CN102051527B - 高强度高韧性x90厚壁无缝管线钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管及其制造方法，该钢种的组成元素的重量配比为：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.32％，Mn：1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：0.016～0.042％，Nb：0.03～0.05％，V：0.05～0.07％，Cu：0.12～0.18％，该钢中的Cr、Mo和Ni元素的含量根据钢管的壁厚值来确定，其余为铁，杂质元素微量。还提供一种该无缝管线钢的轧制、热处理的生产方法。有益效果是采用微合金化技术，适合壁厚50mm以下的厚壁管线的生产，管体整体组织为均匀的回火贝氏体组织，碳当量低，焊接性能良好，低温冲击性能优良，满足深海或者其他寒冷天气对厚壁管线的要求，提高水冷却时钢的淬透性，提高了管线的机械性能。

Description

高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管及其制造方法

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高韧性X90厚壁无缝管线钢管及其制造方法。

背景技术

随着近海和深海油田的不断开发，高钢级、大口径和大厚壁管线的需求量正逐步增加。钢级强度从早先的X52、X56、X60，发展到现在使用比较普遍的X65、X70钢级，更高钢级的X80、X90钢级已开始批量生产与供货。对管线钢级强度需求的不断提高与海洋石油开采技术的进步和开采环境的不断严酷是密不可分的。最初开发的油田大多是靠近大陆架的浅海油气资源，水深从20、30米到100米左右，使用管线X52、X56、X60钢级强度基本就可以满足要求；随着近年来人类对油气资源需求量的不断增加，越来越多的深海油田不断被开发，例如墨西哥湾、北海、西非、中国南海以及巴西等深海油田水深都超过1000米，局部甚至达到1500米，这么深的海洋油田，对海底管线管的压力是相当巨大的，为了保证管线的输送安全，必须提高管线的钢级强度和壁厚来保证管子抗深海水压外挤的能力。例外，为了提高效率，油气管道越来越多采用高压、大内径来输送以提高油气资源的输送效率，这样也要求管线的钢级强度不断提高，壁厚不断增加来保证管线的使用安全性。

随着墨西哥湾漏油事件的发生，使得人类对海上油田管线安全性能越来越重视，无缝管有着焊管无法替代的优势。由于无缝管管体没有整体的焊缝，安全性较焊管更高。

海上钻井平台和采油平台不断向深海发展，使用更高钢级的管线可以相对节省钢材使用量，减轻海油平台自身重量，提高平台使用效率。

由于管线服役环境复杂多变，从管线使用安全性考虑，要求生产出来的无缝管线不仅要有高的屈服强度和抗拉强度，还要求有良好的低温冲击韧性和较低的韧脆转变温度；此外由于无缝管线都需要焊接连接，还要求钢管具有较好的焊接性能，因此碳当量有严格的控制；长期在海洋的复杂环境中使用，要求管线还需具备较好的抗海水腐蚀的能力以及反复多次承受洋流冲击的抗疲劳性能。

在环境保护日益受到重视，低碳经济不断成为全球经济发展热点话题的今天，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。

高强度高韧性厚壁无缝管线钢的主要关键点在于：由于碳当量较低，厚壁管线的淬透性难以得到保证，极易造成心部组织与外表面不一致，由此带来性能不合格，冲击性能不好以及焊接性能不好等诸多问题。其次，由于管线规格较多较杂，对于同一个钢级来说，壁厚可能从12mm到50mm不等，壁厚值差别巨大，在热处理淬火过程中冷却速度的差异也较大。因此对于同一个钢级来说，不同的壁厚值应该采用不同的合金成分设计，这样才能保证良好的淬透性以及生产成本的经济性。

在现今已有的X70、X80管线产品中，涉及焊管产品的居多，无缝管的较少。而专门针对X90的大壁厚的无缝管产品目前还没有，但随着石油开采不断向恶劣环境发展的趋势，加之深海蕴藏着丰富的油气资源，高强度高韧性X90厚壁无缝管线的使用前景将会越来越广阔。

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度高韧性X90厚壁无缝管线钢管及其制造方法，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X90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度高韧性X90厚壁无缝管线钢管，该钢管成分的组成元素的重量配比为：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.32％，Mn：1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：0.016～0.042％，Nb：0.03～0.05％，V：0.05～0.07％，Cu：0.12～0.18％，Ca：0.010～0.045％，此外，该钢种的Cr、Mo和Ni元素的含量根据钢管的壁厚值来确定：

当12≤壁厚≤20mm时，[Cr]＝0.10％+t×0.0020％，

[Mo]、[N i]＝0.15％+t×0.0030％；

当20＜壁厚≤50mm时，[Cr]＝0.10％+t×0.0025％，

[Mo]、[N i]＝0.15％+t×0.0035％；

其中t为钢管的壁厚以毫米为单位的数值，其余为铁及微量杂质元素。

本发明还提供轧制高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管的制造方法。

本发明的有益效果是采用微合金化技术，适合壁厚50mm以内的厚壁钢管的生产，管体整体组织为均匀的回火贝氏体组织，碳当量低，焊接性能良好，低温冲击性能优良，满足深海或者其他寒冷天气对厚壁管线的要求，提高水冷却时钢的淬透性，提高了管线的机械性能。最终调质处理后的成品管屈服强度≥625MPa，延伸率≥20％，-40℃横向全尺寸夏比冲击功≥150J，纵向冲击功≥160J，冲击断口平均剪切面积≥90％。

具体实施方式

结合实施例对本发明的高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管及制造方法加以说明。

本发明的高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管，钢管组成元素的重量配比为C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.32％，Mn：1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：0.016～0.042％，Nb：0.03～0.05％，V：0.05～0.07％，Cu：0.12～0.18％，此外，该钢中的Cr、Mo和Ni元素的含量根据钢管的壁厚值来确定：

当12≤壁厚≤20mm时，

[Cr]＝0.10％+t×0.0020％；[Mo]，[Ni]＝0.15％+t×0.0030％；

当20＜壁厚≤50mm时，

[Cr]＝0.10％+t×0.0025％；[Mo]，[Ni]＝0.15％+t×0.0035％；

其中t为钢管的壁厚以毫米为单位的数值。

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0.12％以下。

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。根据管线钢技术要求，本设计的管线钢锰含量确定为1.25～1.35％。

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，铌含量控制在0.03～0.05％范围。

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0.05～0.07％。

铬：本钢的主要合金元素，推迟奥氏体冷却过程中的珠光体形成，提高钢的淬透性，同时可以细化晶粒度，提高调质处理以后钢的强度和韧性；但是过多的Cr含量会对焊接性能产生不良影响。在本发明中，Cr的含量控制在0.12～0.23％之内。

钼：是本钢的主要合金元素，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0.18～0.33％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：0.12～0.18％，Ni：0.18～0.33％，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，加入相应比例的Ni来减小Cu的偏聚，此外，Ni元素还可以提高厚壁管线的淬透性和改善钢材低温冲击性能。

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≤0.004％，P≤0.012％，成品管中氮含量小于80ppm，氧含量小于25ppm，氢含量小于1ppm。

高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管的制造方法，其步骤包括有：

①配料冶炼、连铸

按上述钢管成分组成元素重量为：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.32％，Mn：1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：0.016～0.042％，Nb：0.03～0.05％，V：0.05～0.07％，Cu：0.12～0.18％，此外，该钢中的Cr、Mo和Ni元素的含量根据钢管的壁厚值来确定：

当12≤壁厚≤20mm时，

[Cr]＝0.10％+t×0.0020％；[Mo]，[Ni]＝0.15％+t×0.0030％；

当20＜壁厚≤50mm时，

[Cr]＝0.10％+t×0.0025％；[Mo]，[Ni]＝0.15％+t×0.0035％；

其中t为钢管的壁厚以毫米为单位的数值；

其余为铁，杂质元素微量。

按上述钢管成分组成元素重量配料冶炼，电炉炼钢，精炼完后的钢水经过VD真空脱气，脱气时间15～18分钟，然后喂入CaSi丝深度脱氧及夹杂物球化，喂丝结束后搅拌时间6～8分钟，搅拌结束再镇定12分钟后上连铸平台进行连铸铸坯；

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1260～1320℃，穿孔温度控制为1100～1200℃，终轧温度900～950℃轧制钢管；冷却，锯切。

③调质热处理

采用淬火后再回火的热处理工艺，先将轧制的钢管加热至完全奥氏体化温度AC₃以上20℃～25℃，然后稳定保温30～68分钟，30分钟是壁厚为12毫米的钢管的保温时长，壁厚每再增加一毫米，保温时间增加一分钟。出炉后水冷淬火，控制水量和水温，确保钢管在45秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温，然后再入回火炉保温处理，钢管在回火温度下稳定保温54～130分钟，54分钟是壁厚为12毫米的钢管的保温时长，壁厚每再增加一毫米，保温时间增加两分钟。回火温度T℃＝(11420-12Y)/7，式中Y为钢管的目标屈服强度以MPa为单位的数值；

所述厚壁无缝管线管经过调质热处理后达到如下性能要求：

屈服强度：≥625MPa

夏比V型冲击韧性：-40℃纵向全尺寸夏比冲击功≥160J，

-40℃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。

实施例

采用本发明方法生产不同壁厚的管线钢的实际合金成分如表1：

表1化学成分

在表1中，钢编号从1#～15#是不同壁厚的管线钢的实际化学成份值。可以看出，除Cr，Mo，Ni元素外，其它合金元素的含量全部满足本发明所要求的化学成份范围值。

在表1中，钢编号1#～3#是壁厚为12mm的管线钢的化学成份值，2#钢的Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，1#钢的Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，3#钢的Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值。

在表1中，钢编号4#～6#是壁厚为20mm的管线钢的化学成份值，5#钢的Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，4#钢的Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，6#钢的Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值。

在表1中，钢编号7#～9#是壁厚为30mm的管线钢的化学成份值，8#钢的Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，7#钢的Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，9#钢的Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值。

在表1中，钢编号10#～12#是壁厚为40mm的管线钢的化学成份值，11#钢的Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，10#钢的Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，12#钢的Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值。

在表1中，钢编号13#～15#是壁厚为50mm的管线钢的化学成份值，14#钢的Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，13#钢的Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，15#钢的Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值。

经过淬火+回火热处理后，成品管线管性能测试结果如表2：

表2成品管性能

钢编号是2#、5#、8#、11#、14#的钢中Cr、Mo、Ni元素含量等于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，其力学性能检测值也符合本发明中的性能要求值；钢编号是1#、4#、7#、10#、13#的钢中Cr、Mo、Ni元素含量小于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，其力学性能检测值也不符合本发明中的性能要求值；钢编号是3#、6#、9#、12#、15#的钢中Cr、Mo、Ni元素含量大于本发明中Cr、Mo、Ni含量的公式计算值，其力学性能检测值也符合本发明中的性能要求值，但从性能对比上可以看出，添加过量的Cr、Mo、Ni元素对管线管最终的力学性能，如屈服强度、抗拉强度、冲击功、维氏硬度等性能指标已经没有明显的提升空间，而且从生产成本，节省贵金属元素的经济性和管线的焊接性考虑，合金元素也不宜添加太多。因此，本发明中根据壁厚的不同而设计不同的合金成分值，既节省了合金成本，又保证了产品的稳定性，具有较高的学术价值和经济价值。

按照本发明生产的从12mm～50mm壁厚的X90管线管，具有较高的屈服强度和抗拉强度，较好的韧性和优良的低温冲击性能，在-40℃温度下冲击断口剪切面积全部100％，微观组织为均匀的回火索氏体组织，晶粒度为8.5级，硬度值稳定，产品综合性能好。

根据本发明进行的实施例，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，还要求较好的低温韧性和较高的强度来保证管体的抗挤毁性能。

根据不同的壁厚情况，选择不同的合金元素配比，既保证了钢管良好的淬透性又考虑了生产成本的经济性。通过淬火后的回火热处理，可以将管线管的屈服强度调整到X90钢级的强度水平，而且生产的成品管横向和纵向的低温冲击韧性优良，可以满足深海等寒冷地区使用。

Claims (2)

1.一种高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管，该钢管成分的组成元素的重量配比为：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.32％，Mn：1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al：0.016～0.042％，Nb：0.03～0.05％，V：0.05～0.07％，Cu：0.12～0.18％，C a：0.010～0.045％，此外，该钢种的Cr、Mo和Ni元素的含量根据钢管的壁厚值来确定：

当12≤壁厚≤20mm时，[Cr]＝0.10％+t×0.0020％，

[Mo]、[Ni]＝0.15％+t×0.0030％；

当20＜壁厚≤50mm时，[Cr]＝0.10％+t×0.0025％，

[Mo]、[Ni]＝0.15％+t×0.0035％；

其中t为钢管的壁厚以毫米为单位的数值，其余为铁及微量杂质元素；

所述厚壁无缝管线钢管达到如下性能指标：

屈服强度：≥625MPa

夏比V型冲击韧性：-40℃纵向全尺寸夏比冲击功≥160J，

                 -40℃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.根据权利要求1所述的高强度高韧性X90厚壁无缝管线钢管的制造方法，包括以下步骤：

①按上述钢管组成元素重量成分配料冶炼，电炉炼钢，精炼完后的钢水经过VD真空脱气，脱气时间15～18分钟，然后喂入CaSi丝深度脱氧及夹杂物球化，喂丝结束后搅拌时间6～8分钟，搅拌结束再镇定12分钟后上连铸平台进行连铸铸坯；

②轧制

铸坯经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1260～1320℃，穿孔温度控制为1100～1200℃，终轧温度900～950℃轧制钢管；

③调质热处理

采用淬火后再回火的热处理工艺，先将轧制的钢管加热至完全奥氏体化温度AC₃以上20℃～25℃，然后稳定保温30～68分钟，30分钟是钢管壁厚为12毫米的钢管的保温时长，钢管壁厚每再增加一毫米，保温时间增加一分钟，出炉后水冷淬火，控制水量和水温，确保钢管在45秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温，然后再入回火炉保温处理，钢管在回火温度下稳定保温54～130分钟，54分钟是壁厚为12毫米的钢管的保温时长，钢管壁厚每再增加一毫米，保温时间增加两分钟，回火温度T＝(11420-12Y)/7℃，式中Y为钢管的目标屈服强度以MPa为单位的数值。