我国天然气管线技术的发展是要将干线单管输送能力提高1.5倍以上,由300亿m3/a增加至450~500亿m3/a,为此,需要提高输气压力并增大管道口径,相应要求管材提高钢级和规格。一种最佳设计方案是采用12 MPa的输送压力及外径1422mm×壁厚16.0~27.4 mm的X90钢管。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。为此,本文围绕高性能X90管线钢,系统研究了TMCP工艺参数与管材组织和力学性能之间的影响规律及相关性,侧重分析了管材在不同终轧温度时的强化机制;研究了焊接热输入参数对粗晶热影响区微观组织和冲击韧性的影响规律,探明了控制冲击韧性的组织单元。在工艺优化的基础上,进行了工业试制及试制钢管环焊工艺试验评价,为X90管线钢的工业化生产及应用奠定了基础。采用Gleeble-3500试验机模拟了坯料加热及粗轧工艺过程,研究了X90试验钢在1100~1250°C加热、以0.1 s-1的应变速率经25%~50%粗轧变形、轧后待温1~30 s时,形变奥氏体晶粒形态及尺寸的演变规律。结果表明:X90钢在粗轧变形量≥30%时,形变奥氏体完全再结晶;再结晶晶粒随加热温度升高,因Nb的不断固溶而长大;随粗轧变形量增大,因形核率增加而细化;随待温时间延长而长大,其长大过程受扩散控制,符合经典的Johnson-Mehl-Avrami(JMA)动力学关系。X90钢在经1200°C坯料加热且经1050°C变形30%以上粗轧时,可获得较为均匀细化的再结晶晶粒。采用Gleeble-3500试验机模拟了粗轧及精轧阶段相邻两道次变形过程,分析了变形温度、变形量和道次间隔时间对X90试验钢形变奥氏体静态再结晶的影响规律。结果表明:X90钢随变形温度的升高、道次间隔时间的延长,静态再结晶体积分数增加,静态软化程度和再结晶晶粒的均匀性提高。1000°C变形时,相当数量的Nb保持固溶,其溶质拖拽作用延缓静态再结晶过程;950°C变形时,大量细小而弥散的含Nb粒子析出,其强烈的钉扎作用显著抑制静态再结晶过程。X90钢适宜的两阶段控轧工艺窗口是在≥1050°C完成粗轧,在≤950°C开始精轧。采用Gleeble-3500试验机模拟了两阶段控轧+控冷工艺过程,研究了精轧阶段终轧温度(850~790°C)、开冷温度(800~740°C)和终冷/返红温度(500~350°C/530~380°C)对X90试验钢微观组织、常温拉伸性能和-20°C冲击性能的影响规律。结果表明:X90钢经控轧冷后,形成由准多边形铁素体(QPF)、粒状贝氏体铁素体(GBF)、板条贝氏体铁素体(LBF)和马氏体/奥氏体(M-A)岛构成的混合组织。随终轧温度降低,QPF减少、BF增多;因位错密度增加,基体组织因形核率提高而显著细化,另一方面,促进碳向高温奥氏体的扩散而使冷却后M-A岛的数量增多、但更为细小,同时,促进高温碳氮化物析出而使大、小颗粒子所占份额增加或减少。由此,总体上使屈服强度、冲击功和屈强比均提高,但均匀延伸率降低。随开冷温度降低,QPF和GBF增多,LBF减少,位错密度相应降低,基体组织先略有细化(780°C开冷)后逐渐粗大;因在高温阶段,碳向奥氏体的扩散增加而使冷却后的M-A岛增多且尺寸增大,且析出增加而使大/小颗粒子所占份额增加/减少。由此,总体上使屈服强度降低,屈强比和均匀延伸率先略升高(780°C开冷)后降低,冲击功先略升高(780°C开冷)后下降。随终冷温度降低,QPF和GBF减少,LBF增多,位错密度相应增加,组织发生细化,M-A岛和析出粒子减少,因此,总体上使屈服强度、屈强比和冲击功均提高,均匀延伸率降低。X90钢获得强度、塑性和韧性良好匹配的TMCP优化工艺目标控制参数是:终轧温度810°C、开冷温度780°C、停冷温度400°C。采用Gleeble-3500试验机模拟了环焊粗晶热影响区(CGHAZ)的焊接热循环过程,研究了焊接热输入(30~60 kJ/cm)对X90管线钢CGHAZ微观组织和冲击性能的影响。结果表明:X90管线钢焊接CGHAZ形成由GBF、LBF和M-A岛构成的混合组织。随热输入减小,GB和M-A岛减少、LB增多,原奥氏体晶粒(PAG)细化,贝氏体Packet和Block的尺寸相应减小。由此,-20°C冲击功提高,冲击样断口中解理面的尺寸减小,冲击韧性显著改善。贝氏体packet结构与冲击断口解理面的尺寸相当,能有效阻止裂纹的扩展,是X90管线钢焊接CGHAZ冲击韧性最有效的组织控制单元。基于上述实验室研究结果,开展了超高强度X90管线钢的单炉、小批量及第二轮单炉试制,完成了制管、钢管环焊试验及综合力学性能试验评价。结果表明,X90管线钢的微观组织为均匀细小的QPF+GBF+LBF+M-A组织,钢卷、钢板及OD1219mm×16.3 mm钢管的各项力学性能和环焊性能均满足中石油技术标准要求。