近年来，由于气候变化导致北极冰盖减少，北极地区油气资源的可达性显著提高，油气勘探开始向极地进发。据估计，北极未勘探油气资源可占全球未勘探油气资源的22％。其中，石油占全球未勘探石油的15％，天然气占全球未勘探天然气的30％，开发前景十分广阔。为有效开发极地油气资源，需研制可在极地严寒条件下服役的钢材。为此，加拿大萨斯喀彻温大学工程学院机械工程系的Ohaeri等^[1]于《Journal of Pipeline Science and Engineering》发表了《An overview on pipeline steel development for cold climate applications》（寒冷气候用管线钢开发概述）。文章总结了钢铁材料在北极地区所面临的服役环境，讨论了现有耐低温钢在研制生产过程中的成分设计、冶金及热加工工艺，并基于上述内容，提出了针对寒冷气候用钢的研发建议。

Ohaeri等^[1]指出，在北极地区，除低温环境外，钢铁材料还将面临－70~30 ℃的大范围温变、随时空变化的强风、季节性气候变化导致的循环温度及冰荷载、冻土导致的冻涨等诸多不利因素。为保障极地钢材的安全服役，参考海洋低温用钢的相关标准，在制造厚度较大的耐低温钢板时，应遵循以下基本原则：①板坯应具有高质量的宏观结构；②控制有益元素成分；③设法获取均匀的细晶微观结构。在此基础上，还需同时考虑设备及基础设施焊接的可靠性与经济性。为实现上述目的，在冶金过程中，碳、锰等合金元素的含量应限制在较窄的范围内，以减少不必要的偏析并提高可焊性；应尽可能降低非金属夹杂物及气体等杂质的含量，从而避免机械性能出现各向异性，必要时可采用稀土金属使夹杂物球化，以提高钢材在低温与静态、动态载荷条件下的性能。在热加工方面，应尽可能使用控轧控冷工艺，严格控制工艺参数，以期获得理想的组织、性能。随后，文章在管坯再加热、热变形、冷却、卷取及耐含钢的化学成分优化等方面进行了具体论述，特别指出添加适量的铌有利于在热加工过程中获得均匀、细小的晶粒，有助于提高钢铁在寒冷环境中的综合性能。

为研究钢在寒冷气候环境中的服役行为，文章对钢在寒冷气候下的机械响应进行了讨论。首先从“严寒天气将导致低碳钢强度与韧性降低”这一现象出发，强调了极地用钢应具有良好的低温韧性，并指出除加工参数及合金成分外，晶体织构也是影响低温用管道的机械性能的关键因素。在寒冷气候下，管道需同时承受极端环境（如风力、海浪等）与运行载荷，可能导致残余应力较高的区域萌生裂纹，但由于复杂钢结构中的焊缝众多，消除残余应力较为困难，因此，在评价极地用钢的机械性能时，应从止裂性能角度出发。低温将导致钢材的力学性能发生退化，该现象最常出现于焊缝的热影响区。为实现焊缝在低温下安全服役，焊接接头应尽可能选取以针状铁素体为主的金相组织，从而保证良好的拉伸性能。热处理、焊条选择、焊缝设计、焊接工艺、焊缝微观结构是延长焊缝使用寿命的5个关键要素，精确控制热量输入与合金化成分的先进焊接技术对于焊缝性能的改善具有重要意义。

钢在极地地区的腐蚀行为具有特殊性。在严寒条件下使用的材料，其腐蚀程度通常低于在高温地区使用的材料。但在北极，经济与研究活动主要集中在水域周边，附近常有富含氯化物的冰，由含盐冰导致的埋地钢材腐蚀现象不可忽视。Brigham等^[2]研究了金属材料在加拿大北极与亚北极地区的早期腐蚀行为，发现内陆及岛屿的平均金属损失率为2~5 μm/a；靠近北极海的其余位置腐蚀速率较高，为21~34 μm/a。可见，海水是加速金属腐蚀的重要诱因。除电化学腐蚀外，受寒冷气候影响，钢的机械性能在服役过程中可能会逐渐劣化。Nykyforchyn等^[3]将此类现象划分为机械硬化与缺陷积聚两个阶段，在服役初期，受机械硬化效应影响，钢的强度增大、塑性降低；随着时间推移，环境因素导致钢中的缺陷发生扩展与积聚，宏观上钢的机械性能降低。

最后，文章针对极地环境下管线钢的研发提出了“为使钢在极端低温下仍能保持良好的韧性，需精确控制化学成分与热机械加工参数”的建议，强调了可使用铌降低钢的韧脆转变温度；热轧过程中适度调整奥氏体可产生大量成核位点、促进相变时形成较小的铁素体晶粒，有利于提高成品钢的低温韧性。

· 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpse.2022.01.003