚板生产，1998年开发了采用新的水流控制技术实现最大理论冷却速度的“Super－OLAC”装置。快速冷却时的高速冷却速度不仅可以通过强化相变提高强度，而且还有助于组织的细化，并在减少合金元素的同时，还能提高韧性。应用这些最先进的快速冷却装置的TMCP技术已能生产各种高强度管道管，如耐酸性气体的管道管和X100管道管等。
1．2在线热处理技术
如前所述，近年来对管道管，不仅要求具有强度和韧性，而且还要求具有耐酸性气体腐蚀性和高可变形性等，因此必须按照用途进行非常仔细的材质设计。为提高高强度管道管的附加值和性能，JFE钢公司在西日本制铁所(福山地区)安装了在线热处理设备“HOP”。HOP是一种电磁式感应加热设备，它安装在快速冷却装置Super－OLAC后面的热矫直机附近。通过将HOP和Super－OLAC组合，可以进行目前最先进的组织控制。对采用HOP生产钢板时的温度滞后情况和普通的TMCP工艺进行了比较。采用普通TMCP工艺时，钢板在控制轧制的快速冷却后就进行空冷，而HOP工艺则是在快速冷却后采用感应加热进行快速加热。由此，可以在控制相变的同时使碳化物细化析出、组织变得均匀或变成多相组织等，从而获得只用普通快速冷却无法实现的各种特性。应用HOP生产的具有代表性的钢管产品有高强度耐酸性气体的管道管、高可变形性管道管、套管／井管用高强度钢管等。由于采用HOP后板厚方向及钢板内部材质均匀，因此能获得材质偏差小而形状好的钢管。另外，由于材质的热态稳定性好，因此能大幅度提高耐SR(消除应力热处理)性能或耐应变时效性能。
2．高强度管道管
2．1X80管道管
JFE钢公司在1991年开始为加拿大生产X80管道管，自此以后共生产了5万多吨的X80管道管。根据作为机械特性的夏氏冲击吸收能的统计数据可知，尽管X80属高强度钢，但母材吸收能的平均值为270J，具有很高的高速延性断裂停止性能。另外，母材、HAZ(焊接热影响区)和焊接金属都具有很高的吸收能，可靠性非常高。
表 1 X100管道管的生产情况
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项目 OD WT 抗拉性能(圆钢试样) 夏氏冲击试验 DWTT
mm mm 方向 YS TS EL Y／T 在－5℃时 在－5℃时
MPa MPa ％ ％ 的vE，J 的SA，％
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1 1219.0 14.3 横向 763 838 21 91 241 100
纵向 623 801 22 78 － －
2 914.4 13.2 横向 779 851 22 92 236 100
纵向 642 816 23 79 － －
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注：OD：外径；WT：壁厚；YS：屈服强度；TS：抗拉强度；EL：延伸率；Y／T：屈
服比；vE：夏氏冲击吸收能；DWTT：落锤撕裂试验；SA：Sharearea(均分面积)
表 2 JFE－HIPER的性能
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API级 尺寸 纵向抗拉性能＊ 冲击性能
OD，mm WTmm D／t YS，MPa TS，Mpa Y／T，％ n vE－10，J vTrs，℃
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X65 762.0 19.1 40 463 590 78 0.16 271 －98
X80 610.0 12.7 553 752 74 0.21 264 －105
X100 914.4 15.0 651 886 73 0.18 210 －143
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注：＊圆钢试样。
OD ：外径；WT：壁厚；D／t：OD／WT；YS：屈服强度；TS：抗拉强度；Y／T：屈服比；n：n
值；vE－10：在－5℃时的夏氏冲击吸收能；vTrs：到达延性转变温度的脆化
2．2X100管道管
为满足对管道管高强度要求的进一步提高，JFE钢公司2002年在世界上首次进行了CSA级690(CSA：加拿大标准协会，相当于X100级)高强度管道管的商业生产。而且，2004年在加拿大北部的严寒地区进行了冬季敷设，结果证明母材和焊接部具有很高的焊接施工性。表1示出X100管道管的实际生产情况。由此可知，X100的强度完全满足标准要求，夏氏冲击吸收能超过200J。另外，无论哪个管道工程项目都要考虑到冻土地基变化造成管道的变形，因此要求管道管必须具有高可变形性。虽然X100级属于高强度钢，但管的轴向屈服比(Y／T)的平均值在80％以下，实现了低屈服比。
虽然目前X100管道管的应用还有限，但与X100管道管的材料开发一样，目前正在积极开发管道管的设计技术和应用、评价技术，相信今后其应用范围将进一步扩大。
3．高可变形性管道管
3．1高可变形性管道管的开发需求
地基变化等会造成管道管出现大的应变，因此不仅要求管道管要具有高强度和高韧性，还应考虑到在发生大变形情况下具有变形吸收能。目前，日本国内普遍使用的管道管的直径厚度比（D／t）在40左右，单轴压缩试验时的最大压曲应变超过1％，具有很高的变形性能。但是，在应用APIX80等高强度管道管时，为减小管壁厚度，一般要求压曲强度趋向于低值。通过提高高强度管道管的抗压曲特性，高强度管道管就可应用于实际，因此，开发了具有大的压曲应变性能的高可变形性管道管。本章就有利于获得高可变形性的组织控制技术和管道管的机械特性及抗压曲特性等进行介绍。
3．2有利于提高可变形性的SS弯曲控制技术
在开发高可变形性管道管时，对各种小型管进行了轴向压缩压曲实验，调查了管的轴向应力－应变关系和压曲性能的关系。根据最大压曲应变和管的直径厚度比(D／t)的关系可知，当D／t越大时，压曲应变越低，但从连续屈服型(round－house型)的应力－应变曲线来看，尽管D／t相同，但n值高的应力－应变曲线出现高的压曲应变。为探索有利于获得连续屈服型且n值高(屈服比低)的应力－应变曲线的最佳显微组织形态，采用FEM(有限元法)和显微机理的方法进行了解析研究，调查了贝氏体的体积百分率对采用FEM模型解析的应力－应变曲线的影响。根据采用显微机理的方法对双相钢进行解析的结果可知，由于第二相的体积百分率增加或第2相的强度升高，因此n值会升高。另外，在铁素体－贝氏体组织情况下，由于贝氏体相的形数比增大，即沿轧制方向生长的组织增加，因此n值会升高。
在以上研究的基础上，通过优化控制轧制和Super－OLAC条件，可以将显微组织视为铁素体－贝氏体，从而获得连续屈服型且n值高的应力－应变曲线。根据这种基本思想，开发了JFE－HIPER，并根据强度和韧性或可变形性等的要求性能，对铁素体－贝氏体组织形态进行了优化。
另外，采用更加硬质的马氏体相作为第二相也是有效的，但如果采用普通的快速冷却方法生产厚钢板时，无法获得含有充分体积百分率的马氏体组织的多相组织。因此，采用HOP工艺，开发了组织为贝氏体和MA(岛状马氏体)的多相组织的新型JFE－HIPER。
3．3高可变形性管道管
JFE－HIPER的特性和生产情况
采用前一节介绍的Super－OLAC来优化多相组织控制和应力－应变曲线，开发了抗压曲性能好的高可变形性JFE－HIPER，其产品等级从X52～X100。具有代表性的JFE－HIPER的机械特性示于表2。无论是何种钢管，管的轴向应力－应变曲线都是连续屈服型，能获得高n值和低屈服比。根据X65级JFE－HIPER的显微组织可知，作为铁素体－贝氏体的双相组织，通过优化贝氏体的体积百分率或形态，可以获得良好的可变形性。通过实际管的轴向压缩实验，确认了开发的高可变形性管道管的抗压曲性能。根据轴向压缩实验时的最大压曲应变和D／t的关系可知，JFE－HIPER的抗压曲性能比普通管道管高1．5倍。
作为日本国内气体输送用管道管JFE－HIPER，目前已生产X65级3000t以上，而用于日本以外的地震地域敷设的气体输送用管道管，包括X52和X60在内共生产了44000t。今后，随着在冻土和地震地域开发天然气工作的进一步发展，预计对高可变形性管道管的需求会进一步增大。另外，今后还将扩大应用于诸如海底管道管等变形大的各种管道管。
3．4应用HOP的JFE－HIPER和今后的发展趋势
除了以上所述的铁素体－贝氏体组织的JFE－HIPER外，应用HOP能够获得贝氏体－MA(岛状马氏体)组织。这是因为通过快速冷却后的加热处理可以促进碳向着未发生相变的奥氏体聚集，从而获得微细粒状的MA所致。根据对应用HOP生产的X80级JFE－HIPER的显微组织分析可知，MA的体积百分率为8％左右，基体为贝氏体组织(或无碳贝氏体组织)。表3示出应用HOP生产的X80级JFE－HIPER的机械特性。与铁素体－贝氏体型的JFE－HIPER一样，在轴向抗拉特性方面能够获得80％以下的屈服比。对贝氏体－MA型的JFE－HIPER进行了实际管的压缩实验，结果可知，与铁素体－贝氏体型的JFE－HIPER一样，能获得高的抗压曲性能。
应用HOP生产的JFE－HIPER的特征之一是抗应变时效性提高了。这是因为采用HOP进行加热时，由于碳化物的微细析出等可以减少固溶碳量，而且通过回火可以使位错恢复，减少移动位错密度等所致。为防止管道管腐蚀，因此在敷设前进行了涂漆处理，但近年来有文献指出，由于涂漆时的加热会产生时效应变，YS(屈服强度)和Y／T会发生变化。但是，采用HOP进行组织控制的技术可以减少因应变时效而产生的固溶碳和移动位错密度，即使在加热到大约240℃进行涂漆后，也能使X80级的JFE－HIPER的屈服比维持在80％以下。一些国家的管道管通常是在高温下进行涂漆处理，因此今后作为具有抗应变时效性能的高可变形性管道管将有望应用于实际。
表3 应用HOP生产的JFE－HIPER的机械性能
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API等级 尺寸 纵向抗拉性能
OD，mm WT，mm D／t YS，MPa TS，MPa Y／T，％ n
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X80 762 15.6 49 532 702 76 0.12
1016 17.5 58 651 886 79 0.14
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表 4 试制的X70 级耐酸性气体管道管的化学成分
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API等级 C Si Mn P S 其它 Pcm
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X70 0.05 0.28 1.13 0.014 0.0005 Mo、Ni、Cr、Nb、Ca 0.14
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Pcm＝C＝Si／30＋mn／20＋Cu／20＋Ni／60＋Cr／20＋Mo／15＋V／10＋5B
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表 5 应用HOP试生产的X70级耐酸性气体管道管的情况
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API 管子 抗拉性能 冲击性能 DWTT HIC
等级 编号 YS TS EL Y／T 在－10℃时 在0℃时 CLR，％
MPa MPa ％ 的vE，J 的SA，％ 90° 180 °
X70 1 531 613 23 87 373 100 0,0,0 0,0,0
2 523 600 22 87 343 100 0,0,0 0,0,0
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4．高强度耐酸性气体的管道管
4．1应用HOP生产耐酸性气体管道管用钢板的技术
耐酸性气体的管道管所要求的特性除了强度韧性和焊接性外，还要求在含有H2S的环境下具有高的抗氢诱发裂纹和抗硫化物应力裂纹的性能。因此，开发了超低硫和低磷钢冶炼技术、添加Ca控制硫化物形态的技术和应用Super－OLAC的高冷却速度控制组织的技术，目前这些技术已可以应用于等级达到X65级的管道管的生产。除了上述这种基本材质控制技术外，通过采用在Super－OLAC后面安装的加热设备HOP，可以进一步提高管道管的性能。采用HOP生产的管道管的材质特征有以下几点。
(1)板厚方向的硬度分布均匀；
(2)钢板内部的材质偏差减小；
(3)强化以微细Nb为主的碳化物析出；
(4)可以控制MA(岛状马氏体)的生成、消失。
根据采用HOP生产的X60耐酸性气体管道管用钢板在表层部和1／4t位置沿钢板宽度方向测定硬度分布的结果可知，表层部的硬度与1／4t位置基本相同，尤其是在板宽度方向上的硬度分布非常均匀。这是因为采用HOP后，加热温度均匀，可以使显微组织均匀所致。由于强度韧性等材质偏差减小，尤其是UOE成形性的提高，因此可以获得尺寸精度高的管道管。
另外，HOP生产JFE－HIPER时，虽然采用HOP加热会使MA生成，但通过调整合金成分和快速冷却－HOP加热条件，同样还可以抑制MA的生成。根据X70级耐酸性气体管道管用钢板的显微组织调查可知，如果只采用普通快速冷却方法生产高等级钢板，容易生成MA，能看到很多的MA。另一方面，采用HOP生产的钢板没有MA，显微组织非常均匀。这是因为HOP加热时会促进碳化物的析出，抑制碳向未发生相变的奥氏体聚集所致。
4．2耐酸性X60和X65管道管的生产情况
JFE钢公司从2004年开始将HOP应用于耐酸性气体管道管的生产，至今已生产X60或X65耐酸性气体的管道管40000t以上。
根据对管端正圆度的数据进行统计处理的正圆度参数(数值越小，正圆度越好)和管形状的关系可知，虽然D／t0．6增大时正圆度会下降，但采用HOP可以提高正圆度。另外，板厚方向的硬度分布也是均匀的，还能与作为海底管道管标准的DNVOF101所推荐的最高硬度(HV≤220)相对应。
4．3耐酸性气体X70管道管的试制情况
随着合金成分的增加，采用普通TMCP生产的高强度钢容易生成MA等脆化组织。在HIC试验时由于它已成为裂纹的传播路径，因此它是高强度耐酸性气体管道管开发的课题。采用HOP能使组织均匀和抑制MA生成，因此对X70级耐酸性气体管道管(914．4mmOD×19．1mmWT)进行了试制。表4和表5示出试制钢管的化学成分、机械特性和HIC试验结果。结果表明，X70级具有充分的强度，即使在NACEsolutionA的HIC试验中，CLR(裂纹面积率)都为0％。
今后，将进一步试制研究，以便使X70级耐酸性气体的管道管尽早应用于实际。
5．结束语
由于全世界能源需求的增加，因此今后仍将继续开发天然气输送用管道管。可以说对管道管的高强度化和适应使用环境的各种特性要求也是今后的发展趋势。而且，为确保远距离输送管道管的安全性和可靠性，必须最大限度地注意所用管道管材质的稳定性。为适应上述要求，因此JFE钢公司采用先进的金相组织控制技术和最先进的钢板生产设备，开发了X100管道管、JFE－HIPER和高强度耐酸性气体管道管等。可以认为今后这些高强度管道管将发挥越来越重要的作用，稳定输送能源，从而为世界的发展做出贡献。
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