早期的管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢,在冶金上侧重于性能,对化学成分没有严格的规定。自60年代开始,随着输油、气管道输送压力和管径的增大,开始采用低合金高强钢(HSLA),主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分:C≤0.2%,合金元素≤3~5%。随着管线钢的进一步发展,到60年代末70年代初,美国石油组织在API 5LX和API 5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢。这种钢突破了传统钢的观念,碳含量为0.1-0.14%,在钢中加入≤0.2%的Nb、V、Ti等合金元素,并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年,API标准又相继增加了X70和X80钢,而后又开发了X100管线钢,碳含量降到0.01-0.04%,碳当量相应地降到0.35以下,真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。
我国管线钢的应用和起步较晚,过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。“六五”期间,我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢,并成功地与进口钢管一起用于管线敷设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢,并在涩宁兰管道工程上得到成功应用。
管线钢的主要力学性能为强度、韧性和环境介质下的力学性能。
钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的。输气管线选材时,应选用屈服强度较高的钢种,以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越好。屈服强度太高会降低钢的韧性。选钢种时还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系—屈强比,用以保证制管成型质量和焊接性能。
钢在经反复拉伸压缩后,力学性能会发生变化,强度降低,严重的降低15%,即包申格效应。在定购制管用钢板时必须考虑这一因素。可采取在该级别钢的最小屈服强度的基础上提高40-50MPa。
钢材的断裂韧性与化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有关。应尽可能降低钢中C、S、P的含量,适当添加V、Nb、Ti、Ni等合金元素,采用控制轧制、控制冷却等工艺,使钢的纯度提高,材质均匀,晶粒细化,可提高钢韧性。采取方法多为降C增Mn。
管线钢在含硫化氢的油、气环境中,因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生氢致裂纹开裂。因此输送酸性油、气管线钢应该具有低的含硫量,进行有效的非金属夹杂物形态控制和减少显微成份偏析。管线钢的硬度值对HIC也有重要的影响,为防止钢中氢致裂纹,一般认为应将硬度控制在HV265以下。