CN102021499A - 高强度管件用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管件用钢及其制造方法。所述管件用钢的成分质量百分比含量为：C 0.02-0.12、Si 0.10-0.35、Mn 1.40-2.00、P≤0.015、S≤0.005、Ti 0.021-0.05、Cr 0.05-0.40、Mo 0.05-0.30、Cu 0.10-0.30、Ni 0.10-0.24、N≤0.008、Nb 0.02-0.07、V 0.01-0.08，其余为Fe和不可避免的杂质。所述钢具有高强度、优良的低温冲击韧性和焊接性，可以用于石油天然气长输管线、浆体管线、城市管网等的建设。

Description

高强度管件用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，具体地说，涉及一种厚规格高强度管件用钢及其制造方法。

背景技术

管件是用来改变管道方向、改变管径大小、进行管道分支、局部加强从而实现特殊连接等功能的管道元件，其广泛应用于各类压力管道中，如油气输送管道、城市管网管道、热力管道、浆体管道等。常用的管件包括弯头、三通、异径管(大小头)、管帽、管接头、管箍、管嘴等。

管件一般经过钢板成型、热处理加工而制成，或通过直接锻造而成。管件通过焊接的方式与直管段或阀门连接，其输送压力须与直管段基本一致，因此对管件的材料选择及设计有一定要求。首先，管件的材质应与直管段相近，以保证良好的焊接性能；其次，其强度设计应与直管道相匹配，一般要求等强或超强设计，以满足输送压力要求；此外，管件形状复杂，往往存在应力集中部位，因此其壁厚应厚于直管道，以防出现应力开裂失效。所以，管件具有厚规格、高强度、易焊接和较好低温韧性等性能特点，因此，对管件用钢提出了较高要求。

根据现有标准规定，管件用钢多采用低碳合金化的成分设计方法，且主要以V、Ti作为晶粒细化元素，对Nb的使用无具体规定。在强度方面，按照现有标准生产的管件用钢的强度均在70ksi以下。在制造工艺上，多采用调质处理工艺进行生产。因此，按现有的管件制造标准生产的管件用钢不能适应当前管道的高强度、大口径、厚壁化的发展趋势要求。

为了适应该领域的制造要求，针对同类产品，国内外提出了多项专利申请，例如，专利JP1259125提出了一种用于高强度且具有良好抗硫化物应力腐蚀的油井管用钢的制造方法，所述钢种在成分设计上采用C-Mn成分体系，未添加合金元素，成本较低，但强度级别亦较低，不适宜制造高强度管件；同时该钢种含碳量较高，对焊接性能不利。又如专利申请JP2002096105提出了一种无缝钢管的制造方法，采用中碳合金化的成分设计，制造的无缝钢管强度达到77公斤级以上。然而该发明制造的钢管含C量依然较高，对焊接性能不利。

由此可见，现有技术中的同类产品还不能完全满足目前使用和制造的要求，需要开发一种高强度高韧性的管件用钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管件用钢，具有高强度、优良的低温冲击韧性和焊接性，可以用于石油天然气长输管线、浆体管线、城市管网等的建设。

为实现上述目的，本发明所提供的管件用钢，其成分质量百分比含量为：C 0.02-0.12、Si 0.10-0.35、Mn 1.40-2.00、P≤0.015、S≤0.005、Ti 0.021-0.05、Cr 0.05-0.40、Mo 0.05-0.30、Cu 0.10-0.30、Ni 0.10-0.24、N≤0.008、Nb0.02-0.07、V 0.01-0.08，其余为Fe和不可避免的杂质。

此外，本发明还提供了上述管件用钢的一种制造方法，包括转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、调制处理，其中，所述板坯再加热的温度为1100-1250℃，所述控制轧制包括再结晶区轧制和非再结晶区轧制，所述调质处理包括淬火和回火。

优选地，所述再结晶区轧制的温度为940-1170℃，所述非再结晶区轧制的温度为740-910℃。

进一步，所述控制轧制的压缩比为2-6，其中，压缩比是指中间待温钢坯厚度和成品厚度的比值。

优选地，所述控制冷却的冷却速度为5-20℃/s，终止冷却温度为450-650℃。

进一步优选地，所述淬火温度为900-980℃，达到所述淬火温度后的保温系数为1.0-1.8min/mm；所述回火温度为500-680℃，达到所述回火温度后的保温系数为2.5-3.2min/mm。

下面将进一步说明本发明。

管件用钢要求具有较高的强度，同时具有良好的冲击韧性和焊接性能。本发明在成分设计上采用低C微合金化的成分设计方法，通过添加适量的合金元素，保证制造的管件具有高强度高韧性特征；减少了Cr、Mo和淬透性元素B的添加量，可保证具有良好的焊接性能；同时通过合适的控轧工艺和热处理工艺，得到高强度高韧性的综合力学性能。

以下将本发明合金成分的设计进行说明：

碳C：最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的延性、韧性和焊接性能不利；C含量太低降低发明钢热处理后的强度性能，有利于改善材料的韧性，需结合其它强化机制实现良好的强韧性匹配。所以C控制在0.02％～0.12％。

锰Mn：是低合金高强钢种最基本的合金元素，通过固溶强化提高钢的强度，以补偿钢中因C含量降低而引起强度损失。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性。本钢种Mn含量为1.40％～2.00％。

S硫、P磷：不可避免的钢中有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，恶化材料的焊接性能，且易引起回火脆性。因此，本发明中厚规格X80管线钢中控制P≤0.015、S≤0.005，且须通过Ca处理夹杂物改性技术，使夹杂物形态球化且分布均匀，减少其对韧性和腐蚀性的影响。

铌Nb：在微合金钢中是控制再结晶最有效的合金元素，结合控制轧制、控制冷却工艺，能有效降低轧机载荷，同时有利于细化晶粒。在调质处理过程中，固溶的Nb再以NbC的形式弥散析出，提高强度且不损失韧性。太低的Nb对再结晶控制不明显，无法起到细化晶粒的作用；另外由于受C含量的限制及加热温度的影响，太高的Nb无法固溶，同样发挥不了作用且增加成本；此外，在C高、Nb高时易产生焊接裂纹，有损材料的焊接性能。因此本发明中Nb含量控制在0.020％～0.070％。

钛Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相，这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用；此外，固溶的钛在调质处理后可起到析出强化的作用，提高材料的强韧性。但Ti含量太高易出现粗大的析出相，对韧性不利。所以Ti含量限定在0.021％～0.050％。

铬Cr：提高钢的淬透性的重要元素，因此对于厚规格的钢而言需添加较高的Cr提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，提高钢的强度改善厚度方向上性能的均匀性；且Cr含量在0.20％以上时，能改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明中Cr含量应限定在0.05％～0.40％。

钼Mo：提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，因此能有效提高强度；此外在低合金钢中添加少量的Mo能延长珠光体的孕育期，降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围得到组织细小的贝氏体组织；同时，一定含量的Mo有利于改善钢材的回火脆性，提高材料的强韧性；但Mo太高，增加制造成本。本发明中Mo含量控制在0.05％～0.30％。

钒V：典型的细化晶粒和析出强化元素，同时加入适量的V有利于提高调质后材料硬度的稳定性；但如含量太高，析出物易聚集长大，恶化材料冲击韧性，且成本增加显著。本发明中V含量控制在0.010％～0.080％。

铜、镍(Cu、Ni)：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。本发明中Cu、Ni含量范围分别控制为0.10％～0.30％、0.10％～0.24％。

硅(Si)：能通过固溶强化作用提高钢的强度。同时硅能有效抑制碳化物转变，促进残留奥氏体生成，改善钢的韧性。Si为钢中脱氧元素，过高的硅对钢的塑性不利。因此，限定其质量百分比含量为0.10％～0.35％。

氮(N)：属于杂质元素，过高的N含量会对钢的时效冲击韧性不利，因此控制其质量百分含量≤0.008％。

根据上述成分设计，炼钢工艺采用纯净钢冶炼技术，热轧工艺采用控制轧制和控制冷却的轧制技术，以进行最终产品的组织控制；同时配合合理的热处理工艺，来生产具有细小显微组织的厚规格钢。本发明的钢可用来制造高强度、高韧性和良好焊接性能的管件。

与现有管件用钢相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的钢主要以C-Mn为基础成分，添加合适的Ti元素，以细化管件用钢的晶粒尺寸，同时在热处理过程中起到抑制晶粒长大和析出强化的作用；此外，添加适量的Cr、Mo等合金，以提高材料强度性能和改善回火脆性，添加适量的Cu、Ni以改善钢的韧性及耐蚀性。结合合理的调质热处理工艺，本发明制造的厚规格钢可以用来制造高强度管件，生产成本较低。

(2)采用本发明钢制造的管件具有优良的力学性能：

屈服强度Rp0.2：＞550MPa；

抗拉强度Rm：＞625MPa；

低温冲击韧性：-30℃下AKv＞50J；

(3)本发明钢具有较低的焊接裂纹敏感性指数Pcm(Pcm＝C+Si/3+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B)，焊接性能十分优良，有利于成型、焊接及现场实施。

具体实施方式

按照本发明钢种的化学成分要求，并结合所述的制造工艺，以制造不同厚度规格的管件。具体成分如下：

表1本发明各实施例的化学成分(wt％)

编号	C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	Cu	Ni	Mo	Cr	V	N
														1	0.054	1.93	0.250	0.0021	0.009	0.052	0.045	0.23	0.17	0.13	0.07	0.035	0.0060
2	0.113	1.45	0.260	0.0030	0.009	0.023	0.022	0.21	0.11	0.14	0.22	0.015	0.0070
														3	0.092	1.54	0.320	0.0020	0.012	0.065	0.025	0.18	0.15	0.28	0.22	0.065	0.0040
4	0.025	1.73	0.230	0.0034	0.011	0.027	0.037	0.28	0.24	0.15	0.25	0.042	0.0040
														5	0.076	1.62	0.20	0.0012	0.008	0.035	0.026	0.22	0.12	0.22	0.18	0.045	0.0040
6	0.045	1.81	0.250	0.0030	0.007	0.045	0.042	0.3	0.24	0.08	0.38	0.032	0.0030

实施例1：用于制造厚度规格为25.7mm厚的X80级管线钢厚板

加热温度：1170±20℃，再结晶区轧制温度范围1130～980℃，中间待温钢坯厚度(即完成再结晶区轧制后的钢坯厚度)110mm，非再结晶区温度范围890～750℃。终止冷却温度450～500℃。冷却速度15～20℃/s。淬火温度：910±10℃，淬火保温时间：40min；回火温度：550±10℃；回火保温时间：70min。

实施例2：用于制造厚度规格为32.0mm厚高强度管件用钢

加热温度：1130±20℃，再结晶区轧制温度范围1120～950℃，中间待温钢坯厚度120mm，非再结晶区温度范围870～780℃。终止冷却温度580～620℃。冷却速度12～17℃/s。淬火温度：960±10℃，淬火保温时间：50min；回火温度：600±10℃；回火保温时间：90min。

实施例3：用于制造厚度规格为47.0mm厚高强度管件用钢

加热温度：1150±20℃，再结晶区轧制温度范围1100～960℃，中间待温钢坯厚度100mm，非再结晶区温度范围890～750℃。终止冷却温度450～500℃。冷却速度8～12℃/s。淬火温度：910±10℃，淬火保温时间：40min；回火温度：580±10℃；回火保温时间：100min。

实施例4：用于制造厚度规格为42.0mm厚高强度管件用钢

加热温度：1180±20℃，再结晶区轧制温度范围1150～980℃，中间待温钢坯厚度140mm，非再结晶区温度范围850～800℃。终止冷却温度500～550℃。冷却速度10～13℃/s。淬火温度：930±10℃，淬火保温时间：70min；回火温度：660±10℃；回火保温时间：110min。

实施例5：用于制造厚度规格为44.0mm厚高强度管件用钢

加热温度：1190±20℃，再结晶区轧制温度范围1160～1000℃，中间待温钢坯厚度155mm，非再结晶区温度范围900～820℃。终止冷却温度600～650℃。冷却速度5～10℃/s。淬火温度：960±10℃，淬火保温时间：80min；回火温度：520±10℃；回火保温时间：120min。

实施例6：用于制造厚度规格为52.0mm厚高强度管件用钢

加热温度：1130±20℃，再结晶区轧制温度范围1050～950℃，中间待温钢坯厚度110mm，非再结晶区温度范围850～800℃。终止冷却温度530～580℃。冷却速度4～9℃/s。淬火温度：970±10℃，淬火保温时间：80min；回火温度：620±10℃；回火保温时间：150min。

采用上述工艺进行轧制，并对成品板进行直径为12.7mm的圆棒拉伸、全尺寸夏比冲击等性能检验，得到的性能结果如表2、3所示。

表2本发明各实施例钢的力学性能

表3本发明各实施例钢的焊接裂纹敏感性指数

编号	焊接裂纹敏感性指数Pcm
		1	0.189
2	0.228
		3	0.227
4	0.164
		5	0.20
6	0.190

可见，本发明钢经过淬火、回火调质处理后，其强度和韧性均满足屈服强度级别为80ksi及以上钢级的管道用管件的性能要求。与现有的管件用钢相比，本发明采用适宜的成分，生产的钢板可以用做厚规格管件用钢；同时，较低的焊接裂纹敏感性指数保证本发明的钢具有优良的焊接性能，为管件成型和现场施工焊接提供良好的条件。

Claims (6)

1.一种管件用钢，其成分质量百分比含量为：

C   0.02-0.12

Si  0.10-0.35

Mn  1.40-2.00

P   ≤0.015

S   ≤0.005

Ti  0.021-0.05

Cr  0.05-0.40

Mo  0.05-0.30

Cu  0.10-0.30

Ni  0.10-0.24

N   ≤0.008

Nb  0.02-0.07

V   0.01-0.08

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.制造如权利要求1所述的管件用钢的方法，包括转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、调质处理，其中，所述板坯再加热的温度为1100-1250℃，所述控制轧制包括再结晶区轧制和非再结晶区轧制，所述调质处理包括淬火和回火。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述再结晶区轧制的温度为940-1170℃，所述非再结晶区轧制的温度为740-910℃。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制轧制的压缩比为2-6，其中，压缩比是指控制轧制过程中，中间待温钢坯厚度与成品钢板厚度的比值。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制冷却的冷却速度为5-20℃/s，终止冷却温度为450-650℃。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述淬火温度为900-980℃，达到所述淬火温度后的保温系数为1.0-1.8min/mm；所述回火温度为500-680℃，达到所述回火温度后的保温系数为2.5-3.2min/mm。