CN102812146A - 蒸汽喷射用无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

蒸汽喷射用无缝钢管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供即使在350℃下也具有高屈服应力的蒸汽喷射用钢管。本发明的蒸汽喷射用无缝钢管具有以质量%计含有C：0.03~0.08%、Si：0.05~0.5%、Mn：1.5~3.0%、Mo：大于0.4~1.2%、Al:0.005~0.100%、Ca：0.001~0.005%、N：0.002~0.015%、P：0.03%以下、S：0.01%以下、Cu：1.5%以下且剩余部分为Fe和杂质构成的化学组成。蒸汽喷射用无缝钢管是在热加工后进行水冷、淬火和回火而制造的。

Description

蒸汽喷射用无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及无缝钢管及其制造方法，更具体地涉及蒸汽喷射用无缝钢管及其制造方法。
背景技术
为了从油砂中得到沥青，可利用蒸汽喷射法。蒸汽喷射法是将高温和高压的蒸汽注入到地下的油砂层从而得到沥青的方法。
蒸汽喷射法所使用的钢管将蒸汽导入油砂层。蒸汽的温度为300~350℃。且蒸汽是高压的。因此，要求蒸汽喷射用钢管能够耐受高温和高压。更具体来说，要求在300~350℃的温度域下具有高强度的蒸汽喷射用钢管。
日本特开昭56-29637号公报（专利文献1）、日本特开平2-50917号公报（专利文献2）以及日本特开2000-290728号公报（专利文献3）公开了蒸汽喷射用钢管。
发明内容
这些专利文献1~3所公开的蒸汽喷射用钢在350℃下的屈服强度均低于API5L标准的X80级。更具体来说，这些专利文献的钢在350℃下的屈服应力小于555MPa。
为了从油砂中得到更多的沥青，期望利用比以往更高温度和压力的蒸汽。为了能够利用高温和高压的蒸汽，要求蒸汽喷射用钢管有比以往更高的高温强度。
本发明的目的在于提供即使在350℃下也具有高屈服应力的蒸汽喷射用钢管。
本发明的实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管具有以质量%计含有C：0.03~0.08%、Si：0.05~0.5%、Mn：1.5~3.0%、Mo：大于0.4~1.2%、Al：0.005~0.100%、Ca：0.001~0.005%、N：0.002~0.015%、P：0.03%以下、S：0.01%以下、Cu：1.5%以下且剩余部分为Fe和杂质构成的化学组成。蒸汽喷射用无缝钢管是在热加工后进行水冷、淬火和回火而制造的。
优选上述无缝钢管的化学组成中含有选自由Cr：1.0%以下、Nb：0.1%以下、Ti：0.1%以下、Ni：1.0%以下、V：0.2%以下组成的组中的1种或2种以上替代一部分Fe。
优选上述无缝钢管在350℃下具有600MPa以上的屈服应力。
本发明的实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的制造方法具备：加热圆钢坯的工序；将加热后的圆钢坯穿孔而制造管坯的工序；将管坯轧制而制造无缝钢管的工序；对轧制后的无缝钢管进行水冷的工序；对水冷后的无缝钢管进行淬火的工序；对淬火后的无缝钢管进行回火的工序；其中，所述圆钢坯具有以质量%计含有C：0.03~0.08%、Si：0.05~0.5%、Mn：1.5~3.0%、Mo：大于0.4~1.2%、Al：0.005~0.100%、Ca：0.001~0.005%、N：0.002~0.015%、P：0.03%以下、S：0.01%以下、Cu：1.5%以下且剩余部分为Fe和杂质构成的化学组成。
附图说明
图1为显示制造本实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的设备的构成的功能框图。
图2为显示制造本实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的工序的流程图。
图3为显示图2中各工序中的钢坯、管坯以及无缝钢管的温度的示意图。
图4为显示实施例中钢序号1的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力的关系的图。
图5为显示实施例中钢序号2的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力的关系的图。
图6为显示实施例中钢序号3的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力的关系的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式详细地说明。图中相同或相当的部分赋予同一符号并且不重复进行说明。
本发明人等基于以下的见解完成了本发明的实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管。
（1)多量地含有钼（Mo）时，高温下的屈服强度提高。Mo在钢中固溶，提高高温下的钢的屈服应力。Mo还与C结合形成微细的碳化物，从而强化高温下的钢的屈服应力。
（2）多量地含有Mo时，焊接性降低。但是可通过加速冷却由热加工所制造的无缝钢管并且进行淬火回火，从而提高焊接性。实施了加速冷却、淬火和回火的钢管的晶体颗粒被微细化。因此，焊接热影响部以及母材的韧性提高，抑制了焊接性的降低。
以下对本实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的具体内容进行说明。
[化学组成]
本发明的实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管具有以下的化学组成。以下涉及元素的%意指为质量%。
C：0.03~0.08%
碳（C）提升钢的强度。然而，过多地含有C时，韧性降低，焊接性降低。因此，C含量为0.03~0.08%。优选的C含量的下限为0.04%。优选的C含量的上限为0.06%。
Si：0.05~0.5%
硅（Si）对钢进行脱氧。然而，过多地含有Si时，钢的韧性降低。特别是焊接热影响部的韧性降低，焊接性降低。因此，Si含量为0.05~0.5%。优选的Si含量的上限为0.3%，进一步优选为0.15%。
Mn：1.5~3.0%
锰（Mn）提高钢的淬火性，提升钢的强度。Mn还提高钢的韧性。然而，过多地含有Mn时，耐HIC（Hydrogen InducedCracking：氢致开裂）性降低。因此，Mn含量为1.5~3.0%。优选的Mn含量的下限为1.8%，更优选为2.0%，进一步优选为2.1%。
Mo：大于0.4%~1.2%
钼（Mo）提高钢的高温强度。具体来说，Mo在钢中固溶，提高钢的淬火性。由于淬火性的提高，钢的高温强度提高。Mo还形成微细的碳化物，提升钢的高温强度。Mo在钢中固溶，还增强抗回火软化。然而，过多地含有Mo时，焊接性降低。更具体来说，焊接热影响部的韧性降低。因此，Mo含量大于0.4%且为1.2%以下。Mo含量的优选下限为0.5%，进一步优选为0.6%。
Al：0.005~0.100%
铝（Al）对钢进行脱氧。然而，过多地含有Al时，Al生成簇（cluster）状的夹杂物，钢的韧性降低。过多地含有Al时，在管端加工坡口面时，还易产生表面缺陷。因此，Al含量为0.005~0.100%。Al含量的优选上限为0.050%，进一步优选为0.030%。Al含量的优选下限为0.010%。本发明中Al含量是指酸能够溶解的Al（所谓的Sol.Al）的含量。
Ca：0.001~0.005%
钙（Ca）与S结合形成CaS。由于生成CaS，S被固定。因此，钢的韧性和耐腐蚀性提高。钙还抑制了浇注时连续铸造装置喷嘴的堵塞。另一方面，过多地含有Ca时，Ca易生成簇状的夹杂物，耐HIC性降低。因此，Ca含量为0.001~0.005%。
N：0.002~0.015%
氮（N）提高钢的淬火性，提升钢的强度。另一方面，过多地含有N时，钢的韧性降低。因此，N含量为0.002~0.015%。
P：0.03%以下
磷（P）是杂质。P降低钢的韧性。因此，优选P含量越少越好。P含量为0.03%以下。
S：0.01%以下
硫（S）是杂质。S降低钢的韧性。因此，优选S含量越少越好。S含量为0.01%以下。
Cu：1.5%以下
铜（Cu）增强耐HIC性。具体来说，Cu抑制氢侵入钢中，抑制HIC的产生和传播。即使少量地含有Cu时，也可获得上述效果。优选的Cu含量为0.02%以上。另一方面，过多地含有Cu时，上述效果即为饱和。因此，Cu含量为1.5%以下。
本实施方式的无缝钢管的化学组成的剩余部分为Fe和杂质。
本实施方式的无缝钢管还可以含有选自由Cr、Nb、Ti、Ni和V组成的组中的1种或2种以上替代一部分上述Fe。这些元素提升钢的强度。
Cr：1.0%以下
铬（Cr）是选择元素。Cr提高钢的淬火性，提升钢的强度。即使少量地含有Cr时，也可获得上述效果。优选的Cr含量为0.02%以上，更优选为0.1%以上，进一步优选为0.2%以上。另一方面，过多地含有Cr时，钢的韧性降低。因此，Cr含量为1.0%以下。
Nb：0.1%以下
铌（Nb）是选择元素。Nb形成碳氮化物，微细化钢的晶体颗粒。因此，Nb提升钢的强度和韧性。即使少量地含有Nb时，也可获得上述效果。优选的Nb含量为0.003%以上。另一方面，过多地含有Nb时，上述效果即为饱和。因此，Nb含量为0.1%以下。
Ti：0.1%以下
钛（Ti）是选择元素。Ti抑制连续铸造时铸片表面缺陷的产生。Ti还生成碳氮化物，从而微细化钢的晶体颗粒。因此，Ti提升钢的强度和韧性。即使少量地含有Ti时，也可获得上述效果。优选的Ti含量为0.003%以上。另一方面，过多地含有Ti时，上述效果即为饱和。因此，Ti含量为0.1%以下。
Ni：1.0%以下
镍（Ni）是选择元素。Ni提高钢的淬火性，提升钢的强度和韧性。即使少量地含有Ni时，也可获得上述效果。优选的Ni含量为0.02%以上。另一方面，过多地含有Ni时，上述效果即为饱和。因此，Ni含量为1.0%以下。
V：0.2%以下
钒（V）是选择元素。V生成碳氮化物，从而微细化钢的晶体颗粒。因此，V提升钢的强度和韧性。即使少量地含有V时，也可获得上述效果。优选的V含量为0.003%以上。另一方面，过多地含有V时，钢的韧性降低。因此，V含量为0.2%以下。
[制造方法]
本实施方式的无缝钢管在热加工后被加速冷却。无缝钢管在加速冷却后进一步进行淬火和回火。采用上述工序制造的无缝钢管在350℃下的屈服应力为600MPa以上。由于无缝钢管具有晶体颗粒被微细化的组织，所以还具有高韧性。因此，尽管Mo含量高，但仍然抑制了钢的焊接性的降低。以下对本实施方式的无缝钢管的制造方法进行详细描述。
[制造设备]
图1为显示本实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的生产线的一个例子的框图。参照图1，生产线具备加热炉1、穿孔机2、拉伸轧制机3、定径轧制机4、辅助加热炉5、水冷装置6、淬火装置7和回火装置8。各装置间配置了多个输送辊10。图1中，生产线中包括了淬火装置7和回火装置8。然而，淬火装置7和回火装置8也可任选从生产线中脱离而配置。总之，淬火装置7和回火装置8也可任选离线配置。
[制造流程]
图2为显示制造本实施方式的无缝钢管的工序的流程图，图3为显示制造中的轧制材料（圆钢坯、管坯和无缝钢管）的表面温度相对于时间的变化的图。
参照图2和图3，在本实施方式的蒸汽喷射用无缝钢管的制造方法中，首先用加热炉1加热圆钢坯（S1）。接着，将加热后的圆钢坯热加工形成无缝钢管（S2和S3）。具体来说，使用穿孔机2将圆钢坯穿轧形成管坯（S2）。进而用拉伸轧制机3、定径轧制机4轧制管坯，形成无缝钢管（S3）。根据需要，使用辅助加热炉5将由热加工制造的无缝钢管加热至特定的温度（S4）。接着，使用水冷装置6对无缝钢管进行水冷（加速冷却：S5）。使用淬火装置7对水冷后的无缝钢管进行淬火（S6），使用回火装置8进行回火（S7）。以下，对各个工序进行详细地说明。
[加热工序（S1）]
首先用加热炉1加热圆钢坯。优选的加热温度为1050℃~1300℃。在该温度范围内加热圆钢坯时，穿轧时圆钢坯的热加工性良好，抑制表面缺陷的产生。另外，在该加热温度范围内加热圆钢坯时，可抑制晶体颗粒的粗大化。加热炉1例如为公知的步进式加热炉、旋转炉。
[穿孔工序（S2）]
从加热炉1中取出圆钢坯。之后，使用穿孔机2将加热后的圆钢坯穿轧。穿孔机2具有公知的构成。具体来说，穿孔机2具备一对倾斜辊和顶头(plug)。顶头配置在倾斜辊间。优选的穿孔机2是交叉型的穿孔机。其原因是，能够以高扩径率进行穿孔。
[轧制工序（S3）]
接着轧制管坯。具体来说，使用拉伸轧制机3拉伸轧制管坯。拉伸轧制机3包括串联排列的多个辊轧机。拉伸轧制机3例如为芯棒式无缝管轧机。接着，使用定径轧制机4将拉伸轧制后的管坯定径轧制，从而制造无缝钢管。定径轧制机4包括串联排列的多个辊轧机。定径轧制机4例如为定径机、拉伸缩径轧机。
定径轧制机4的多个辊轧机之中，将由最末尾的辊轧机轧制后的管坯的表面温度定义为“最终温度”。最终温度例如通过配置在定径轧制机4最末尾的辊轧机的出口侧的温度传感器来测量。优选的最终温度为如图3所示的A3点（更具体地为Ac3点）以上。更优选的最终温度为900℃以上，进一步优选为950℃以上。具有本发明的化学组成的无缝钢管的Ac3点为750~950℃。最终温度为900℃以上时，对于定径轧制中的管坯，因辊脱热造成的热损失小。因此，能够减少制造的无缝钢管的温度不均匀。
[再加热工序（S4）]
根据需要实施再加热工序（S4）。总之，也可以不实施再加热工序。不实施再加热工序时，在图2中，由步骤S3推进至步骤S5。另外，不实施再加热工序时，在图1中，也可以不配置辅助加热炉5。
实施再加热工序时，将制造的无缝钢管装入辅助加热炉5并进行加热。由此，减少制造的无缝钢管的温度不均匀。辅助加热炉5的加热温度为Ar3点~1100℃。加热温度小于Ar3点时，α相析出且组织变得不均匀，强度的偏差变大。另一方面，加热温度大于1100℃时，晶体颗粒粗大化。优选的加热时间为1~30分钟。
[水冷工序（S5）]
使用水冷装置6对步骤S3中制造的无缝钢管或者步骤S4中再加热后的无缝钢管进行水冷（加速冷却）。水冷之前的无缝钢管的表面温度实质上等同于最终温度或者辅助加热炉中的加热温度。即，水冷之前的无缝钢管的表面温度为A3点以上，优选为900℃以上，进一步优选为950℃以上。
水冷装置6具备多个旋转辊、层流水流装置和水流喷注装置。多个旋转辊配置成2列，无缝钢管配置在排列成2列的多个旋转辊之间。此时，2列旋转辊分别与无缝钢管的外表面下部接触。旋转辊旋转时，无缝钢管轴向旋转。层流水流装置配置在旋转辊的上方，从上方对无缝钢管洒水。此时，对无缝钢管洒的水形成分层状的水流。水流喷注装置配置在配置有旋转辊的无缝钢管的端附近。水流喷注装置从无缝钢管端向钢管内部喷射喷注水流。使用层流水流装置和水流喷注装置同时冷却无缝钢管的外表面和内表面。
优选水冷装置6冷却无缝钢管直至无缝钢管的表面温度为450℃以下为止。换而言之，水冷停止温度为450℃以下。将水冷停止温度设为450℃以下时，通过在后续工序中进行淬火，从而进一步微细化无缝钢管的晶体颗粒。其结果，无缝钢管的韧性进一步提高。
水冷装置6优选的冷却速度为10℃/秒以上。水冷装置6也可以为上述旋转辊、层流水流装置和水流喷注装置以外的其它装置。水冷装置6例如也可以为水槽。此时，将步骤S3中制造的无缝钢管浸渍在水槽内冷却。这样的冷却方法被称为“浸渍冷却”。此外水冷装置6也可以仅为层流水流装置。总之，不限定冷却装置6的种类。
[淬火工序（S6）]
对由水冷装置6水冷后的无缝钢管进行淬火。优选的淬火温度大于Ac3点且为1000℃以下。将无缝钢管加热至上述淬火温度时，无缝钢管的组织从贝氏体相变为微细的奥氏体组织。即，发生逆相变。此时，晶体颗粒被微细化。即，通过在步骤S5中实施加速冷却，能够促进淬火工序中晶体颗粒的微细化。
淬火温度小于Ac3相变点时，未充分地发生逆相变。另一方面，淬火温度大于1000℃时，晶体颗粒粗大化。淬火处理优选的均热时间为10秒~30分钟。淬火温度下均热后，对无缝钢管进行水冷。
[回火工序（S7）]
对淬火后的钢管进行回火。回火温度为Ac1点以下，可根据所期望的力学特性进行调整。通过回火处理，本发明的无缝钢管在350℃下的屈服应力可以为600MPa以上。回火温度的偏差优选为±10℃，进一步优选为±5℃。回火温度的偏差越小，越容易获得所期望的力学特性。
在以上的制造方法中，实施加速冷却（S5），之后实施淬火处理（S6）。通过这些工序，可促进晶体颗粒的微细化。因此，制造的无缝钢管具有优异的韧性。因此，本实施方式的无缝钢管尽管含有较多的Mo，但仍可抑制韧性的降低，抑制焊接性的降低。
此外，通过对具有上述化学组成的无缝钢管进行淬火和回火，可以使无缝钢管在350℃下的屈服应力为600MPa以上。
实施例
制造具有各种化学组成的多根蒸汽喷射用无缝钢管，并考察在常温（23℃）~360℃下的屈服应力。
[考察方法]
制造具有表1显示的化学组成的多个钢坯。
[表1]
Figure BDA00002153124200121
参照表1，钢序号1（本发明例）和钢序号2（本发明例）的钢坯的化学组成在本发明的化学组成的范围内。与此相对，钢序号3（比较例）的化学组成在本发明的化学组成的范围外。具体来说，钢序号3的Mn含量小于本发明的Mn含量的下限。另外，钢序号3的Mo含量小于本发明的Mo含量的下限。钢序号3除Mn和Mo以外的其它元素的含量在本发明的范围内。钢序号1~3的N含量均在0.002~0.015%的范围内。其中，钢序号2的Ti含量以及钢序号1和2的Nb含量处于杂质水平。
使用加热炉加热制造的各钢坯。接着，使用穿孔机将各钢坯穿轧形成管坯。接着，使用芯棒式无缝管轧机将各管坯拉伸轧制。接着，使用定径机将各管坯定径轧制，从而制造多根无缝钢管。接着，对钢序号1和2的无缝钢管进行水冷（加速冷却）。无缝钢管的最终温度均为1100℃，水冷停止温度为450℃。与此相对，对于钢序号3的无缝钢管，在轧制后进行空冷。
对冷却后的各无缝钢管进行淬火。淬火温度均为950℃，进行40分钟均热。淬火后，对各无缝钢管进行回火。回火温度为650℃，进行30分钟均热。通过以上工序制造蒸汽喷射用无缝钢管。
[屈服应力]
从制造的各无缝钢管的壁厚中央部按照ASTM A370采集多个拉伸试验片。然后，使用拉伸试验片，在常温（23℃）~360℃的温度范围下根据ASTM E21实施拉伸试验。更具体来说，对于各试验序号，在23℃、100℃、200℃、300℃、350℃（仅钢序号3）、360℃（仅钢序号1和2）的各个温度下使用2个拉伸试验片实施拉伸试验。基于试验结果，求出屈服应力和拉伸强度。在本实施例中，使用0.5%总伸长法求出屈服应力。
[考察结果]
表2显示各钢序号的无缝钢管的屈服应力和拉伸强度。图4显示钢序号1的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力及拉伸强度的关系。图5显示钢序号2的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力及拉伸强度的关系。图6显示钢序号3的无缝钢管的拉伸试验温度与屈服应力及拉伸强度的关系。图4~图6中的记号“◆”表示屈服应力。记号“■”表示拉伸强度。
[表2]
Figure BDA00002153124200151
表2中的“屈服应力”栏显示对应的钢序号在各温度下的屈服应力（MPa）。各温度下的屈服应力显示出2个值。例如，钢序号1在23℃下的屈服应力栏记载了“720/721”。此时，由2个拉伸试验片得到的屈服应力显示为720MPa、721MPa。同样地，表2中的“拉伸强度”栏显示对应的钢序号在各温度下的拉伸强度（MPa）。
参照表2和图4~图6，在所有的温度域下，钢序号1和钢序号2的无缝钢管的屈服应力均大于钢序号3的无缝钢管的屈服应力。另外，钢序号1和2在350℃下的屈服应力为600MPa以上。与此相对，钢序号3在350℃下的屈服应力小于600MPa。
以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明并不受到上述实施方式的限定，只要在不脱离本发明宗旨的范围内，可将上述实施方式适当变更而实施。

Claims (6)

1.一种蒸汽喷射用无缝钢管，其具有以质量%计含有
C：0.03~0.08%、
Si：0.05~0.5%、
Mn：1.5~3.0%、
Mo：大于0.4~1.2%、
Al：0.005~0.100%、
Ca：0.001~0.005%、
N：0.002~0.015%、
P：0.03%以下、
S：0.01%以下、
Cu：1.5%以下、
且剩余部分为Fe和杂质构成的化学组成，
其在热加工后进行水冷并且进行淬火和回火而制造。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管，其中，所述化学组成中含有选自由
Cr：1.0%以下、
Nb：0.1%以下、
Ti：0.1%以下、
Ni：1.0%以下、
V：0.2%以下
组成的组中的1种或2种以上替代一部分所述Fe。
3.根据权利要求1所述的无缝钢管，其在350℃下具有600MPa以上的屈服应力。
4.根据权利要求2所述的无缝钢管，其在350℃下具有600MPa以上的屈服应力。
5.一种蒸汽喷射用无缝钢管的制造方法，其具备：
加热圆钢坯的工序；
将加热后的所述圆钢坯穿孔而制造管坯的工序；
将所述管坯轧制而制造无缝钢管的工序；
对轧制后的所述无缝钢管进行水冷的工序；
对水冷后的所述无缝钢管进行淬火的工序；
对淬火后的所述无缝钢管进行回火的工序；
其中，所述圆钢坯具有以质量%计含有
C：0.03~0.08%、
Si：0.05~0.5%、
Mn：1.5~3.0%、
Mo：大于0.4~1.2%、
Al：0.005~0.100%、
Ca：0.001~0.005%、
N：0.002~0.015%、
P：0.03%以下、
S：0.01%以下、
Cu：1.5%以下、
且剩余部分为Fe和杂质构成的化学组成。
6.根据权利要求5所述的无缝钢管的制造方法，其中，所述圆钢坯的化学组成中含有选自由
Cr：1.0%以下、
Nb：0.1%以下、
Ti：0.1%以下、
Ni：1.0%以下、
V：0.2%以下
组成的组中的1种或2种以上替代一部分所述Fe。
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