CN102242311A - 大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法，属于石油管道断裂控制试验领域。所述钢管成分按质量百分比：C：0.07％～0.12％，Mn：1.50％～1.75％，Si：0.15％～0.35％，P≤0.015％，S：0.010％～0.020％，Al：0.005％～0.030％，0≤0.002％，H≤0.00015％，N≤0.005％，余量为Fe；碳当量≤0.55％，冷裂纹敏感系数≤0.28％。所述制备方法包括以下步骤，经熔炼连铸成厚板坯，经粗轧和精轧制成热轧钢板，热轧钢板经成型，再经焊接，再经扩径制成钢管；钢管的屈服强度550MPa～840MPa，抗拉强度625MPa～990MPa，0℃的夏比冲击韧性控制在100J～200J之间，落锤试验断口剪切面积≥85％。用做全尺寸气体爆破试验启裂钢管，启裂后断口为延性断裂形貌且无明显断口分离出现。
Description
技术领域
本发明涉及钢管配方及其制备方法，特别涉及一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法，具体涉及一种强度级别达到X80、X90、X100钢级，钢管外径760mm～1422mm，壁厚12mm～30mm，输送压力为10MPa及以上的大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法。
背景技术
随着大口径高压输气管道工业的快速发展，管道安全问题备受关注。大口径高压输气管道延性裂纹的长程扩展是管道安全的最大威胁，如管道设计或使用不当，很可能发生裂纹的长程扩展，严重时裂纹可长达数千米，会造成巨大经济损失、人员伤亡和环境污染。
采用管道全尺寸气体爆破试验，验证管道在特定工况条件下的安全性，是国际上通用的也是最可靠的方法。进行全尺寸气体爆破试验时，要求钢管按照一定规律排布，如按照材料韧性由低到高的顺序排布、等韧性排布或随机排布，无论采用何种排布，中间均需要有数根(一般1～3根)韧性较低的管段，以便裂纹能够在这段管段上容易启裂并向两边扩展，当裂纹扩展停止时便可得到钢管的止裂韧性。故此，中间启裂管段需要达到特殊要求，不仅要其与试验管段的强度一致，为了防止脆性断裂，其韧性不能过低，而为了防止起不到引发裂纹的作用，其韧性也不能过高。可见，中间较低韧性管段的获取，是输气管道全尺寸气体爆破试验能否成功的关键因素之一。
目前，具有适当韧性的启裂管段的制备在国际上也属于探索的技术，还没有确定的成熟技术可供直接应用。本发明就是针对上述情况，需要提供一种大口径X80、X90、X100全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法，以满足开展全尺寸气体爆破试验的需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种钢管外径760mm～1422mm，壁厚12mm～30mm，强度级别达到X80、X90、X100且具有适当韧性的大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管及其制备方法，以满足开展全尺寸气体爆破试验的需要。
由于全尺寸实物气体爆破试验用启裂钢管要求要与试验管段的强度一致，并具有适当的韧性，对于X80、X90、X100钢级的管段，韧性以控制在100～200J之间，同时要求启裂后断口为延性断口，断口上不能有明显的分离开现象。为了保证满足上述要求，必须对其化学成分和制造工艺进行合理设计。
本发明在成分设计方面，拟采用低碳，加Mn，Nb、V、Ti微合金化，同时可少量加入Mo、Ni、Cu、Cr、B等多种元素，控制钢中P、S、O、H、N等有害元素，采用Al、Si全脱氧的镇静钢。在控轧空冷工艺方面，可通过奥氏体区的控制轧制以及轧后冷却等工艺，来获得具有适当组织结构且比较均匀的复相组织来实现。
本发明实施例提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括：C：0.07％～0.12％，Mn：1.50％～1.75％，Si：0.15％～0.35％，P≤0.015％，S：0.010％～0.020％，Al：0.005％～0.03％，O≤0.002％，H≤0.00015％，N≤0.005％，余量为Fe。其中，碳当量≤0.55％，冷裂纹敏感系数≤0.28％，所述钢管的管径为760mm～1422mm，所述钢管的壁厚12mm～30mm，所述钢管的钢级为X80、X90、X100钢级，其屈服强度550Mpa～840Mpa，其抗拉强度625Mpa～990Mpa，其0℃的夏比冲击韧性控制在100J～200J之间，落锤试验(DWTT)断口剪切面积≥85％。
进一步地，所述钢管的成分按质量百分比计还包括：Nb：0.01％～0.06％，Ti：0.015％～0.035％，以及V：0.01％～0.05％中的一种或两种以上的合金元素，并且0.06％≤Nb+V+Ti≤0.10％。以发挥Nb、V、Ti的碳氮化合物细化晶粒、提高强度和韧性的作用，为防止其过度加入对材料韧性的不利影响，对上限进行了控制。
进一步地，所述钢管的成分按质量百分比计还包括：Mo：0.15％～0.30％，Ni：0.15％～0.30％，Cu：0.10％～0.25％，Cr：0.13％～0.30％，以及B：0.001％～0.005％中的一种或两种以上的合金元素，并且0.30％≤Mo+Cr+Ni+Cu≤1.0％，以使厚壁材料具有适当的淬透性，进而提高强度、韧性和耐蚀性，改进热轧工艺性能。为控制钢板偏析，需要控制Mo：P＞15。
本发明实施例所述成分具体可根据钢级和钢管厚度的不同，进行调整。
本发明实施例还提供了一种制备所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼，按上述要求控制钢的化学成分，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1170℃～1210℃，均热0.5～1.5h，然后在1000℃～1100℃粗轧，650℃～950℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～50℃/s，制成热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经J-C-O成型或经U-O成型，再经直缝埋弧焊接，然后经0.6％～1.3％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例通过对钢管的化学成分做合理设计，并通过对制造工艺进行合理设计，使得采用本发明可生产管径760mm～1422mm、壁厚12mm～30mm的X80、X90、X100钢级具有适当性能的可用于输气管道气体爆破试验启裂直缝埋弧焊接钢管，其屈服强度550～840Mpa，抗拉强度625～990Mpa，0℃的夏比冲击韧性为100～200J，落锤试验断口剪切面积≥85％。用做全尺寸气体爆破试验启裂钢管，启裂后断口为延性断裂形貌且无明显断口分离出现。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例1提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.08％，Mn：1.70％，Si：0.28％，P：0.011％，S：0.011％，Al：0.010％，Nb：0.04％，Ti：0.02％，Mo：0.17％，Ni：0.18％，Cu：0.13％，O：0.0019％，H：0.00015％，N：0.005％，碳当量＝0.42％，冷裂纹敏感系数＝0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例1所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1190℃～1210℃，均热0.5h，然后在1050℃～1100℃粗轧，850℃～950℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～30℃/s，制成厚度约为18.4mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经J-C-O成型，采用多道次直缝埋弧焊接，然后经0.6％～0.8％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，J-C-O成型：先使钢板变为J形，再变为C形，然后变为O形。扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径。
性能特点：采用本发明实施例1生产的厚度约为18.4mm、管径1016mm的X80大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为555Mpa～705Mpa，抗拉强度625Mpa～825Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在100J～140J之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90％～95％。
实施例2
本发明实施例2提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.07％，Mn：1.74％，Si：0.22％，P：0.012％，S：0.013％，Al：0.015％，V：0.04％，Ti：0.03％，Mo：0.20％，Ni：0.15％，Cu：0.16％，O：0.0017％，H：0.00014％，N：0.0035％，碳当量＝0.42％，冷裂纹敏感系数＝0.17％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例2所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1190℃～1210℃，均热0.5h，然后在1050℃～1100℃粗轧，850℃～950℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～30℃/s，制成厚度约为22mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经U-O成型，采用直缝埋弧焊接，然后经1.1％～1.3％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，U-O成型：先使钢板变为U形，再变为O形。扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径。
性能特点：采用本发明实施例2生产的厚度约为22mm、管径1422mm的X80大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为555Mpa～705Mpa，抗拉强度625Mpa～825Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在130J～170J之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90％～95％。
实施例3
本发明实施例3提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.10％，Mn：1.57％，Si：0.33％，P：0.014％，S：0.015％，Al：0.018％，V：0.04％，Ti：0.03％，Mo：0.22％，Ni：0.28％，Cr：0.13％，B：0.0015，O：0.0013％，H：0.00010％，N：0.003％，碳当量＝0.46％，冷裂纹敏感系数＝0.23％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例3所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1180℃～1200℃，均热0.5h，然后在1030℃～1080℃粗轧，830℃～930℃精轧，轧后冷却速度25℃/s～35℃/s，制成厚度约为22mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经J-C-O成型，采用多道次直缝埋弧焊接，然后经0.7％-0.8％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，J-C-O成型和U-O成型是本领域常用的术语。J-C-O成型：先使钢板变为J形，再变为C形，然后变为O形。指扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径
性能特点：采用本发明实施例3生产的厚度约为22mm、管径1219mm的X90大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为625Mpa～775Mpa，抗拉强度695Mpa～915Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在130J～170J之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90～95％。
实施例4
本发明实施例4提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.09％，Mn：1.55％，Si：0.30％，P：0.012％，S：0.016％，Al：0.020％，V：0.03％，Ti：0.02％，Mo：0.19％，Cr：0.17％，B：0.0015％，O：0.0011％，H：0.00012％，N：0.0043％，碳当量＝0.43％，冷裂纹敏感系数＝0.19％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例4所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1180℃～1200℃，均热0.5h，然后在1030℃～1080℃粗轧，830℃～930℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～30℃/s，制成厚度约为15.4mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经U-O成型，采用直缝埋弧焊接，然后经1.0％-1.1％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，U-O成型：先使钢板变为U形，再变为O形。扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径。
性能特点：采用本发明实施例4生产的厚度约为15.4mm、管径914mm的X90大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为625Mpa～775Mpa，抗拉强度695Mpa～915Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在130J～170J之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90～95％。
实施例5
本发明实施例5提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.12％，Mn：1.67％，Si：0.27％，P：0.010％，S：0.019％，Al：0.030％，Nb：0.06％，Ti：0.035％，Mo：0.28％，Ni：0.25％，Cu：0.20％，Cr：0.27％，B：0.004％，O：0.0016％，H：0.00013％，N：0.0040％，碳当量＝0.55％，冷裂纹敏感系数＝0.28％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例5所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1170℃～1190℃，均热0.5h，然后在1030℃～1080℃粗轧，820℃～920℃精轧，轧后冷却速度30℃/s～45℃/s，制成厚度约为26.2mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经U-O成型，直缝埋弧焊接，然后经1.1％-1.3％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，U-O成型：先使钢板变为U形，再变为O形。扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径。
性能特点：采用本发明实施例5生产的厚度约为26.2mm、管径1219mm的X100大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为690Mpa-840Mpa，抗拉强度760Mpa-990Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在150J-200J。之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90～95％。
实施例6
本发明实施例6提供的一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，所述钢管的成分按质量百分比计包括，C：0.11％，Mn：1.51％，Si：0.17％，P：0.011％，S：0.012％，Al：0.027％，V：0.035％，Ti：0.025％，Mo：0.17％，Ni：0.16％，Cr：0.15％，O：0.0013％，H：0.00012％，N：0.0038％，碳当量＝0.44％，冷裂纹敏感系数＝0.22％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例还提供了一种制备实施例6所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼及炉外精炼，控制钢中P、S、O、H、N杂质含量，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1170℃～1190℃，均热0.5h，然后在1030℃～1080℃粗轧，820℃～920℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～30℃/s，制成厚度约为12.7mm的热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经J-C-O成型，采用多道次直缝埋弧焊接，然后经0.9％-1.0％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。其中，J-C-O成型：先使钢板变为J形，再变为C形，然后变为O形。U-O成型：先使钢板变为U形，再变为O形。扩径率＝(扩径后的直径-扩径前的直径)/扩径前的直径。
性能特点：采用本发明实施例6生产的厚度约为12.7mm、管径813mm的X100大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，兼备高强度、适当韧性和焊接性，按照ASTMA370标准采用钢管横向圆棒试样测得的屈服强度为690Mpa-840Mpa，抗拉强度760Mpa～990Mpa，按照ASTM E23标准采用钢管横向0℃全尺寸试样测得的夏比冲击韧性控制在120J～160J。之间，按照API RP 5L3标准采用压制缺口试样测得的DWTT试验断口剪切面积90～95％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管，其特征在于，所述钢管的成分按质量百分比计包括：C：0.07％～0.12％，Mn：1.50％～1.75％，Si：0.15％～0.35％，P≤0.015％，S：0.010％～0.020％，Al：0.005％～0.03％，O≤0.002％，H≤0.00015％，N≤0.005％，余量为Fe，其中，碳当量≤0.55％，冷裂纹敏感系数≤0.28％，所述钢管的管径为760mm～1422mm，所述钢管的壁厚12mm～30mm，所述钢管的钢级为X80、X90、X100钢级，其屈服强度550Mpa～840Mpa，其抗拉强度625Mpa～990Mpa，其0℃的夏比冲击韧性控制在100J～200J之间，落锤试验断口剪切面积≥85％，启裂后断口为延性断裂形貌且无明显断口分离出现。
2.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，所述钢管的成分按质量百分比计还包括：Nb：0.01％～0.06％，Ti：0.015％～0.035％，以及V：0.01％～0.05％中的一种或两种以上的合金元素，并且0.06％≤Nb+V+Ti≤0.10％。
3.如权利要求2所述的钢管，其特征在于，所述钢管的成分按质量百分比计还包括：Mo：0.15％～0.30％，Ni：0.15％～0.30％，Cu：0.10％～0.25％，Cr：0.13％～0.30％，以及B：0.001％～0.005％中的一种或两种以上的合金元素，并且0.30％≤Mo+Cr+Ni+Cu≤1.0％，Mo：P＞15。
4.一种制备权利要求1-3任一项权利要求所述大口径高钢级输气管道全尺寸气体爆破试验用启裂钢管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按所述成分质量百分比配比称取各种合金元素，经氧吹转炉熔炼，控制钢的化学成分，连铸成厚板坯；
(2)将(1)中的所述厚板坯加热至1170℃～1210℃，均热0.5h～1.5h，然后在1000℃～1100℃粗轧，650℃～950℃精轧，轧后冷却速度20℃/s～50℃/s，制成热轧钢板；
(3)将(2)中的热轧钢板经J-C-O成型或经U-O成型，再经直缝埋弧焊接，然后经0.6％～1.3％扩径，制成直缝埋弧焊接钢管。
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