CN103305777B

CN103305777B - 一种大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法

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Publication number: CN103305777B
Application number: CN201310236531.6A
Authority: CN
Inventors: 吴红; 易良刚; 林发驹; 滕建明; 邹友富; 陈雨; 崔邛; 詹勇; 田晓凡
Original assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103305777A

Abstract

本发明提供了一种大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法。所述制造方法包括将管坯轧制成无缝钢管后进行调质处理的步骤，其中，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%%以及余量的铁和不可避免的杂质；所述调质处理步骤包括对轧制获得的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为900～940℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～680℃。本发明能够获得具有高强度、高低温韧性和良好淬透性能的壁厚达70mm的大口径特厚壁无缝钢管。

Description

一种大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管生产技术领域，更具体地讲，涉及一种能够作为海洋平台结构用管、高强度船体用管的具有高强度、高低温冲击韧性和良好的淬透性能的大口径特厚壁无缝钢管及制造方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，能源消耗不断增大，在陆地上开采的油气几近饱和下，加大海洋油气的开采成为我国持续发展的必然。根据“十二五”发展规划，围绕海洋资源勘探、开采、储存运输和服务四大核心环节，以突破600～3000米深水资源开发装备关键技术为目标，重点突破深海浮式结构物水动力性能、结构设计和强度分析等关键共性技术，加快发展深海高性能物探船、浮式生产储油卸油装置、半潜式平台、水下生产系统，以及环境探测、观测与监测等装备及其关键配套设备和系统，建设液化天然气浮式生产储卸装置等新型装备的总装制造平台。海洋平台是人类用于开发海洋资源的重要超大型焊接钢结构，支撑着总质量超过数百吨的各种设备。这些使用特征决定了海洋平台用钢必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性、耐海水腐蚀以及好的冷加工性等性能。

目前，在海洋工程中已经形成规模使用的为屈服强度在460MPa以下的钢级，而且为中厚壁无缝钢管，随着我国海洋工程装备领域的不断发展，对大口径厚壁无缝钢管的需求逐渐增加，同时要求无缝钢管具有较高屈服强度、较高低温冲击韧性和良好的淬透性。根据Offshore Standard DNV-OS-B101的规范要求，生产NV E550钢级机械性能要求如表1所示。

表1 NV E550机械性能

因此，开发一种具有高强度、高低温韧性和良好淬透性的大口径厚壁无缝钢管对我国海洋工程的发展有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。

例如，本发明的目的之一在于提供一种能够作为海洋平台结构用管、高强度船体用管的具有高强度、高低温冲击韧性和良好淬透性的大口径特厚壁无缝钢管及制造方法。

本发明的一方面提供了一种大口径特厚壁无缝钢管的制造方法。所述制造方法包括将管坯轧制成无缝钢管后进行调质处理的步骤，其中，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质；所述调质处理步骤包括对轧制获得的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为900～940℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～680℃。

本发明的另一方面提供了一种大口径特厚壁无缝钢管。所述无缝钢管的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：提供一种能够作为海洋平台结构用管、高强度船体用管的具有高强度、高低温冲击韧性和良好的淬透性能的大口径特厚壁无缝钢管的制造方法；得到了具有高强度（屈服强度≥600MPa）、高低温韧性（－40℃冲击功≥60J）和良好淬透性的壁厚可达70mm的大口径特厚壁无缝钢管。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1A示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面内壁位置的金相组织图（100×）；

图1B示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面内壁位置的金相组织图（500×）；

图1C示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面中部位置的金相组织图（100×）；

图1D示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面中部位置的金相组织图（500×）；

图1E示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面外壁位置的金相组织图（100×）；

图1F示出了根据本发明的示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面外壁位置的金相组织图（500×）。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法。在本发明中，如果没有例外的表述，则通常提到的物质中各元素或成分的含量均是重量百分含量。

根据本发明一方面的大口径特厚壁无缝钢管的制造方法包括将管坯轧制成无缝钢管后进行调质处理的步骤，其中，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质；所述调质处理步骤包括对轧制获得的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为900～940℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～680℃。

本发明为保证特厚壁管整个横截面内/中/外的强度和低温韧性均达到要求，成分设计上考虑的是在低碳锰钢基础上加适量Cr、Ni、Mo、V、Nb、Ti等微合金元素而成，并针对对各合金元素的加入量上作出了明确的要求。

以下叙述在本发明中如上述地限定钢管化学成分组成的理由。

C：≤0.20%

C是确保钢强度的重要元素，同时也是提高淬透性的重要元素，为使特厚壁管达到屈服强度大于550MPa的强度，C要求控制在0.14%以上。如C大于0.18%，则钢的塑性、韧性会下降，同时C含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此，C的优选范围为0.14～0.18%。

Mn：1.10～1.70%

Mn对调质处理钢力学性能的影响主要通过提高钢的淬透性来达到。Mn含量低于0.90%，得不到预期强化效果，Mn含量大于1.70%，钢的塑性、韧性会有一定的下降，同时Mn含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此，Mn的优选范围为1.10～1.60%。

Cr：0.10～0.60%

Cr是能够提高淬透性，增加钢强度的元素，但其也有增加钢回火脆性的倾向，所以应与Mo等元素配合使用。其含量在0.20%以上时其效果能够明显体现，但是若添加过量会导致钢的塑性、韧性会下降，同时Cr含量较高会导致钢的焊接性能变差，所以其范围控制在0.20～0.50%最佳。

Mo：0.08～0.60%

Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.15%以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差，且Mo属于贵重金属，因此上限设定为0.60%以下，优选范围为0.15～0.40%。

Ni：0.20～1.40%

Ni除可以提高钢的淬透性外，最明显的作用是改善钢的低温韧性，随着钢中Ni含量的增加，低温韧性明显提高，尤其对于大口特厚壁管可以实现高强韧性匹配。但由于Ni价格昂贵，因此其合适的加入量就成为了产品成分设计的关键点，本发明中Ni合金的具体加入量是根据产品规格，主要是壁厚来考虑的，对于40mm壁厚以下的规格，Ni含量在0.40%以下，其低温韧性就能得到明显的提高；但当壁厚大于40mm，尤其是壁厚达到70mm，Ni含量要求在0.90%以上时其效果才明显。因此，根据钢管规格的差异，从性价比的角度出发，Ni含量的优选范围为0.30～1.30%。

B：0.0005～0.0030%

B是影响钢淬透性最突出的一个元素，在钢中加入B来提高淬透性可节约其他较贵重合金元素的加入量，对于整个截面都需要淬透的钢管，尤其是特厚壁管，效果特别好。一般情况下，B在0.0005%以上就有提高钢淬透性的效果，在0.0010%以上提高钢淬透性的效果最显著，但超过0.0020%后则不再有什么增加。考虑到该元素在冶炼过程中较难精确控制，因此范围设定在0.0005～0.0030%，优选范围为0.0010～0.0025%。

V：≤0.10%

V在低合金钢中主要起到细化晶粒、提高韧性，增加钢的强度并抑制其时效作用等，V含量在0.02%以上作用明显，但是V含量超过0.10%，钢的韧性会降低，所以上限设定为0.10%以下。优选地，V≤0.08%。

Al：0.015～0.050%

Al是钢中主要脱氧元素和细化晶粒元素，为脱氧充分并晶粒细小，Al含量应大于0.015%，如Al含量超过0.050%，会导致钢中非金属夹杂物增加，或使韧性变差，因此其上限设定为0.050%以下。优选范围为0.020～0.040%。

P：≤0.020%

P是使韧性下降的杂质元素，优选尽可能地减少。如含量大于0.020%，钢韧性会明显下降，所以将上限设定为0.020%，优选0.015%以下，更优选0.010%以下。

S：≤0.010%

S是使韧性下降的杂质元素，优选尽可能地减少。如含量大于0.010%，钢韧性会明显下降，所以将上限设定为0.010%，优选0.008%以下，更优选0.005%以下。

由于钢管为特厚壁无缝钢管，为保证钢管的性能均匀，必须采用合理的调质工艺，具体来讲，调质热处理工艺包括：淬火出炉管温为900～940℃，回火出炉管温为630～680℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，保温时间及淬火时间可以根据不同壁厚进行调整。

在本发明的生产方法的一个示例性实施例中，为防止钢管晶粒度长大，在所述将管坯轧制成无缝钢管之后、调质处理之前，采用风冷或雾冷的冷却方式将所述无缝钢管冷却至200℃以下。

在本发明的生产方法的示例性实施例中，所述无缝钢管的壁厚为30～70mm，外径为245～426mm，并且外径与壁厚的比值小于10。

根据本发明另一方面的大口径特厚壁无缝钢管的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质。

在本发明的大口径特厚壁无缝钢管的示例性实施例中，所述无缝钢管的壁厚为30～70mm，外径为245～426mm，并且外径与壁厚之比的比值小于10。

在一个示例性实施例中，大口径特厚壁无缝钢管的制造方法可通过以下方式实现。

具体而言，示例性的工艺流程可以为：电炉或转炉冶炼→LF精炼炉加VD真空处理→连铸或模铸→管坯轧制（例如，Φ508周期轧管机轧制）→调质处理→探伤→精整→包装。此外，该示例性的工艺流程还可以包括：设置在管坯轧制步骤前的管坯加热工序（例如，环形炉加热），和/或设置在调质热处理与探伤之间的矫直工序。此外，管坯轧制包括穿孔工序，调质热处理包括淬火和回火工序。

其中，管坯的化学成分按重量百分比计为C：≤0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.020～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质。

轧制时，环形炉加热温度可以为1220～1270℃，均热段加热温度为1220～1260℃，为确保壁厚均匀，坯料的保温时间要足够。轧制后，采用风冷或雾冷的冷却方式将所述无缝钢管冷却至200℃以下。

在调质处理工艺中，采用浸淬加内轴流的冷却方式进行淬火冷却，淬火出炉管温为900～940℃，回火出炉管温为630～680℃。

下面将结合具体示例来对本发明进行示例性说明。

1、冶炼管坯

以废钢和铁水为原料，通过电炉或转炉→LF精炼炉→VD真空处理→模铸，获得示例1至3的管坯。示例1至3的管坯的化学成分如表2所示。

表2 示例1至3的管坯的化学成分

2、轧制管坯

具体包括：环形炉加热→穿孔→周期轧管机组轧制→检查，其中，环形炉加热温度为1220～1270℃，均热段加热温度为1220～1260℃，轧制得到的无缝钢管的尺寸分别为Φ355.6×70mm（即，外径为355.6mm，壁厚为70mm）、Φ426×50mm、Φ245×36mm。

3、钢管热处理

采用淬火和回火的热处理，其中，采用浸淬加内轴流的冷却方式进行淬火冷却，淬火出炉管温为910±10℃，回火出炉管温为640～670℃，步进周期300～600秒，以1支/2齿布料。

4、钢管性能检测

示例1至3的大口径特厚壁无缝钢管的性能检测结果见表3、表4。

表3 示例1至3的大口径特厚壁无缝钢管的机械性能

表4 示例1至3的无缝钢管的非金属夹杂检验级别

表5 示例1至3的无缝钢管的晶粒度级别

图1A至图1F是示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的横截面不同位置（内壁、中部和外壁）分别在放大100倍和500倍的金相组织图。

从表3、表4、表5及图1A至图1F可以看出，本发明的大口径特厚壁无缝钢管钢质纯净、钢管晶粒度细小，组织均匀且均为回火S+回火B，完全满足Offshore Standard DNV-OS-B101的规范要求。具体来讲，本发明的大口径特厚壁无缝钢管的屈服强度不低于600MPa、抗拉强度不低于700MPa、延伸率不低于19%、－40℃冲击功不低于60J，且钢管横截面内、中、外的性能差异不大，表明钢管淬透性良好。

从示例1的Φ355.6×70mm的无缝钢管的金相组织图可以看出，通过采用本发明方法生产，对壁厚达到70mm的规格，其整个壁厚截面的组织均为均匀的回火S+回火B，这就决定了钢管的性能均匀；反之，示例2-3的无缝钢管的性能均匀，也说明了其金相组织优良。

综上所述，本发明的大口径特厚壁无缝钢管及其制造方法通过对钢管化学成分和热处理工艺的改进，得到了具有高强度、高低温韧性、淬透性良好的大口径特厚壁无缝钢管，满足海洋平台结构用管及高强度船体用管的性能要求。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种大口径特厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述无缝钢管的壁厚为30～70mm，外径为245～426mm，并且外径与壁厚的比值小于10，所述无缝钢管的屈服强度≥600Mpa且－40℃冲击功≥60J，所述制造方法包括将管坯轧制成无缝钢管后进行调质处理的步骤，其中，

所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质，并且，当无缝钢管的壁厚大于40mm时，Ni含量要求在0.90%以上；所述调质处理步骤包括对轧制得到的无缝钢管顺序进行淬火和回火处理，淬火出炉管温为900～940℃，淬火的冷却方式为浸淬加内轴流，回火出炉管温为630～680℃。

2.根据权利要求1所述的大口径特厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述将管坯轧制成无缝钢管之后、调质处理之前，采用风冷或雾冷的冷却方式将所述无缝钢管冷却至200℃以下。

3.一种大口径特厚壁无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管的壁厚为30～70mm，外径为245～426mm，并且外径与壁厚的比值小于10，所述无缝钢管的屈服强度≥600Mpa且－40℃冲击功≥60J，所述无缝钢管的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.20%、Si：0.10～0.55%、Mn：1.10～1.70%、P≤0.020%、S≤0.015%、Nb≤0.05%、V≤0.10%、Ti：0.007～0.05%、Cr：0.10～0.60%、Ni：0.20～1.40%、Cu：≤0.35%、Mo：0.08～0.60%、Al：0.015～0.050%、B：0.0005～0.0030%以及余量的铁和不可避免的杂质，并且，当无缝钢管的壁厚大于40mm时，Ni含量要求在0.90%以上。