CN102912253B - 一种高频直缝焊管及其制造方法 - Google Patents

一种高频直缝焊管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频直缝焊管，其化学元素质量百分含量为：C：0.042～0.056%；Si：0.18～0.22%；Mn：0.75～0.95%；P：0.0064～0.015%；S：0.0006～0.002%；Ti：0.012～0.018%；V：0.001～0.002%；Al：0.026～0.038%；Ni：0.080～0.13%；Nb：0.020～0.029%；Cu：0.125～0.135%；Cr：0.018～0.03%；Mo：0.004～0.008%；B：0～0.0005%；Ca：0.001～0.003%；余量为Fe和其他不可避免的杂质。同时，本发明还公开了一种高频直缝焊管的制造方法。

Description

一种高频直缝焊管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种高频焊管及其制造方法。
背景技术
在石油天然气生产和输送领域中，高频直缝焊管（HFW）以其制造成本低、尺寸精度高、定尺长度容易控制等优势获得广泛应用，主要用于陆上、海底的石油、天然气、矿浆的输送，应用前景广阔。
随着全球对于石油及天然气需求的不断增长，石油井和天然气井的开采条件日趋恶化、复杂。由于一些H、S含量高，具有严重腐蚀环境的油气田的相继开发，因此迫切需要钢管制造业开发与生产适应在这类酸性工作条件下的石油、天然气输送用管。目前，我国有上百套高频直缝焊管（HFW）机组，但大多数厂家只能依靠大型钢厂提供板卷原料，主要生产常规钢级钢管。对于市场需求急迫的抗HIC（hydrogen induced crack，氢致裂纹）性能优异的较高钢级的管线管，国内尚无相应的生产厂家。对于抗HIC性能的L360MCS钢级高频直缝焊管及其制造工艺，目前国内尚存在空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频直缝焊管及其制造方法，该高频直缝焊管具备良好的抗HIC性能，并可达到L360MCS钢级性能，具有较高屈服强度，抗拉强度，冲击韧性和焊接性能。
为达到上述发明目的，本发明提供了一种高频直缝焊管，其化学元素质量百分含量为：
C：0.042～0.056%；
Si：0.18～0.22%；
Mn：0.75～0.95%；
P：0.0064～0.015%；
S：0.0006～0.002%；
Ti：0.012～0.018%；
V：0.001～0.002%；
Al：0.026～0.038%；
Ni：0.080～0.13%；
Nb：0.020～0.029%；
Cu：0.125～0.135%；
Cr：0.018～0.03%；
Mo：0.004～0.008%；
B：0～0.0005%；
Ca：0.001～0.003%；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述的高频直缝焊管中主要化学元素的成分设计原理如下：
C：C是管线钢的主要固溶强化元素。经研究人员通过大量实验表明，随着带钢中C含量增加，带钢的氢致裂纹（HIC）的敏感性随之增加，所以适当控制C的含量在可接受的不影响带钢强度的下限范围是必要的。本成分适当降低了C的含量，从通常的0.07wt%左右降低为0.056wt%以下。因而，本发明的技术方案中将C控制为0.042～0.056wt%。
S：在低硫钢中，裂纹长度率降低且在破裂断口上呈现MnS，这说明在带钢中降低N、S可以有效地控制裂纹生成。但是如果将S的含量降低到很低也不能避免带钢裂纹的发生，所以一味追求降低S含量的也是不必要的。发明人通过大量实验发现，将S的质量百分含量控制在0.0006～0.002%既可以满足耐蚀要求又可以防止带钢裂纹产生。
Ca：Ca处理对带钢抗氢致裂纹（HIC）性能有重要影响。本技术方案中，在成分中添加适当的Ca，在最终凝固位置析出的CaS，经轧制后使之变化成球状夹杂物，提高了带钢的抗氢致裂纹（HIC）性能。但Ca的含量控制与S含量具有相关关系。故本发明的技术方案将Ca的含量控制在0.001～0.003wt%。
Cu：在众多的合金元素中，仅有铜对抗氢致裂纹（HIC）性能是有利的。在管线钢中加入一定量的铜，氢致裂纹敏感性明显减小，主要是铜促进了钝化膜的形成，减少了氢元素的侵入，阻碍了氢致裂纹的形成。本发明的技术方案中通过加入一定量的铜，提高了抗氢致裂纹（HIC）的性能。因此，将Cu含量控制在0.125～0.135wt%。
Mn：Mn对管线钢氢致裂纹敏感性的作用主要表现在Mn对带钢相变过程的影响。当Mn含量超过1.0wt%时，氢致裂纹（HIC）的敏感性增加。所以，在本发明的技术方案中将Mn含量设定为0.75～0.95wt%。
相应地，本发明还提供了上述高频直缝焊管的制造方法，包括以下步骤：
在荒管成型步骤，控制挤压量，使其为焊管外径的2～3%；
在焊接步骤，控制焊接速度为18～20m/min；
在焊后热处理步骤，对焊缝进行正火热处理，温度为930～970℃，正火后使焊缝空冷至380℃以下，然后水冷使焊缝的温度降至80℃以下。
进一步地，在本发明的高频直缝焊管的制造方法的荒管成型步骤中，控制开口角为3～4.2°。
在本发明的技术方案中，焊接前后的挤压量控制为焊管外径的2～3%，该挤压量是指挤压前的荒管周长和挤压后的周长之差。在熔化状态时，焊缝处的熔池裸露在空气中，容易发生氧化反应，氧化反应产物与带钢化学成分密切相关。因此，需要采用较大的挤压量，将生产的高熔点产物挤压到带钢焊缝表面并通过去毛刺手段去除。然而，低于2%的挤压量容易产生冷焊等缺陷，导致无法将带钢中的夹杂物排出焊缝表面进行去除，从而影响带钢质量。
将焊接速度设定为18～20m/min，原因在于通常焊接速度与焊接功率呈反比，较快的焊接速度容易抵消较高的焊接功率和较大的挤压量带来的夹杂物易排出性，导致排出夹杂效果下降。所以对于本技术方案，发明人将该焊接速度控制在18～20m/min。
本发明所述的高频直缝焊管的制造方法在采用高频直缝感应焊（HFW）制造方法的基础上，通过合理调整挤压量及成型过程，设定高频焊接成型及焊接参数并控制后续的热处理技术参数，从而生产出满足抗HIC性能、拉伸性能、冲击韧性和微观组织要求的高频直缝焊管。
与现有技术相比，本发明所述的高频直缝焊管，具有良好抗HIC性能，并且达到了L360MCS钢级性能，具有较高的屈服强度，抗拉强度，冲击韧性和焊接性能，适合作为输送用管道应用于H、S含量较高或带有酸性腐蚀的恶劣工作环境。
具体实施方式
实施例1-6
按照下述步骤制造本发明所述的高频直缝焊管：
将开卷后钢卷的头部和尾部切除，形成平齐的与钢卷横向方向呈3°的切口，采用二氧化碳气体保护焊将前一卷钢卷的卷尾和后一卷钢卷的卷头焊接在一起；用钢带生产高频直缝焊管，板边采用铣边方法精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法将带钢成型为荒管，控制挤压量为焊管外径的2～3%；控制开口角为3～4.2°；焊接时，控制焊接速度为18～20m/min；焊后对焊缝进行正火热处理，正火热处理的温度为930～970℃，正火后使焊缝空冷至380℃以下，然后水冷使焊缝的温度降至80℃以下。经上述工艺步骤获得的高频直缝焊管的壁厚为6.4mm～9.5mm，管径为219.7mm～406.4mm。
表1显示了实施例1-6中各高频直缝焊管的化学成分配比。
表1（余量为Fe和其他不可避免的杂质，wt%）
表2显示了实施例1-6中制造高频直缝焊管的详细工艺参数。
表2
表3显示了实施例1-6中各高频直缝焊管的各项性能参数。
表3
由表3可知，本发明所述的高频直缝焊管具有良好的力学性能并且具备抗HIC性能，具体如下：焊管管体屈服强度≥399Mpa，抗拉强度≥505Mpa，延伸率≥24%，焊管焊缝的抗拉强度≥475Mpa，表明所述高频直缝焊管整体均满足较高的强度要求且具有较高的拉伸能力；焊管管体的冲击韧性夏比(charpy)冲击功单值最小值≥119J，均值≥127J，焊管焊缝的冲击韧性夏比(charpy)冲击功单值最小值≥139J，均值≥145J，表明所述高频直缝焊管具有较好的韧性性能及焊接性能；作为评价带钢材料抗氢致裂纹（HIC）性能优劣指标的3个参数：裂纹敏感率(CSR)、裂纹长度率(CLR)及裂纹厚度率(CTR)，在表3中所显示均为0%，表明所述高频直缝焊管具备良好的抗氢致裂纹（HIC）性能。
要注意的是，以上所举的仅为本发明的具体实施方式，显然本发明不限于以上实施方式，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高频直缝焊管，其特征在于，其化学元素质量百分含量为：
C：0.042～0.056%；
Si：0.18～0.22%；
Mn：0.75～0.95%；
P：0.0064～0.015%；
S：0.0006～0.002%；
Ti：0.012～0.018%；
V：0.001～0.002%；
Al：0.026～0.038%；
Ni：0.080～0.13%；
Nb：0.020～0.029%；
Cu：0.125～0.135%；
Cr：0.018～0.03%；
Mo：0.004～0.008%；
B：0～0.0005%；
Ca：0.001～0.003%；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高频直缝焊管的制造方法，其特征在于：
在荒管成型步骤，控制挤压量，使其为焊管外径的2～3%；
在焊接步骤，控制焊接速度为18～20m/min；
在焊后热处理步骤，对焊缝进行正火热处理，温度为930～970℃，
正火后使焊缝空冷至380℃以下，然后水冷使焊缝的温度降至80℃以下。
3.如权利要求2所述的高频直缝焊管的制造方法，其特征在于，在荒管成型步骤，控制开口角为3～4.2°。
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