20世紀40年代末，由于受到冶金技術和加工工藝的限制，管道用鋼一直采用添加C 、Mn、Si來增加鋼材強度，這類普通碳素鋼的典型化學成分為：C：0.1~0.25%，Mn：0.4~0.7%，Si：0.1~0.5%，一定的S、P含量和殘存的其他元素。后來，又通過提高錳含量、降低C含量和加入少量合金元素（一般小于3% ），使C含量上限從0.25%降到0.2%，錳含量上限從0.7%增加到1.8%，得到低合金高強度鋼；和普通碳素鋼一樣，這類鋼均是以熱軋或正火狀態交貨，這類鋼稱為C+ Mn鋼，如：20#、 X42 、X46、X52；這類鋼的設計主要是滿足強度的要求。
隨著天然氣輸送壓力和管徑的增大，單純依靠增加C、Mn含量，通過固溶強化來提高鋼管的強度，會使管鋼的可焊性和韌性變差，不能滿足工程需要。
60年代末，煉鋼工業突破了傳統的C-Mn合金化加正火的生產工藝，在鋼中加入微量的Nb、V、Ti （不大于0.2%）等微合金元素，減少C含量，通過控軋、控冷（TMPC）等加工工藝，使鋼材的綜合性能得到了明顯的改善，這種鋼稱為微合金化高強度低合金鋼，從此管線鋼進入了微合金化加控軋、控冷生產的嶄新階段。
早期的微合金化鋼常常只含單一的微合金元素，如Mn-Nb鋼、Mn-V鋼、Mn-Ti鋼，后來發現，不同的微合金元素以及微合金元素與其他合金元素之間的相互作用，能賦予管線鋼更完善的性能，因此，出現了Mn-Nb-V鋼，如：X60 、X65鋼。
70年代末，在Mn-Nb系基礎上，研制出了Mn-Mo-Nb系微合金化高強度鋼，如X70、X80鋼。
隨著近海、極地管線等的使用需求，90年代末，開發了超低碳Mn-Nb-Mo-B-Ti系高強度鋼，如：X100、X120。
我國西氣東輸工程首次使用了X70的管線鋼，目前，多家鋼廠已試制成功X80 、X100管線鋼管。
目前油氣輸送朝著大口徑、高輸壓方向發展，要求管線鋼具有高強度、高韌性和良好的焊接性能，使得管線鋼的開發也向著超低碳和少量多元合金化方向發展。
化學成分是決定鋼管力學性能的重要因素之一，下面簡單介紹幾種主要化學成分在鋼管中的作用。
碳（C）：是提高鋼材強度的主要來源，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，鋼材的焊接性能變壞。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大C含量，根據不同鋼級，范圍為：C≤0.12 ~ 0.24% 。
錳（Mn）：錳是作為降低C含量，增加鋼材強度的主要元素。Mn能降低相變溫度、改變微觀組織，細化晶粒尺寸，通過固溶強化、晶間強化和相變強化作用，提高鋼的強度和硬度，如16Mn鋼比A3屈服強度高40%。錳還能降低韌脆轉變溫度，提高鋼材的韌性。
在煉鋼中，錳是良好的脫硫劑和弱脫氧劑，它與S形成MnS ，消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼的冷脆傾向 ，提高鋼的淬透性。 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％。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大Mn含量，根據不同鋼級，范圍為：Mn≤1.2~1.8%
硅（Si）：碳素鋼中加入硅，能細化晶粒，提高鋼的強度、硬度。硅含量過多，會降低鋼的塑性、韌性和焊接性能。 在煉鋼過程中，硅是還原劑和強脫氧劑，所以鎮靜鋼一般含有0.15－0.30%的硅。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大Si 含量，根據不同鋼級，范圍為：Si≤ 0.4~0.45%。
磷（P）：管線鋼中，磷是有害元素，它降低鋼的塑性和韌性，增加冷脆性，使焊接性能、冷彎性能變壞。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大允許P含量為：P≤0.025%。
硫（S）：硫也是有害元素。它使鋼產生熱脆性和分層，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時易造成裂紋；硫對鋼的焊接性能也不利。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大S 含量：S≤0.015%。
鈮(Nb)：在控軋控冷工藝中，它具有顯著阻止奧氏體晶粒長大、延遲奧氏體再結晶、細化組織晶粒的作用以及中等沉淀強化作用和較好降低韌脆轉變溫度的作用。它能提高鋼的強度和韌性，但它對阻止焊接熱影響區晶粒長大，改善熱影響區沖擊韌性的作用不明顯。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鈮含量：Nb≤0.05%。
釩(V)：在控軋控冷工藝中，它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。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大釩含量，根據不同鋼級，范圍為：V≤0.04~0.1%；且L360以下鋼級的Nb+V≤0.06%。
鈦(Ti)：在控軋控冷工藝中，它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，它能提高鋼的強度和韌性，還能改善硫化物分布形態；它對焊接熱影響區的韌性具有獨特的貢獻，它能降低鋼的焊接熱影響區裂紋的敏感性，改善焊接性能，但Ti含量過大，會形成大量TiC質點，反而降低韌性。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鈦含量：Ti≤0.04%，同時規定，L415以上鋼級Nb+V+Ti ≤0.15%。
鉬(Mo)：它具有抑制塊狀鐵素體形成，促進針狀鐵素體轉變，進一步細化晶粒的作用；它還能降低韌脆轉變溫度，提高Nb的沉淀強化效果，因此，它能提高鋼材的強度和韌性。
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，即屈服強度下降的現象）所引起的強度損失。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鉬含量，根據不同鋼級，范圍為：Mo≤0.15~0. 5%。
鎳(Ni)：鎳在鋼中的相變行為與Mo相似，能降低鋼材的相變溫度，改善微觀組織，細化晶粒，提高鋼材的強度，而又保持良好的塑性和韌性。它還能提高鋼的抗腐蝕能力。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鎳含量，根據不同鋼級，范圍在：Ni≤0.3~0.5%。
鉻（Cr）：顯著提高鋼的強度、硬度，但它也顯著提高鋼的脆性轉變溫度，使韌性下降；鉻還能提高鋼的抗氧化性能和抗腐蝕性能。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大鉻含量，根據不同鋼級，范圍在： Cr≤0.3~0.5%。
銅(Cu)：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。它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，鋼材的塑性會顯著降低；對焊接性也有影響。
GB/T9711中PSL2鋼管的最大銅含量： Cu≤0. 5%。
為了評價鋼材的焊接性能和焊接冷裂紋傾向，可以簡單地用碳當量來衡量。碳當量越大，其焊接性能越差，淬硬傾向和冷裂紋傾向越大。
當ＣEIIW ≤0.35%， 鋼材焊接性能優秀。
當ＣEIIW =0.36-0.40 %，鋼材焊接性能良好。
當ＣEIIW =0.41-0.45 %，鋼材焊接性能尚可，
當ＣEIIW =0.46-0.50 %，鋼材焊接性能較差，冷裂紋的敏感性將增大，焊前需適當預熱以及采用低氫型焊接材料 。
當ＣEIIW ≥0.5%，焊接性能很差，屬于難焊接的材料，需采用較高的預熱溫度和嚴格的焊接工藝方法。
對于碳素鋼，決定碳當量的主要元素是碳含量；對于低合金鋼，除碳含量以外，各種合金元素對鋼材的可焊性也起著重要作用。為了準確表達各種合金元素對鋼材可焊性的影響，將鋼鐵中各種合金元素折算成碳當量，然后把各元素的碳當量相加，作為鋼材總的碳當量。
每一種元素碳當量的折算值用1/X表示，X是根據大量試驗數據統計得來，一般為正整數。
同一種元素，在不同的碳當量計算法中，由于不同的研究者，得到的X值也不相同。
GB/T9711標準的碳當量計算公式為：
CEIIW=C+ Mn /6+（Cr + Mo+ V ）/5+（Ni +Cu）/15
CEPCM=C+ Si/30+（Mn+ Cu + Cr）/20+ Ni /60+ Mo/15+ V /10+5B
通常：CEIIW稱為碳當量
CEPCM稱為冷裂紋敏感系數
GB/T9711標準規定：當C＞0.12%時，采用CEIIW；C≤0.12%時，采用CE Pcm，其主要原因是：CEIIW計算公式，只考慮了C、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、V七種元素對碳當量的影響， 同時，它對Ni和Cu， Cr、Mo和V采用相同的系數,相對比較粗略,在C含量大于0.12%時，能準確地反映鋼材的焊接性能。
由于管線鋼制造技術的進步，隨著碳含量的大大降低和多種合金元素的添加，過去在碳含量較高時推出的CEIIW計算公式，由于沒有考慮碳含量的變化和其余合金元素的影響，已不能準確反映鋼材的焊接性能。
CEpcm計算公式除了考慮以上七種元素之外，還考慮了Si、B的影響，這對于更高鋼級可能添加B的材料是很重要的。同時，CEpcm計算公式是經過詳細研究各種元素對焊接性能的影響后，對Ni、Mo和V確定了不同的系數，因此，對于Ni、Cu、Cr、Mo、V含量較高的鋼種，采用CEpcm計算公式能更為準確反映鋼材的焊接性能。
