CN103388111A

CN103388111A - 一种低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管及其制造方法

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Publication number: CN103388111A
Application number: CN2013103206834A
Authority: CN
Inventors: 毕宗岳; 牛辉; 张万鹏; 陈长青; 刘海璋; 包志刚; 赵红波; 牛爱军; 黄晓辉; 张君; 刘斌; 杨军
Original assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管及其制造方法，包括钢管本体和焊缝，所述钢管本体在-40℃时，其韧性大于等于100J、剪切面积大于85％；所述焊缝在-40℃时，其韧性大于等于47J。按照质量百分比，所述钢管本体的成分为：C0.05～0.12、Si0.3～0.5、Mn1.0～2.0、Cr0.2～0.5、Ni0.1～1.0、Cu0.1～0.5、Mo0.2～0.5、Ti0.005～0.05、N0.001～0.008、Ca0.001～0.005、REM0.001～0.005、Al0.001～0.01，并限制P、S为P≤0.015、S≤0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本技术发明的有益效果是，采用本发明中的方法，可以有效的提高管线钢管母材和焊缝位置的冲击韧性，而不需要进行热处理。采用本发明生产的油气输送用直缝埋弧焊接钢管，可以满足-40℃以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。

Description

一种低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管及其制造方法

技术领域：

本发明属于油气输送管制造行业，涉及一种低温韧性良好的油气输送用直缝埋弧焊管及其制造方法。

背景技术：

油气管道运输是长距离输送石油、天然气最经济、最合理的运输方式。近年来，随着易采油气能源的枯竭，油气资源的开采逐渐延伸到了沙漠、冻土、海洋、极地等难采地区，油气开采难度越来越大，同时对于油气输送用管的技术要求也越来越高。另外，从环境保护角度出发，需要加大天然气的开采量。而从管线建设成本角度出发，则需要进一步提高管线用管的钢级和输送压力，以降低油气输送成本。目前，油气输送管线总体发展趋势是高强高韧化、厚壁化、耐蚀性和变形能力提高。

油气长输管线用管一般采用直缝或螺旋埋弧焊管。欧美、日本等发达国家和地区，高强度管线用钢管主要以直缝埋弧焊管为主。而中国则在螺旋埋弧焊管的制造技术方面具有一定的优势。

普通地区使用的埋地油气输送钢管，一般要求在零下10℃时不发生脆性断裂即可。但是，对于极地、常年冻上带以及地面架空敷设的站场管线，通常是在零下40℃及以下的低温下环境下使用。为了保证管道的安全服役，对钢管的低温韧性提出了较高的要求，必须保证在零下40℃时不发生脆性断裂。

我国目前油气长输管线用钢管全部为零下10℃及以上使用的钢管，低温管线钢管还没有。普通低温钢品种只有低合金钢、6％镍钢、9％镍钢和奥氏体不锈钢等。低合金钢主要用于-70℃以上环境，-70℃以下更低温度用钢，则选用镍钢或奥氏体不锈钢。现有的低合金低温钢牌号主要有3种，分别是16Mn、09Mn2V和09MnTiCuRe，以上3种牌号的钢材在-70℃冲击功均可达到47J以上，但因其强度较低，屈服强度仅为343MPa，无法满足高压油气输送管线用钢管的强度要求。

通过西气东输一线、二线工程用管线钢管的研发与管道建设，中国的管线钢管制造水平已经取得很大进步。西气东输一线干线管主要采用X70级埋弧焊管，而二线则以X80级埋弧焊管为主。这两种钢管的性能特点完全满足一般环境中油气输送管道的技术指标要求。但对于寒冷地带、裸露悬跨架设的管线，其低温韧性、尤其是焊缝和热影响区部位的低温韧性仍然不能达到管线的服役要求。

发明内容：

本发明提供了一种具有良好低温韧性的X70、X80级直缝埋弧焊管及该焊管的制造方法。采用本发明制造的高强度油气输送用直缝埋弧焊管，可以解决-40℃以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。

为了实现焊管良好的低温韧性，同时满足焊接钢管良好的焊接性工艺要求，本发明通过添加适量的Mo促进贝氏体相变来实现超细晶粒贝组织，保证了钢板具备一定的强度；同时通过添加适量的Ti，使钢在焊接热循环过程中，钢中弥散的TiN粒子可有效地阻止奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体析出，从而显著改善低合金高强度钢粗晶热影响区的韧性；添加一定量的Ni，一方面既提高钢的强度，另一方面又使钢的韧性保持较高的水平，并显著降低钢的韧脆转变温度。通过以上设计思路，配合合理的成分组织控制技术，实现了低碳微合金钢材质的直缝埋弧焊管用热轧钢板具备良好的低温韧性和焊接性，解决了焊接热影响区低温韧性不良的问题；同时通过特殊的焊材合金成分设计，在实现焊接头良好强度匹配的基础上，焊缝具备了良好的低温韧性。

本发明所采用的技术方案如下：一种低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，包括钢管本体和焊缝，所述钢管本体在-40℃时，其韧性大于等于100J、剪切面积大于85％；所述焊缝在-40℃时，其韧性大于等于47J。

按照质量百分比，所述钢管本体的成分为：C0.05～0.12、Si0.3～0.5、Mn1.0～2.0、Cr0.2～0.5、Ni0.1～1.0、Cu0.1～0.5、Mo0.2～0.5、Ti0.005～0.05、N0.001～0.008、Ca0.001～0.005、REM0.001～0.005、Al0.001～0.01，并限制P、S为P≤0.015、S≤0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

按照质量百分比，所述钢管本体的成分为：C0.05、Si0.3、P0.015、S0.002。

所述钢管本体的厚度为小于等于25mm。

所述钢管本体的横向屈服强度为550～630MPa。

所述油气输送用直缝埋弧焊管的制造方法，首先采用全流程洁净化炼钢、控轧控冷技术制备钢管本体，其次将钢管本体进行铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查和外观质量检查制备成直缝埋弧焊管。

所述油气输送用直缝埋弧焊管的制造方法，所述钢管本体经铣边、预弯边、JCO成型后制为管状后，将对缝采用气体保护焊进行预焊，并采用特制焊丝在钢管本体内外进行埋弧焊接，焊接时采用BG-SJ101H1焊剂与该焊丝匹配；所述焊丝的成分包括：C0.03～0.12、Si0.20～0.45、Mn0.8～1.8、Ni1.0～2.0、Mo0.1～0.40、Ti0.05～0.15、Cu0.1～0.3、N≤0.005、O≤0.005、H≤0.005。

所述钢管本体进行内外埋弧焊接时，线能量小于等于20kJ/cm。

所述焊丝的成分包括：C0.03～0.12、Si0.20～0.45、Mn0.8～1.8、Ni1.0～2.0、Mo0.1～0.40、Ti0.05～0.15、Cu0.1～0.3、N≤0.005、O≤0.005、H≤0.005。

按照质量百分比，所述焊缝的成分还含有：B0.0001～0.0050。

本技术发明的有益效果是，采用本发明中的方法，可以有效的提高管线钢管母材和焊缝位置的冲击韧性，而不需要进行热处理。采用本发明生产的油气输送用埋弧焊接钢管，可以满足-40℃以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。

附图说明：

图1为本发明的母材组织金相图；

图2为本发明的母材中粒状贝氏体扫描电镜照片；

图3为本发明的焊缝组织金相图；

图4为本发明的母材中粒状贝氏体扫描电镜照片；

图5为本发明的HAZ冲击功及剪切面积温度转变曲线；

图6为本发明的焊缝冲击功及剪切面积温度转变曲线；

图7为本发明的母材冲击功及剪切面积温度转变曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-7，本发明通过合金成分的设计，结合现代微合金钢控轧工艺，获得一种新型的以贝氏体为主的复相组织设计(如图1)，实现了材料优良的低温韧性和良好的焊接加工性能，使其母材韧性-40℃时能保持在100J以上，剪切面积大于85％；热影响区韧性-40℃在47J以上。同时，本发明还设计了一种低温韧性优良的埋弧焊丝，配合特定的烧结焊剂使用，可保证焊缝的韧性在-40℃时达到47J以上，满足了-40℃以上低温寒冷环境中油气输送管线的韧性要求。

C：C在钢中主要以固溶的方式存在，以提高奥氏体的淬透性，得到贝氏体组织并保证最终组织中得到一定量的MA岛硬相组织，但C含量不宜过多，否则会影响带状组织及焊接性能。本例最佳C含量范围优化控制在为0.09％以下，焊材中C的含量则更小一些。

Si：Si主要以固溶方式存在于钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使碳进一步积聚于未转变的奥氏体中，形成富碳的MA组元，并且能够促进多边形铁素体生成。为了不会降低钢的塑性和韧性，并且保证良好的焊接性能，本例中Si含量控制为0.3％～0.5％，在钢中Si的含量低一些，焊丝中稍高一些。

Mn：Mn既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，起到固溶强化作用，还能形成硫化物。Mn元素在奥氏体中聚集，可提高奥氏体稳定性。Mn含量过高时，会加重钢中成分偏析，因此，优化控制在1.6％以下。

Al：Al是强铁素体形成元素，Al的加入会使奥氏体单相区缩小并右移。与Si对钢的影响类似，Al能抑制渗碳体的生成，并且炼钢时加入少量的Al来脱氧。然而，Al含量过高时，钢中Al的氧化产物增加，杂质含量增加，会降低钢的洁净度和表面性能。

P、S：P在钢中也可以抑制渗碳体的析出，对铁素体有显著的固溶强化作用。但是，P含量过高，会影响钢的使用性能，如在低温下钢会产生冷脆效应。S在钢中与Mn结合形成MnS，降低Mn的有效含量，同时降低钢的抗HIC能力。本例中，P、S在钢中的含量控制得越低越好。

Mo：Mo在钢中能明显提高奥氏体的稳定性，抑制多边形铁素体生成，形成单一的针状铁素体组织。在本发明钢中，要保证热轧钢带为针状铁素体或贝氏体组织，所以需要加入一定量的Mo，含量控制在0.2％～0.5％。

Cu、Cr：有很强的固溶强化作用，并且都是奥氏体稳定元素，提高淬透性，促进贝氏体生成，同时还能提高钢的抗腐蚀能力。在本发明中，加入量都控制在0.2～0.3％左右即可，Cr含量可以稍高一些。

Ni：一方面既提高钢的强度，另一方面又使钢的韧性保持较高水平，并显著降低钢的韧脆转变温度。含Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。同时Ni含量高时，相应的Mn含量降低一些。本例中，Ni含量控制在1％以下。

Ti：Ti先和钢中N结合生成TiN，然后和S结合，生成了Ti₄C₂S₂。由于Ti与S的亲和力要强于Mn和S的亲和力，因而随Ti含量增加，钢中Ti₄C₂S₂化合物逐渐增多，并取代了MnS夹杂。Ti和S结合生成Ti₄C₂S₂化合物，使钢中硫化物夹杂球化。适量的Ti加入钢中可细化晶粒，提高强度，同时材料采用控冷工艺轧制，可析出TiN和TiC，细颗粒的TiC是有效阻止晶粒长大的弥散析出强化相。本发明中Ti的含量优化控制在0.005％～0.05％。

B：焊接金属也可以进一步含有B。B是使焊接金属的淬火性增加的元素，为了提高强度，优选含有0.0001％以上。另一方面，B的含量超过0.0050％时，效果有时会损害韧性，因此，优选将上限设定为0.0050％以下。

原材料按上述成分设计冶炼时，尽量控制P、S、O等元素的含量，提高钢的纯净度。在轧制时，通过粗、精轧压下量和卷取温度的控制，将卷板组织晶粒度控制在12级或更细(如图1、2)，可得到强度550-630MPa级别的热轧卷板，卷板厚度在25mm以下。

采用JCO成型工艺将钢板弯制为管状，并采用内外埋弧焊接，将对缝焊接起来。焊接时热输入控制在20kJ/cm以下，焊缝金属组织以粒状贝氏体为主(如图3)。

(实施例1)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Ti	Ca	REM
												0.09	0.35	1.51	0.009	0.003	0.38	0.61	0.20	0.26	0.013	0.005	0.003
0.06	0.37	1.55	0.0094	0.0037	0.37	0.64	0.21	0.24	0.012	0.005	0.002
												0.07	0.37	1.58	0.0072	0.0028	0.34	0.68	0.18	0.24	0.014	0.004	0.002

[0043]

(实施例2)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Ti	Ca	REM
												0.05	0.369	0.99	0.016	0.0027	0.19	0.762	0.18	0.302	0.014	0.005	0.003
0.06	0.382	0.94	0.017	0.004	0.34	0.764	0.186	0.305	0.015	0.006	0.003
												0.05	0.361	0.99	0.014	0.002	0.28	0.76	0.176	0.3	0.014	0.004	0.002

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，包括钢管本体和焊缝，其特征在于：所述钢管本体在-40℃时，其韧性大于等于100J、剪切面积大于85％；所述焊缝在-40℃时，其韧性大于等于47J。

2.如权利要求1所述低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，其特征在于，按照质量百分比，所述钢管本体的成分为：C0.05～0.12、Si0.3～0.5、Mn1.0～2.0、Cr0.2～0.5、Ni0.1～1.0、Cu0.1～0.5、Mo0.2～0.5、Ti0.005～0.05、N0.001～0.008、Ca0.001～0.005、REM0.001～0.005、Al0.001～0.01，并限制P、S为P≤0.015、S≤0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

3.如权利要求1所述低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，其特征在于，按照质量百分比，所述钢管本体的成分为：C0.05、Si0.3、P0.015、S0.002。

4.如权利要求1所述低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，其特征在于：所述钢管本体的厚度为小于等于25mm。

5.如权利要求1所述低温韧性优良的油气输送用直缝埋弧焊管，其特征在于：所述钢管本体的横向屈服强度为550～630MPa。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述油气输送用直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：首先采用全流程洁净化炼钢、控轧控冷技术制备钢管本体，其次将钢管本体进行铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查和外观质量检查制备成直缝埋弧焊管。

7.如权利要求6所述油气输送用直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：所述钢管本体经铣边、预弯边、JCO成型后制为管状后，将对缝采用气体保护焊进行预焊，并采用焊丝在钢管本体内外进行埋弧焊接；所述焊丝的成分包括：C0.03～0.12、Si0.20～0.45、Mn0.8～1.8、Ni1.0～2.0、Mo0.1～0.40、Ti0.05～0.15、Cu0.1～0.3、N≤0.005、O≤0.005、H≤0.005。

8.如权利要求6所述油气输送用直缝埋弧焊管的制造方法，其特征在于：所述钢管本体进行内外埋弧焊接时，线能量小于等于20kJ/cm。

9.一种用于油气输送用直缝埋弧焊管的焊丝，其特征在于，按照质量百分比，所述焊丝的成分包括：C0.03～0.12、Si0.20～0.45、Mn0.8～1.8、Ni1.0～20、Mo01～040、Ti005～015、Cu01～03、N≤0005、O≤0005、H≤0005。

10.如权利要求3所述用于油气输送用直缝埋弧焊管的焊丝，其特征在于，按照质量百分比，所述焊缝的成分还含有：B0.0001～0.0050。