CN101649425B

CN101649425B - 低裂纹敏感性高韧性x120管线钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101649425B
Application number: CN2009100639052A
Authority: CN
Inventors: 郭斌; 郑琳; 徐进桥; 刘静; 贾娟; 董中波
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp; Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp; Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-09-08
Also published as: CN101649425A

Abstract

本发明公开了一种低裂纹敏感性高韧性的X120级管线钢及生产方法。其成分设计(wt％)：C：0.07～0.08，Mn：1.5～1.7，Si≤0.5，P：≤0.018，S：≤0.0020，Ti：0.01～0.02，Nb：0.04～0.11，V≤0.08，B≤0.0030，Als：0.01～0.04，Mo：0.1～0.40，Ni：0.3～0.5，Cu≤0.40，Cr≤0.30，其余为Fe及不可避免的夹杂；并满足公式：Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4及Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B ≤0.23；其步骤：冶炼；将连铸坯加热至1100～1250℃；粗轧并控制结束温度在1000～1100℃；精轧并控制结束温度在800～900℃；钢板停留10～60秒；冷却，终冷温度为≤450℃。本发明加入合金含量少、成本低、钢板的裂纹敏感性低、并宜于大规模生产。

Description

低裂纹敏感性高韧性X120管线钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及石油天然气管道用钢及生产方法，具体属于低裂纹敏感性高韧性的X120级管线钢及其生产方法。

背景技术

为节省管线工程的建设投资、降低运输费用，采用高强度等级的管线钢更加经济合理。随着管道输送压力的提高，对管道用钢可靠性的要求也越来越高，即要求具有高强度、高的低温止裂韧性以及良好的焊接性能。目前X70、X80管线钢已开始大规模应用于各石油天然气输送管道工程中，但其管线建设和运行成本较高。人们为了进一步降低管线建设和运行成本，研发X100和X120级管线钢，则成为目前国内外管线钢领域的开发热点。

随着X80级管线钢被逐渐应用在石油天然气输送管道工程中，X100、X120级管线的前期开发工作在日本、德国、韩国、加拿大、中国等国陆续展开。1993年美国埃克森美孚石油公司与日本新日铁和住友金属合作首先开始X120管线钢的开发工作，并于2004年采用新日铁生产的外径914mm、壁厚16mm的X120钢管建设了世界上首条1.6km长的X120管线示范段。目前国外埃克森美孚石油公司、日本住友金属、新日铁和韩国浦项分别申请了X120级管线钢的专利，国内仅有宝山钢铁公司于2006年底宣布X120管线钢试制成功，于2007年与华北石油钢管厂合作，完成了制管评价，并分别申请了X120管线钢和X120管线钢所制直缝埋弧焊管的专利。

国内外目前仅有的几家具备X120级管线钢试生产能力的厂家在X120钢的化学成分设计上多采用低碳/超低C-高Mn-Nb(V)-Ti系，同时添加高Mo(0.2～0.8％)、Cr(0.3～1.0％)、Ni(0.5～2.5％)和Cu、B等合金元素，成本很高，对碳当量Ceq和Pcm值没有明确要求(新日铁、NKK、POSCO、IPSCO、宝钢)或要求较高(埃克森美孚石油公司：Ceq≤0.7，Pcm≤0.35；JFE：Ceq≥0.32；住友金属：0.27≤Pcm≤0.30)，裂纹敏感性较高，且生产工艺上多采用低温开轧、低温终轧或两相区终轧、轧后加速冷却(冷却速度22～32℃/s)，高温回火或热轧态交货，生产工艺对设备能力和控制精度非常严格，不利于大规模生产控制。

现有X120级管线钢的试制生产工艺采用高Mo、Cr、Ni合金设计，不仅成本高，且由于合金含量加入高，裂纹敏感性较高，冲击韧性难以达到很高水平，且采用低温开轧、低温终轧或两相区轧制，对设备能力要求非常苛刻、轧后冷却速度控制精度要求高，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于为了解决X120级管线钢合金成分设计高、生产工艺控制要求严格不利于大规模生产的问题，提供一种加入合金含量少、成本低、生产工艺简单、钢板的裂纹敏感性低、具有超高强度和高韧性、并宜于大规模生产的低裂纹敏感性高韧性X120级管线钢及其生产方法。

实现上述目的的技术方案：

低裂纹敏感性高韧性X120级管线钢及其制造方法，其特征在于：该钢采用的成分设计(wt％)为：C：0.07～0.08，Mn：1.5～1.7，Si≤0.5，P：≤0.018，S：≤0.0020，Ti：Ti：0.01～0.02，Nb：0.04～0.11，V≤0.08，B≤0.0030，Als：0.01～0.04，Mo：0.1～0.40，Ni：0.3～0.5，Cu≤0.40，Cr≤0.30，其余为Fe及不可避免的夹杂；并要满足以下公式：

(1)Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4

(2)Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23

生产权低裂纹敏感性高韧性X120级管线钢的方法，其步骤：

1)进行冶炼：铁水脱硫-转炉顶底复合吹炼-钢包炉处理-真空(Si-Ca)处理-浇注成

板坯；

2)将连铸坯加热至1100～1250℃；

3)进行粗轧：控制粗轧结束温度在1000～1100℃；

4)进行精轧：控制精轧结束温度在800～900℃；

5)钢板停留10～60秒；

6)进行冷却：冷却速度控制在10～30℃/秒，终冷温度控制在≤450℃。

本发明的低裂纹敏感性高韧性X120管线钢各合金成分的作用机理如下：

本发明的碳(C)含量(wt％)为：0.02～0.08。低的碳含量可以保证钢具有高的韧性、塑性、优良的焊接性能和抗HIC及抗SSC能力。低碳还可以减少偏析。但要保证良好的耐高温热加工性能和较高的淬透性，碳含量不能太低。

本发明的锰(Mn)含量(wt％)为：1.5～2.1。高Mn促进贝氏体组织形核，高的Mn/C比可提高屈服强度和冲击韧性，降低析出碳化物的尺寸，促进沉淀强化效应。锰还可提高钢的淬透性，避免过热时的晶粒长大。

本发明的铌(Nb)含量(wt％)为：0.04～0.11。微量的铌能显著细化晶粒，提高晶粒粗化温度，另可提高钢的淬透性和回火稳定性。铌在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，可细化奥氏体晶粒尺寸，同时提高钢板再结晶温度，降低轧机负荷。在轧后冷却过程中，NbC和NbN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。铌与C、N元素形成稳定性高且呈颗粒状均匀分布的碳、氮化物，能有效地阻止奥氏体晶粒的长大，使材料能够在较宽的温度范围内进行热加工和焊接。

本发明的钒(V)含量(wt％)为：0～0.08。钒在轧后冷却过程中，VC和VN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。钒的碳、氮化物弥散分布，能有效地阻止奥氏体晶粒的长大。

本发明的钼(Mo)含量(wt％)为：0～0.40。钼降低γ→α转变温度，抑制多边形铁素体和珠光体形核，在较宽的温度和冷速范围内促进贝氏体组织的形成，从而保证良好的强韧性。

本发明的镍(Ni)含量(wt％)为：0～0.5，提高控轧钢的低温韧性，还可通过适量加入提高钢的淬透性和强度。

本发明的磷(P)含量(wt％)为：≤0.018、硫(S)含量≤0.002。为了保证钢板的韧性，需要钢具有较高的纯净度和均质度。而P、S均是影响性能的有害元素，P高易导致偏析，从而影响钢板组织均匀性；S常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂对钢的冲击韧性，特别是横向韧性是十分不利的，并造成性能的各向异性和增大氢致开裂的敏感性。

本发明的硅(Si)含量(wt％)为：0～0.50。少量的Si能起到固溶强化和提高钢抗拉强度的作用，但硅含量过高会显著降低钢的面缩率和冲击韧性。

本发明的钛(Ti)含量(wt％)为：0.01～0.02。加入微量的Ti，可细化晶粒，提高钢的屈服强度和韧性，还可以在高温下与N结合，形成TiN质点，有利于焊接时热影响区的晶粒控制，改善焊接热影响区的韧性。

本发明的酸溶铝(Als)含量(wt％)为：0.01～0.04，起到脱氧作用，减少钢中氧含量；形成AlN，细化晶粒。

本发明中适量添加Cu、Cr、B等合金元素，提高钢的强度和淬透性。

本发明的Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4％，保证较低的合金成本和碳当量。

本发明的碳当量(Pcm)≤0.23。低的碳当量可以保证高钢级管线钢具有很低的裂纹敏感性和良好的焊接性能，有利于现场焊接。

为保证微合金化元素的充分固溶，同时避免加热温度过高导致奥氏体晶粒过分长大，因此，将铸坯加热温度控制在1100～1250℃；

通过在再结晶区和未再结晶区两阶段进行粗轧和精轧，目的使奥氏体晶粒细小，且获得足够多的变形带、位错累积等相变优先形核位置；

4)轧制过程中采用使钢板停留10～60秒，为使微合金化元素充分析出，提高组织基体强度，促进贝氏体相变形核；

5)轧后采用冷却速度控制为10～30℃/秒，并使终冷温度控制在≤450℃，其为使相变起始点降低，获得细小、均匀的相变组织，同时应避免因冷速过大导致大量马氏体组织的形成。

本发明与现有技术相比，其特点在于：

1)本专利技术生产的X120级管线钢采用较低的Mo、Ni、Cu、Cr设计，可以很大程度上降低钢的合金成本；

2)轧制过程中采用钢板停留时间，让微合金化元素得以充分析出，可以有效地细化相变组织、同时提高组织均匀性和钢的强度；

3)整个生产工艺要求适中，利于X120级管线钢的大规模生产。

其力学性能经试验表明，R_p0.2 855～910MPa，R_m 990～1180MPa，-20℃KV₂≥231J，Pcm≤0.20，其满足了石油天然气管道工程用X120级管线钢的需求。

具体实施方式

下面对本发明作进一步阐述：实施例的的成分及重量百分比见表1；生产工艺：

1)进行冶炼：铁水脱硫-转炉顶底复合吹炼-钢包炉处理-真空(Si-Ca)处理-浇注成板坯；

2)将连铸坯加热至1100～1250℃；

3)进行粗轧：控制粗轧结束温度在1000～1100℃；

4)进行精轧：控制精轧结束温度在800～900℃；

5)钢板停留10～60秒；

具体工艺参数见表2；实施例的力学性能经检测后的结果见表3。

表1 实施例1～5的化学成分(wt％)

	C	Mn	Si	S	P	Nb	V	Ti	Cu	Ni	Mo	Cr	B	Als	Pcm
																1	0.025	2.1	0.25	0.0010	0.008	0.11	-	0.01	0.4	0.5	0.1	0.2	0.0008	0.02	0.19
2	0.03	2.0	0.3	0.0011	0.007	0.06	0.04	0.02	-	0.3	0.4	0.3	0.0010	0.03	0.20
																3	0.04	1.9	0.4	0.0014	0.010	0.09	-	0.01	0.2	0.3	0.4	0.3	-	0.01	0.21
4	0.06	1.7	0.2	0.0009	0.007	0.07	-	0.02	0.3	0.4	0.3	-	0.0009	0.02	0.20
																5	0.07	1.6	0.2	0.0008	0.009	0.04	0.06	0.01	-	0.4	0.3	0.1	0.0008	0.03	0.20

表2 实施例1～5轧制工艺参数

表3 实施例1～5性能检测结果

注：拉伸、夏比冲击试样均为横向取样。

Claims

1.低裂纹敏感性高韧性X120级管线钢，其特征在于：该钢采用的成分设计为(wt％)：C：0.07～0.08，Mn：1.5～1.7，Si≤0.5，P：≤0.018，S：≤0.0020，Ti：0.01～0.02，Nb：0.04～0.11，V≤0.08，B≤0.0030，Als：0.01～0.04，Mo：0.1～0.40，Ni：0.3～0.5，Cu≤0.40，Cr≤0.30，其余为Fe及不可避免的夹杂；并要满足公式：

(1)、Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4

(2)、Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23。

2.生产权利要求1所述低裂纹敏感性高韧性X120级管线钢的方法，其步骤：

1)进行冶炼：铁水脱硫—转炉顶底复合吹炼—钢包炉处理—真空Si-Ca处理—浇注成板坯；

2)将连铸坯加热至1100～1250℃；

3)进行粗轧：控制粗轧结束温度在1000～1100℃；

4)进行精轧：控制精轧结束温度在800～900℃；

5)钢板停留10～60秒；