CN101343715B - 高强高韧x70厚壁无缝管线钢及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强高韧X70厚壁无缝管线钢，该钢种的组成元素的重量配比为：C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量。还提供一种轧制该无缝管线钢的制造方法。有益效果是采用微合金钢种，适合壁厚36mm以下的厚壁管线的生产，管体整体组织为均匀的贝氏体组织，碳当量低，焊接性能良好，低温冲击性能良好，满足深海或者其他寒冷天气对厚壁管线的要求，提高了管线的机械性能，提高水淬时对钢的淬透性，解决了倒棱机加工厚壁管的难题。

Description

高强高韧X70厚壁无缝管线钢及制造方法

技术领域

本发明属于冶金工业的无缝钢管制造技术，涉及一种适用于具有高强度和高韧性X70厚壁无缝管线钢及其制造方法。

背景技术

随着近海和深海油田的开发，大规格和厚壁管线的需求量正逐步增加。为了使得更远更深的油气输送到海岸，相应的管线要求长度更长和壁厚更大，因此管线不仅仅要求良好焊接性能，高的强度和高的韧性，也需要高的抗挤毁性能。达到高的的抗挤毁性能要求，一方面通过增加钢级来提高，另外一种方式就是提高壁厚来达到，对于管线而言，提高钢级不仅仅涉及到裂纹扩展的问题，还涉及可焊接性能的要求，因此，基于以上因素考虑，提高壁厚来满足深海对抗挤毁性能的要求不失为明智之举。能源需求刺激着石油天然气管线建设快速发展。为提高管道输送效率，降低能耗，减少投资和运营费用，长距离输送管线向高压、大口径、厚壁发展已成趋势。同时，从管线安全性和焊接施工等方面考虑，对管线用钢的强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性等性能不断提出了更高、更严格要求。

目前针对API 5L管线的设计制造方面的专利有X52，X60，X65，X70，X80，X100等钢级，但是这些专利基本都是针对的壁厚小于20mm的薄壁管线而言，而针对壁厚大于20mm，钢级高于X60的厚壁无缝管线专利还没有见到。冶金技术的进步和微合金化管线钢的发展，使生产具有高强度、高韧性、良好焊接性的厚壁管线钢成为可能，但是同时要满足大壁厚、高钢级、优良的焊接性能却有较大难度。如果采用调质处理，由于管线钢的碳当量的限制，加上壁厚超过20mm，一般而言对于壁厚大于20mm的管线钢都称为厚壁管线，淬火时冷却能力有限，很难保证心部组织与外表面一致，由此带来性能不合，冲击性能不好以及焊接性能不好等诸多问题，此外，由于厚壁管线大都是大外径，因此连铸和轧制工艺相对困难。并且对于厚壁管线，由于单根管重量往往超过倒棱机的设计范围，因此坡口加工一直也是难以解决的重要问题。随着海洋管线向越来越深的发展趋势，壁厚大于20mm的厚壁高钢级管线钢的需求量正逐渐增加。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高强高韧X70厚壁无缝管线钢及制造方法，满足开采深海油田的需要。通过该方法制造的无缝管线管能达到API 5L的X70钢级。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种高强高韧X70厚壁无缝管线钢，厚壁管线是指壁厚大于20mm的管线钢，此钢种壁厚达到36mm，其中：该钢种的组成元素的重量配比为：C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量；

所述厚壁无缝管管线钢的力学性能达到的指标如下：

屈服强度：≥483MPa

抗拉强度：≥565MPa

屈强比：≤0.90

夏比V型冲击韧性：-46℃纵向全尺寸夏比冲击功≥160J，

-46℃横向全尺寸夏比冲击功≥150J，

单个剪切面积≥80％，平均≥90％，

延伸率：≥20％，

晶粒度：8.5级。

还提供轧制高强高韧X70厚壁无缝管线钢的制造方法。

本发明的有益效果是使用该工艺方法具体表现在：1)采用微合金钢设计，适合壁厚36mm以下的厚壁管线的生产，管体整体组织均匀，为均匀的贝氏体组织，碳当量低，焊接性能良好，低温冲击性能良好，完全可以满足深海或者其他寒冷天气对厚壁管线的要求；2)连铸、穿孔和轧制工艺制定的合理，最大限度地提高了管线的机械性能；3)采用内喷外淋式淬火方式，大大提高水淬时对钢的淬透性，4)采用车丝机加工坡口，尺寸精度满足API 5L要求，解决了倒棱机加工厚壁管困难的问题。

具体实施方式

结合实施例对本发明的高强高韧X70厚壁无缝管线钢及制造方法加以说明。

本发明的高强高韧X70厚壁无缝管线钢，钢种组成元素的重量配比为C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量。

对主要组成成分选取理由如下：

碳：是传统的强化元素，具有成本低、调控敏感性好的优点。但含量偏高也有对钢的焊接性能、力学性能及抗氢致裂纹(HIC)性能产生负面影响的缺点。此外碳和钢的强度匹配关系也尤为重要，因含碳量的高低与钢的强度成正比关系，但钢的冲击韧性则明显降低，满足不了对钢高强度高韧性的要求。良好的焊接性能是输气管线所必需具备的性能，碳低则相应的焊接性能良好。综合考虑各方面的因素，碳含量控制在0.09～0.10％。

锰：在钢中以固溶强化作用为主。多年的科研和生产实践表明，在微合金结构钢中锰含量多少和强度成正比关系，其冲击韧性下降率较小，还不影响其脆性转变温度。美国石油协会标准API规定：X70管线钢锰含量不大于1.65％，以弥补碳含量降低造成的强度损失。根据管线钢技术要求，本设计的管线钢锰含量确定为1.20～1.30％。

铌：是本钢中重要微合金化元素。其提高强度的机理是细晶强化和沉淀强化，细化晶粒，提高强度但不降低改善钢的低温冲击韧性，通过析出物的钉扎作用，阻止奥氏体在轧制过程的晶粒长大。但铌降低钢的高温热塑性从而增加了含铌钢铸坯的热裂倾向。根据轧制钢管的需要，铌含量稳定在0.030％。

钛：钛可产生强烈的沉淀强化及中等程度的晶粒细化作用。钛的化学活性很强，易与钢中的C、N、O、S形成化合物。为了降低钢中固溶氮含量，通常采用微钛处理固定钢中的氮。TiN可有效阻止奥氏体晶粒在加热过程中的长大，起直接强化作用。在含Nb钢中加入微量的钛，可改善含Nb钢的热塑性，使产生裂纹的敏感性减小。本钢种研究采用微钛处理，钛含量控制在0.02％。

钒：钒在轧制过程中应变诱导析出的V(C，N)可阻止形变奥氏体的再结晶，并可阻止再结晶奥氏体晶粒的粗化，但这种作用随钢中氮含量的降低而减弱，普通氮含量的钒微合金钢在800℃以下温度会产生较为明显的沉淀强化作用。钒最重要的作用是在铁素体中大量沉淀析出而产生强烈的沉淀强化效果，即使在正火钢材中这一作用也十分明显。为此本钢种设计V的含量为0.04～0.05％。

钼：是本钢的主要合金元素，扩大奥氏体相区，推迟奥氏体向铁素体相变时析出铁素体形成，促进贝氏体的形成的主要元素，对控制相变组织起到重要作用，在向钢中加入0.20％的Mo后，即使在较慢的冷却速度下也可以获得明显的贝氏体组织，同时由于相变向低温方向转变，可以使得组织进一步细化。

铜镍：Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，由于厚壁管线的使用环境主要在海洋使用，加入铜可以提高合金钢的强度和耐腐蚀性，为了避免由于铜的偏聚引起的热脆现象，加入相应的Ni来减小Cu的偏聚。

此外，为了控制钢种的夹杂物，还进行了钙处理，为了提高钢的抗腐蚀性能和低温韧性，控制S≤0.010％，P≤0.015％，成品氮小于100ppm，成品氧小于30ppm，成品氢小于2ppm。

轧制高强高韧X70厚壁无缝管线钢的制造方法，其步骤包括有：

①配料冶炼、连铸

按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量。配料后经电炉或转炉炼钢，经LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，随后喂入Ti丝，随后上连铸平台进行连铸。

②轧制

检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1290℃，穿孔温度控制为1200～1250℃，终轧温度850～950℃，冷却，锯切。

③管加工

采用内喷外淋工艺调质，淬火后再回火的热处理工艺，淬火温度为920℃～940℃，淬火介质为水，回火温度在660～710℃，采用空冷；

所述厚壁无缝管线管的力学性能达到的指标如下：

屈服强度：≥483MPa

抗拉强度：≥565MPa

屈强比：≤0.90

夏比V型冲击韧性：-46℃纵向全尺寸夏比冲击功≥160J，

-46℃横向全尺寸夏比冲击功≥150J，

单个剪切面积≥80％，平均≥90％，

延伸率：≥20％

晶粒度：8.5。

以Ф273.10×36.00mm X70管线为例

1、配料冶炼、连铸

按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量。实际控制合金成分如下表1：

LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，随后喂入Ti丝，随后上连铸平台进行连铸，连铸圆坯直径Ф310mm。

表1化学成分

其中1^#：CE＝0.376，Pcm＝0.191，

2^#：CE＝0.387，Pcm＝0.201，

②轧制

检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1260～1280℃，穿孔温度控制为1200～1230℃，终轧温度920～940℃，然后冷床冷却，锯切。

③管加工

采用内喷外淋式工艺热处理，淬火后再回火的热处理工艺，淬火温度为920℃～940℃，淬火介质为水，回火温度660～710℃，采用空冷；最终产品性能测试结果如下表：

表2Ф273.1*36mm成品性能

其中平均断口剪切比为95％，单个剪切面积最小90％，硬度为HV10的数值。晶粒度为8.5级。

采用车丝机加工坡口，有效解决了倒棱机坡口加工能力不足的问题，测试结果表明坡口精度完全满足API 5L要求。

取成品管进行横向和纵向系列冲击：该钢种具有优良的低温冲击性能，横向FATT约为-65℃，相应冲击功为175J，纵向FATT约为-68℃，相应冲击功为225J。可以满足一般海底的低温要求。

本发明的管线钢性能完全满足X70钢级要求，内中外硬度均匀，组织均匀，为均匀的贝氏体组织。

根据本发明进行的实施实例，可以预计本发明在设备条件允许的情况下，生产操作较易进行，具有一定的推广应用的可能性。尤其近年来油价上涨较快，深海钻井油田的加速开发，极大的促进了厚壁管线的发展。由于海底钻井的深度更深和海底使用环境的严酷性要求，厚壁管线对钢材的性能提出了更严格的要求，在保证输送安全性的前提下，还要求更好的低温韧性和抗挤毁性能。因此，本发明的具有组织均匀，性能良好，焊接性能良好，低温冲击良好的厚壁X70无缝钢管具有较大的应用前景。

Claims (2)

1.一种高强高韧X70厚壁无缝管线钢，厚壁管线是指壁厚大于20mm的管线钢，此钢种壁厚达到36mm，其特征是：该钢种的组成元素的重量配比为：C：0.09～0.10％，Si：0.23～0.24％，Mn：1.26～1.27％，P≤0.012％，S≤0.010％，Mo：0.20％，Al：0.005～0.045％，Nb：0.03％，V：0.04～0.05％，Cu：0.15～0.16％，Ni：0.16％，Ti：0.02％，Cr：0.03％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其余为铁，杂质元素微量；

所述厚壁无缝管管线钢的力学性能达到的指标如下：

屈服强度：≥483MPa

抗拉强度：≥565MPa

屈强比：≤0.90

夏比V型冲击韧性：-46℃纵向全尺寸夏比冲击功≥160J，

                 -46℃横向全尺寸夏比冲击功≥150J，

                 单个剪切面积≥80％，平均≥90％，

延伸率：≥20％，

晶粒度：8.5级。

2.权利要求1所述的高强高韧X70厚壁无缝管线钢的制造方法，包括以下步骤：

①按所述管线钢的组成元素重量成分进行配料冶炼，电炉或转炉炼钢，经LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，随后喂入Ti丝，随后上连铸平台进行连铸；

②轧制

检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1290℃，穿孔温度控制为1200～1250℃，终轧温度850～950℃；

③管加工热处理

采用内喷外淋工艺调质，淬火后再回火的热处理工艺，淬火温度为920～940℃，淬火介质为水，回火温度660～710℃，采用空冷。