CN102851613A

CN102851613A - 一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN102851613A
Application number: CN2011101798405A
Authority: CN
Inventors: 张帅; 任毅; 王爽; 刘文月; 张禄林
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: CN102851613B

Abstract

本发明公开一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板及其生产方法，其化学成分组成为C：0.04％～0.10％、Si：0.10％～0.35％、Mn：1.55％～1.85％、Nb：0.02％～0.08％、Ti：0.008％～0.020％、Al：0.010％～0.040％、P≤0.020％、S≤0.003％、Mo＜0.20％、Cu≤0.25％、Ni≤0.30％、Cr≤0.25％、N≤0.008％、Al/N≥3、Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％、Nb+Ti≤0.09％、Ti/N：2.5～5，余量为铁和不可避免的杂质。CE_IIW0.40％～0.45％、CE_PCM0.16％～0.21％，铸坯的加热温度1160～1230℃，采用4阶段加热，粗轧980～1120℃，精轧790～900℃，轧后冷却温度750～800℃，冷却速度5～35℃/s，终冷温度430～520℃，本发明屈服强度555MPa以上，纵向抗拉强度630MPa以上，具有良好的抗断裂能力、抗腐蚀和抗疲劳性能，具备良好的综合性能，并可降低成本。

Description

一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳微合金钢技术领域，尤其涉及一种低成本高强度高韧性的厚规格海洋钻井隔水管用热轧钢板及其生产方法。

背景技术

海洋地层中蕴藏着丰富的油气资源，在能源消耗剧增的今天，海底油气资源的开采和利用越来越受到重视；据估计，海底油气资源的90％处于水深超过1000m，甚至2000m的海底地层中，开采的难度巨大。同时，随着水深的增加，管道的受力和工作条件越发恶劣，对管道用钢的性能要求也更加苛刻。隔水管是从海洋平台或钻井船到海底井口的重要连接部分，其在工作时承受着如波浪海流运动、涡激震动、周期扭转、旋转弯曲等复杂多变的应力和载荷，对管体的综合性能提出了很高的要求。与一般管线不同，隔水管要求具有较高的纵向拉伸性能、优异的低温韧性、抗腐蚀性能、抗挤毁性能及抗疲劳性能，同时，隔水管在制造过程中一般曲率半径小、径厚比小，对性能影响较大，因此，要求钢板具有更为适宜的微观组织匹配。

目前，海洋隔水管用钢的研究尚不成熟，对高钢级隔水管用钢的研究更是匮乏；现有的有关隔水管的专利和文献对隔水管用钢鲜有涉及。例如专利US20070750708“Rapid make up drilling riser”介绍的是隔水管系统的组装方法；专利EP20090166630“Composite enhanced metallic drilling riser system”、200820029879.2“海洋深水钻井隔水管装置”、200780049409.0“海上通用隔水管系统”介绍的是隔水管系统的组成等；文献《超深水钻井隔水管影响因素》、《海洋深水钻井隔水管力学特性分析》等分析的是隔水管系统的受力情况及影响因素。文献《深水钻井隔水管的应用及发展趋势》、《国外深水钻井隔水管系统产品技术现状与进展》介绍了轻质合金、铝合金制造的隔水管，其制作成本明显高于钢质隔水管，同时，文献中提到目前实际应用的钢质隔水管多采用同等级的管线管作为材料，尤其是深水用隔水管一般采用X80钢。例如，公开号CN1715434A的专利，名称为“高强度高韧性X80管线钢及其热轧板制造方法”，介绍了一种X80管线钢，其化学成分重量百分比为C：0.025％～0.080％、Si：0.19％～0.30％、Mn：1.70％～1.90％、Ti：0.01％～0.02％、Al：0.015％～0.040％、V：0.055％～0.065％、Ni≤0.30％、Cr≤0.02％、B≤0.0002％、P≤0.018％、S≤0.005％、Ca：0.002～0.003％、Mo：0.20％～0.40％、Cu≤0.30％、Nb：0.02％～0.08％、N≤0.006％、O≤0.004％、H≤0.00025％；该专利所述X80钢板厚度均不超过15mm，钢中添加较多Mo、Ni等贵重合金元素，成本较高，而且，拉伸性能为30°和45°方向，与要求纵向拉伸性能的隔水管存在差异，同时，其实施例中-20℃冲击韧性仅达到90J或300J左右。还有CN1584097A的专利，名称为“高强度高韧性输送管线钢及其制备方法”，产品化学成分重量百分比为C：0.01％～0.06％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.61％～2.0％、P：0.0031％～0.018％、S≤0.003％、Nb：0.051％～0.09％、Ti≤0.025％、Mo：0.10％～0.40％、Cu：0.10％～0.40％、Ni：0.10％～0.40％；所介绍管线钢厚度10-20mm，所添加的合金元素较多，Mo+Ni+Cu含量超过0.70％，-20℃冲击韧性在330J以下，拉伸方向非纵向。隔水管特别是深水隔水管要求钢板在具有高强度的同时，必须保证有较大的厚度，以提高其抵抗水压、张力挤毁的能力；另外，由隔水管的承载和工作条件决定隔水管必须具有高的纵向拉伸性能以保证安全性，以上两专利所提管线钢厚度偏小，缺乏纵向拉伸性能要求，同时，合金成分设计较高，经济性不足，不适于作为生产海洋钻井隔水管尤其是深水隔水管的原料。因此，现有技术对厚规格高性能的海洋隔水管用钢的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板及其生产方法。

为实现发明目的本发明钢板的化学成分组成(重量百分比)为C：0.04％～0.10％、Si：0.10％～0.35％、Mn；1.55％～1.85％、Nb：0.02％～0.08％、Ti：0.008％～0.020％、Al：0.010％～0.040％、P≤0.020％、S≤0.003％、Mo＜0.20％、Cu≤0.25％、Ni≤0.30％、Cr≤0.25％、N≤0.008％、Al/N≥3、Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％、Nb+Ti≤0.09％、Ti/N：2.5～5，余量为铁和不可避免的杂质。钢的CE_IIW控制在0.40％～0.45％、CE_PCM控制在0.16％～0.21％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，CE_PCM＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

本发明所应用钢板厚度在25～33mm，钢板厚度的增大会导致坯料至钢板的压缩变形量减少、冷却均匀性降低、易发生中心偏析等问题，对钢板的设计和生产工艺提出了更高的要求。

本发明成分设计理由：

C是保证强度的有效元素，为使钢板获得高强度，C含量必须保证下限为0.04％，但C含量增加，材料的韧性、焊接性等会降低，因此，上限设为0.10％。

Si是有效的脱氧元素，还可以起到强化作用，但Si含量过高会使钢的塑性和韧性降低，因此设定其范围是0.10％～0.35％。

Mn是保证强度的重要元素，价格便宜，可以替代一些贵重合金元素，但Mn易偏析，其含量过高会影响韧性和抗腐蚀性，因此本发明认为将Mn含量控制在1.55％～1.85％较为适宜。

P、S为有害杂质元素，会诱发偏析，增大材料脆性，因此，其含量越低越好。

Mo、Cr可以有效增大材料的淬透性，推迟过冷奥氏体相变，有利于提高强度，但含量过高对材料焊接性有不利影响，另外，从成本角度考虑也要适当设定其上限。

Nb、Ti是固溶强化和析出强化元素，可以起到良好的细晶和强化效果，但其含量过高会影响韧性和焊接性，增加生产成本。

Ni、Cu起固溶强化作用，还能改善耐蚀性，同时还是奥氏体稳定元素，可以提供淬透性，但其含量过高会影响经济性和焊接性。

N的存在会恶化母材和焊接热影响区的韧性，其含量不超过0.008％为宜。

Al是脱氧的必要元素，因此必须保证其含量，但Al含量过高会使钢中的夹杂物增加，因此，Al的含量控制在0.010％～0.040％为宜。Al/N≥3可以有效保证脱氧效果和Al-Ti-Mn复合化物的形成，有利于提高洁净度。

本发明的CE_IIW控制在0.40％～0.45％、CE_PCM控制在0.16％～0.25％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

本发明所述低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的生产方法包括铁水预处理、冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却，其特征在于：轧制过程中连铸坯的加热温度1160～1230℃，采用4阶段加热，其中，前3段为预热及加热段，加热温度1180～1230℃，加热时间0.7～1.0min/mm，最后1段为均热段，加热温度1160～1210℃，加热时间0.2～0.4min/mm，分段加热工艺可以有效增加铸坯温度均匀性，提高加热效率，降低成本，坯料总体加热时间1.0～1.3min/mm，均热段保温时间不小于40min，该加热工艺可以使铸坯充分奥氏体化，获得尺寸适宜的奥氏体晶粒，同时，保证合金元素的固溶和均匀化；粗轧阶段采用横纵向轧制，粗轧温度980～1120℃，道次变形量不小于15％，横向轧制总变形量不小于30％，粗轧过程可以有效细化奥氏体晶粒，同时，保证材料具有良好的纵横向性能；精轧温度790～900℃，精轧阶段累计变形量65％～80％，道次变形量不小于10％，精轧阶段可以有效增加奥氏体形变量，提高相变形核率，同时，较高的终轧温度有利于提高纵横向性能均匀性；轧后开始冷却温度750～800℃，冷却速度5～35℃/s，终冷温度430～520℃，之后空冷或堆垛缓冷至室温，通过控制冷却过程可以获得强韧性匹配良好的针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织，铁素体比例可达15％～50％(体积百分比)，从而，在不添加过多合金元素的前提下得到良好的综合性能，有效降低成本。

本发明的优点及效果在于：

1.本发明所提供的隔水管用钢厚度达25mm以上，其纵向屈服强度可达到555MPa以上，纵向抗拉强度达到630MPa以上，具有良好的抗挤毁能力。

2.本发明所提供的隔水管用钢低温韧性优异，横向-60℃的冲击韧性大于等于350J，横向-10℃DWTT剪切面积大于等于85％，微观组织为针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织，晶粒度达到10级以上，具有良好的抗断裂能力，保证了抗腐蚀和抗疲劳性能。

3.本发明所提供的隔水管用钢成分以C、Mn、Ti、Nb为基础，选择性添加也可不添加Mo、Cr、Ni、Cu等元素，且保证Mo、Cr、Ni、Cu总量不超过0.70％，经济效果明显，有效降低了合金成本；Al、Ti、N含量的控制保证材料具有良好的洁净度及时效后性能稳定性。

4.本发明通过合理控制纵横向轧制变形工艺有效提高了纵向拉伸强度及纵横向性能均匀性，较高的精轧温度范围降低了轧制能耗，同时，加快了生产节奏、提高了生产效率。

综上所述，本发明所提供的厚规格海洋隔水管用钢，综合性能优异，适用于作为制造海洋油气钻井用隔水管的原料。

附图为本发明实施例的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例做详细说明：本发明钢所采用的化学成分组成包括，重量百分比为C：0.04％～0.10％、Si：0.10％～0.35％、Mn：1.55％～1.85％、Nb：0.02％～0.08％、Ti：0.008％～0.020％、Al：0.010％～0.040％、P≤0.020％、S≤0.003％、Mo＜0.20％、Cu≤0.25％、Ni≤0.30％、Cr≤0.25％、N≤0.008％、Al/N≥3、Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％、Nb+Ti≤0.09％、Ti/N：2.5～5，余量为铁和不可避免的杂质，其CE_IIW控制在0.40％～0.45％、CE_PCM控制在0.16％～0.21％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5， CE_PCM＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

并通过以下工艺实现，生产方法包括铁水预处理、冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却，其特征在于：轧制过程中连铸坯的加热温度1160～1230℃，采用4阶段加热，其中，前3段为预热及加热段，加热温度1180～1230℃，加热时间0.7～1.0min/mm，最后1段为均热段，加热温度1160～1210℃，加热时间0.2～0.4min/mm，坯料总体加热时间1.0～1.3min/mm，均热段保温时间不小于40min，粗轧阶段采用横纵向轧制，粗轧温度980～1120℃，道次变形量不小于15％，横向轧制总变形量不小于30％；精轧温度790～900℃，精轧阶段累计变形量65％～80％，道次变形量不小于10％，轧后开始冷却温度750～800℃，冷却速度5～35℃/s，终冷温度430～520℃，之后空冷或堆垛缓冷至室温。采用本发明成分设计及工艺的钢可以获得强韧性匹配良好的针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织。

下面介绍本发明的几个最佳实施例：

本发明实施例的化学成分见表1；相应实施例的轧制工艺见表2；综合性能情况见表3。

表1本发明实施例低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的化学成分 wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Ni
									1	0.066	0.21	1.78	0.012	0.003	0.053	0.016	0.13
2	0.097	0.33	1.84	0.008	0.002	0.076	0.014	-
									3	0.043	0.13	1.83	0.008	0.002	0.024	0.009	-
4	0.071	0.29	1.58	0.010	0.002	0.040	0.016	0.27
									5	0.068	0.35	1.73	0.010	0.002	0.054	0.011	0.24
6	0.077	0.29	1.78	0.008	0.002	0.033	0.018	-
									7	0.073	0.33	1.77	0.011	0.001	0.040	0.015	0.08

[0031]

实施例	Cu	Mo	Cr	N	Al	Ti/N	CE_IIW	CE_PCM
									1	0.13	0.09	0.15	0.0062	0.035	2.58	0.428	0.184
2	-	-	-	0.0049	0.027	2.86	0.404	0.20
									3	0.10	0.18	0.22	0.0033	0.014	2.73	0.423	0.163
4	0.20	-	0.22	0.0038	0.031	4.21	0.412	0.187
									5	0.22	0.17	-	0.0045	0.036	2.67	0.421	0.193
6	-	0.17	0.24	0.0038	0.026	4.74	0.450	0.198
									7	0.25	0.19	0.10	0.0036	0.031	4.17	0.448	0.204

表2本发明实施例低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的生产工艺

表3本发明实施例低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的性能

Claims

1.一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板，其特征在于，化学成分组成包括，重量百分比，C：0.04％～0.10％、Si：0.10％～0.35％、Mn：1.55％～1.85％、Nb：0.02％～0.08％、Ti：0.008％～0.020％、Al：0.010％～0.040％、P≤0.020％、S≤0.003％、Mo＜0.20％、Cu≤0.25％、Ni≤0.30％、Cr≤0.25％、N≤0.008％、Al/N≥3、Ni+Cu+Mo+Cr≤0.70％、Nb+Ti≤0.09％、Ti/N：2.5～5，余量为铁和不可避免的杂质，其CE_IIW在0.40％～0.45％、CE_PCM控制在0.16％～0.21％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，CE_PCM＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

2.如权利要求1所述的一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的生产方法，其特征在于，生产方法包括铁水预处理-冶炼-炉外精炼-连铸-轧制-冷却，其特征在于：轧制过程中连铸坯的加热温度1160～1230℃，采用4阶段加热，其中，前3段为预热及加热段，加热温度1180～1230℃，加热时间0.7～1.0min/mm，最后1段为均热段，加热温度1160～1210℃，加热时间0.2～0.4min/mm，坯料总体加热时间1.0～1.3min/mm，均热段保温时间不小于40min，粗轧阶段采用横纵向轧制，粗轧温度980～1120℃，道次变形量不小于15％，横向轧制总变形量不小于30％；精轧温度790～900℃，精轧阶段累计变形量65％～80％，道次变形量不小于10％，轧后开始冷却温度750～800℃，冷却速度5～35℃/s，终冷温度430～520℃，之后空冷或堆垛缓冷至室温。

3.根据权利要求2所述的一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板的生产方法，其特征在于，通过控制冷却过程可以获得强韧性匹配良好的针状铁素体+贝氏体的复合细晶组织，铁素体比例可达15％～50％。