從表1.1不同鋼級管線鋼合金體系可以看出，X42～X120級管線鋼主要化學成分有C、Mn、Si、Ni、Cu、Cr、Nb、V、Ti以及N、S、P、H、O等雜質元素，下面就這些化學元素在管線鋼中的作用進行簡述。
1.1.2.1 常用元素
◎ 碳(C)和碳當量(Pcm)
碳是提高管線鋼強度的主要來源，也是最廉價的元素，隨著碳含量增加，屈服強度和抗拉強度升高，但塑性和沖擊韌性降低，焊接性能下降。當碳含量超過0.23%時，管線鋼的焊接性能會急劇惡化。所以GB/T 9711、API 5L和ISO3183中對管線鋼的最大碳含量范圍做了明確規定，范圍為0.10～0.24，并且鋼級越高，允許的碳含量越低，見圖1.1。
圖1.1 管線鋼不同級別碳含量和發展[2]
低合金鋼中除碳以外各種合金元素對鋼材的強度與可焊性也起著重要作用，為便于表達這些材料的強度性能和焊接性能，可通過大量試驗數據的統計，簡單地以碳當量來表示，因此碳當量公式是經驗公式，可以簡便計算出每個元素對硬度或淬透性的影響，以及氫致延遲斷裂的風險。當C含量遠小于0.1%時，國際焊接協會(IIW)給出的傳統的公式(即1.1)變得不可靠或太保守了。目前對于高強度管線鋼的訂貨條件，通常都采用碳當量公式計算(即1.2)。在這些按重量計算的公式中，低碳鋼中由于碳含量降低導致淬透性降低，合金元素如Mn、Cr對于硬度的影響很小。在厚壁為X70和X80～X100管線鋼中碳含量基本都小于0.05%，合金元素的總量如Mn、Cr、Cu、Ni和Mo普遍都在2%～3%，甚至更高。
◎ 錳(Mn)
錳元素在管線鋼中是作為降低C含量，增加鋼材強度的主要元素。錳元素的添加起到降低相變溫度、改變微觀組織、細化晶粒尺寸、固溶強化、晶間強化和相變強化的作用。錳還能降低鋼的韌脆轉變溫度，提高鋼材的韌性。另外，在煉鋼過程中，錳元素也是良好的脫硫劑和弱脫氧劑，它易于與鋼水中的S形成MnS夾雜物，從而消除硫、氧有害元素對鋼材的熱脆影響，改善鋼的冷脆傾向，提高淬透性。但是錳含量過高，會導致鋼坯內發生錳的偏析，降低鋼材的焊接性能。
管線鋼中的錳含量一般控制在1.1%～2.0%范圍。根據不同鋼級，GB/T 9711規定了管線鋼中的最大錳含量范圍為Mn≤1.2%～1.8%，標準中還規定C、Mn含量的增減原則，即最大碳含量每降低0.01%，允許錳含量比規定的最大值增加0.05%，對于L245～L360鋼級，錳含量不超過1.65%;對于L360～L485鋼級，錳含量不超過1.75%，對于L485～L555鋼級，錳含量則不超過2.00%。
◎ 硅(Si)
在煉鋼過程中加硅是作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼中一般含有0.15%～0.30%的硅。如果鋼中的含硅量超過0.50%～0.60%，硅就算合金元素了。硅能夠顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度，故廣泛用于彈簧鋼中。在調質結構鋼中加入1.0%～1.2%的硅，強度可提高15%～20%。硅和鉬、鎢、鉻等元素結合運用，可有效提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。但如果硅含量過多，會降低鋼的塑性、韌性和焊接性能。
GB/T 9711對PSL2管線鋼的最大Si含量規定范圍為Si≤0.4%～0.45%。API 5L和ISO3183規定管線鋼最大Si含量≤0.45%，而實際管線鋼中硅含量小于0.30%。
◎ 鉬(Mo)
鉬元素在管線鋼中具有抑制塊狀鐵素體形成，促進針狀鐵素體組織轉變，進一步細化晶粒的作用。鉬元素可以降低韌脆轉變溫度，從而提高Nb元素的沉淀強化效果。Mo還具有補償因包辛格效應(在金屬塑性加工過程中正向加載引起的塑性應變強化導致金屬材料在隨后的反向加載過程中呈現塑性應變軟化現象，即屈服強度下降的現象)所引起的強度損失。
GB/T 9711、API 5L和ISO3183管線鋼中Mo范圍為0.15%～0.50%，實際L555以下級別鋼中Mo含量一般小于0.30%。
◎ 鉻 (Cr)
鉻在管線鋼中可單獨使用，還可以與0.15%Ni，或0.12%Mo復合使用，可在鋼中生成一定量的馬氏體/奧氏體(M/A)相。這會降低拉伸試驗的Luders延伸，從而減少制管過程中因Bauschinger效應產生的強度損失。近幾年，X70和X80管線鋼的合金設計普遍采用的做法是添加0.35%Cr代替Mo元素，降低鋼的成本。鉻元素的強化機理與鉬元素略有不同，它促進MA島的生成，而非針狀鐵素體或貝氏體。然而，當Cr與軋制后強加速冷卻結合時同樣可以得到針狀鐵素體/貝氏體組織。另外，管線鋼中添加一定量的Cr元素，可以提高管線鋼耐酸腐蝕性能。
與錳元素相比，鎳和銅可以縮小δ鐵素體的相變溫度范圍，而鉻擴大δ鐵素體相變的溫度范圍和增加連鑄坯在高溫δ相區的停留時間，該區的擴散速率高于奧氏體區。
◎ 鎳 (Ni)
鎳添加在管線鋼中可以提高鋼的強度和低溫韌性，細化鐵素體晶粒。當所有其他因素(晶粒尺寸和析出強化)固定時，鎳是唯一能夠改善沖擊韌性(DWTT， CTOD和夏比沖擊值)的元素，因為它能夠促進變形過程中交叉滑移，這能夠降低大應變時位錯塞積的效力，從而達到改善韌性的作用。另外，鎳能夠用于減輕殘余元素或有意加入的銅對熱脆性的有害影響，而且與鉻一起加入時促進管線鋼中MA島的生成。 在酸性(H2S)條件下，鎳元素具有降低鋼吸氫速率的作用，但是由于與銅或銅-鎳復合相比成本較高較貴，為此很少單獨使用它。此外，鎳元素還可起到一定的固溶強化作用。
◎ 銅 (Cu)
管線鋼中添加適量的銅，可顯著提高管線鋼的抗腐蝕能力和抗氫致開裂的能力。銅能有效地防止氫原子滲入鋼中，減少平均裂紋長度。當銅含量超過0.2%時，還能在鋼的表面形成致密保護層，顯著降低HIC和鋼板的平均腐蝕速率，使平均裂紋長度接近零。銅還會降低相變溫度，提高鋼材的強度和韌性。但是，當銅含量超過0.5%時，鋼的塑性會顯著降低，對焊接性也有影響。
銅通常是因為廢鋼帶入或因H2S服役條件而有意加入鋼中。在高熱量輸入焊接條件下(厚壁DSAW管線)，使用0.12%～0.17%的銅和相同數量的鎳可有效改善HAZ區的韌性。當加入銅改善抗HIC性能時，pH降到約4.6，這時所需的最小量在0.22%～0.26%范圍內，典型的最大值為0.30%。在中等pH水平下，銅起到降低氫吸入和滲透率的作用，圖1.2顯示了Cu降低裂紋的傾向。
值得一提的是，由于銅能夠導致軋制過程中的熱裂，單獨使用銅是比較冒險的。因此，通常要向酸性條件下服役的銅合金化管線中加入0.12%～0.15%Ni。當用銅降低中等pH水平下的氫滲透率時，要注意鉬的加入會毒害這個有利作用(圖1.3)。因此，可選用其他方法(例如利用Cr和Nb復合加入)獲得所需的強度。目前，還有一些基于銅析出強化的系列鋼種，例如ASTM A707 或 A710等所謂的Ni-Cu-Nb系列鋼。這些鋼含0.90%～1.30%Cu和相應匹配數量的鎳。但是，由于這些鋼的成本高并且需要時效或回火獲得ε-Cu析出相，所以這些鋼近來還沒有被用于管線鋼強度水平(可能除X120外)。不過，銅時效鋼已經用于北極寒冷地區以及海洋用于關鍵連接器等裝置及重型鍛件上了。
圖1.2 Cu對NACE溶液試驗中氫滲透速率的作用[3]
圖1.3 Cu和近乎對逐步裂紋的影響[3]
1.1.2.2 微合金元素
◎ 鈮(Nb)
Nb元素是低合金管線鋼中普遍添加的微合金元素，從X52～X120鋼級都添加了不等含量的Nb元素，并且鋼級越高，添加Nb元素的含量越高。添加適量的Nb元素可提高管線鋼的強韌化性能。在控制軋制和控制冷卻過程中，Nb具有顯著阻止奧氏體晶粒長大、延遲奧氏體再結晶、降低韌脆轉變溫度的作用，從而起到細化晶粒的作用。熱軋后，Nb與鋼中的C、N元素形成納米尺寸的Nb(C，N)粒子沉淀析出，起到析出強化的作用。Nb元素能夠顯著降低奧氏體-鐵素體相變溫度。
但是，隨著管線鋼熱機械控制軋制(TMCP)工藝的發展和碳含量大幅降低，當屈服強度提高到X80(551MPa)甚至更高時，低碳的奧氏體相變為細晶粒多邊形鐵素體、針狀鐵素體或貝氏體，都有著優越的韌性。在現代冶金條件下，根據C含量、軋制工藝不同，有時Nb含量提高到0.10%或0.11%(數據來自加拿大標準CSA Z245)，隨著管線鋼管強度等級和壁厚的增加，需要添加其他的化學成分，補償其強度水平。包括V、Mo、Cr等合金元素。
◎ 釩(V)
釩元素主要用于制造高速切削鋼及其他合金鋼。把釩摻進鋼里，可以制成釩鋼。釩鋼比普通鋼結構更緊密，韌性、彈性與機械強度更高。釩在管線鋼中的作用與Nb和Ti元素非常相似，可以形成V(C，N)沉淀相，V通過形成彌散的碳化物和氮化物來強化基體，曾經出現過以V替代Nb元素添加到管線鋼中。但是，由于V在熱軋過程中不易析出而且延遲回復和再結晶的效果較差(圖1.4)，大大降低了在TMCP工藝中晶粒細化的效果。
在控軋控冷工藝中，釩具有顯著降低韌脆轉變溫度、較強的沉淀強化和較弱的細化晶粒作用，它能提高鋼的強度和韌性。煉鋼中，釩是優良的脫氧劑，釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高鋼材的抗腐蝕能力。一般管線鋼成分設計中不單獨使用V。
圖1.4 管線鋼中再結晶停止溫度隨固溶的合金元素的增加而提高[4]
◎ 鈦(Ti)
Ti元素與Nb元素一樣是管線鋼中普遍添加的微合金元素，Ti元素添加量大大低于Nb元素的添加量，一般控制在0.030%以下，通常為0.015%。在TMCP工藝中，鈦具有顯著的沉淀強化作用、中等晶粒細化作用和較弱降低韌脆轉變溫度的作用，它能提高管線鋼的強度和韌性，還能改善硫化物在鋼中的分布形態。另外，鈦元素能夠抑制焊接熱影響區晶粒粗化，能降低焊接熱影響區裂紋的敏感性，改善焊接接頭的沖擊韌性。但如果鋼中Ti含量過大，極易與鋼中的碳元素結合，會形成大尺寸TiN質點，反而降低韌性。煉鋼中，Ti也是優良的脫氧劑。
另外，鈦元素與鋼中的氮元素具有很強的親和力，當超過溶度積時甚至會在鋼水中析出TiN顆粒。研究表明當鋼中氮含量低于0.008%時，最適宜的Ti含量為0.008%～0.015 %。在這個范圍內，管線鋼焊接熱影響區的韌性可明顯的改善，連鑄過程中的橫向裂紋也會得到消除。當Ti或N的含量高于此值時，首先生成在光學金相顯微鏡下即可見的立方形TiN顆粒，對HAZ區韌性和CTOD性能都會造成強烈的損害。含量更高時(0.03%～0.08%Ti)則會導致大量的碳化鈦生成，盡管能起到一定量地強化作用，但是以損失沖擊韌性為代價的，見圖1.5和圖1.6。
圖1.5 Ti和N含量對夏比沖擊韌性的影響[3]
圖1.6 Ti對-20℃HAZ區CTOD韌性的影響[3]
1.1.2.3 有害雜質元素
◎ 硫(S)
硫在管線鋼中屬于有害元素，因為硫容易使鋼產生熱脆行和分層，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時容易造成裂紋，硫對鋼的焊接性能也不利。管線鋼中，硫是影響鋼材抗HIC能力的主要因素，當硫含量低于0.002%時，抗HIC性能明顯增加。在GB/T 9711、API 5L和ISO3183相關標準中，規定常規管線鋼中最大硫含量小于0.015%，而酸性環境用鋼管中的硫含量需小于0.003%。而實際生產控制中，普通X65以下管線鋼中最大硫含量均小于0.010%，而X70以上級別最大硫含量小于0.006%。而耐酸管線鋼中的最大硫含量都在0.002%以下。
另外，硫極容易和錳結合，形成長條狀的MnS夾雜物，MnS夾雜容易偏析在壁厚1/2處，導致鋼板在加工時分層開裂。在管線鋼中需要高的夏比沖擊功來防止塑性裂紋擴展，所以降低S含量使其小于0.010%是正常的?？墒?，就算是這么低的S，由于MnS夾雜物塑性拉長，缺口韌性仍有獨特的方向性。因此習慣上管線鋼冶煉時用鈣化處理工藝，使S優先與添加的Ca結合形成球狀硫化鈣夾雜物，也就是常說的夾雜物球化，見圖1.7。而對于最高強度級別的鋼，或在酸性條件下服役的管線鋼，既需要用Ca處理也需要進一步降低S含量到0.003%以下。
圖1.7 鈣化處理前后管線鋼中硫化物形態
◎ 磷(P)
管線鋼中的P元素也是非常有害的雜質元素，由于磷在冶煉澆鑄時極易在鋼中形成磷偏析，如果磷偏析與錳偏析集中發生，管線鋼的加工性能會大大削弱。檢測表明，連鑄坯中心的P偏析含量可能達到鋼中添加P含量的10倍或更高。另外，C的活性受P含量的影響很大，鋼中P含量的增加，將急劇降低C含量的作用。另外，管線鋼中P的富集或偏析，使管線鋼中形成帶狀組織，并且導致鋼中形成硬質MA島，帶狀組織出現和MA島集中偏聚，將使管線鋼很難獲得在酸性環境下(H2S+CO2)的良好耐蝕性能。一般在非酸性環境用管線鋼中的P含量應限制在0.02%以下，而具有耐酸性腐蝕環境中(抗HIC)應用的管線鋼中P含量要求在0.01%以下。此外，P對管線鋼焊接接頭HAZ區性能也有顯著影響，同時降低CTOD性能，對環焊缺陷容限有害。P元素在鋼熔煉過程中比較難消除，管線鋼生產中除磷通常采用鐵水預處理深脫磷，然后是LF爐外精煉脫磷，如果要把磷含量控制在0.001%以下，則需要特殊的雙擋渣脫磷工藝，或者采用專門的脫磷爐才能做到，而實際情況是國內很多大型鋼廠沒有專用的脫磷爐。
◎ 氮(N)
氮在管線鋼中也是有害元素，鋼中的氮主要來自電爐冶煉時采用鋁造渣的泡沫渣中或被污染的鐵合金如FeMn、FeCr或FeSi中。氮的危害主要有：(a)在連鑄過程中形成AlN或NbN的氮化物，這種氮化物增加了連鑄時連鑄坯形成橫向裂紋的趨勢;(b)如果N不能與微合金元素Ti結合形成TiN，則降低鋼的HAZ區韌性;(c)增加了應變時效硬化趨勢從而降低缺口韌性;(d)與Nb親和力很強，在熱軋過程中形成高溫NbN，從而降低了強化效果。
管線鋼標準一般要求熔煉成分中的N含量不高于80ppm，這樣鋼中的N可跟Ti結合，優化的Ti含量為0.009%～0.015%，從而降低了N的活度在可接受的范圍內。推薦的N含量對于高爐-轉爐煉鋼是能穩定達到的，但對于用廢鋼冶煉的電爐工藝則比較困難。那么可以用直接還原鐵(DRI)來取代部分廢鋼緩解這個缺點，同時也可采用真空處理和在澆鑄時用氬氣保護鋼水來緩解。
