CN103469098A - 一种具有良好抗hic性能的x80管线钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢，其化学成分为：C0.03%～0.06%，Si0.10%～0.30%，Mn1.10%～1.40%，P0～0.015%，S0～0.004%，Nb0.07%～0.09%，Ti0.005%～0.020%，Cr0.10%～0.30%，Mo0.10%～0.30%，Ni0.05%～0.30%，Cu0.05%～0.30%，Al_soul0.015%～0.050%。铸坯再加热温度1150～1200℃，粗轧终轧温度980～1020℃，精轧总压下量大于60％，精轧终轧温度850～900℃；热轧后立即以≥15℃/s的冷却速度冷却至450～500℃卷取。本发明可减小成份偏析和组织偏析，提高组织的均匀性，减少炼钢时的精炼成本，避免低温相带状组织，并获得了细小、均匀的组织，保证了卷板最终优异的综合力学性能和抗HIC性能。

Description

一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有良好抗HIC（抗氢致开裂）性能的X80管线钢及其生产方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，随着全球能源结构的调整，石油、天然气的需求量日益增加。与此同时，石油和天然气的长距离输送管道也向着高钢级、高压、大口径方向发展。长输管线用钢不仅要求有高强度、高韧性和良好的焊接性，还要求具有良好的抗氢致开裂（HydrogenInduced Cracking，简称HIC）性能。

氢致开裂是指金属材料处在含有H₂S的介质环境中，由于电化学腐蚀过程中析出的氢原子进入材料内部，在沿轧制方向延伸的MnS夹杂与基体的界面等缺陷处聚集成氢分子而产生很高的压力，并在这些缺陷处因应力集中而出现的裂纹。这些裂纹的形成与扩展最终导致管线钢发生破坏性断裂。

管线钢抗HIC性能与钢的纯净度、成分偏析、夹杂物的控制和显微组织的均匀性有关。可以通过降低钢中P、S的含量等措施可提高钢质的纯净度，通过降低钢中Mn等容易产生偏析的合金元素的含量和合适的连铸工艺可降低钢的成分偏析，通过钙处理改变硫化物的形状等措施可减少钢中夹杂物的不利影响，通过采用合理的合金设计和采用控轧、控冷工艺可提高钢的组织的均匀性。

抗HIC管线钢中通常严格控制Mn的含量。这是由于Mn很容易与钢中的S结合形成MnS夹杂，而MnS夹杂是引起HIC裂纹的主要原因之一；另外Mn在凝固过程中容易产生偏析，并会影响相变后组织的均匀性和抗HIC性能。一般抗HIC管线钢中Mn含量不宜超过1.20％。随着炼钢水平的提高，钢中的S含量大幅度降低，管线钢中的Mn含量也随之提高。但在超低硫的X80管线钢中，Mn含量的提高虽不至于引起钢中MnS的增多，却也会引起钢中出现贝氏体带状组织或M/A组元带状组织，从而对抗HIC性能产生不利影响。

①公开号为CN1715434A公开的专利“高强度高韧性X80管线钢及其热轧板制造方法”，涉及一种采用低C、高Mn、添加少量Mo、Cu、Ni合金元素和Nb、V、Ti微合金化的合金设计以及控轧控冷工艺生产具有高强度和高韧性X80管线钢热轧卷板。其中Mn含量为1.70～1.90%，S含量为≤0.005％，较高的锰和硫含量在钢中容易产生MnS夹杂，对抗HIC产生不利影响；较高的锰含量还会由于成分偏析而易出现贝氏体带状组织和/或马氏体/奥氏体组元的带状组织，从而对抗HIC性能不利。

②公开号为CN1715435A公开的“具有抗HIC性能的X80管线钢及其热轧板制造方法”，涉及一种采用低C、高Mn、添加少量Mo、Cu、Ni合金元素和Nb、V、Ti微合金化的合金设计以及控轧控冷工艺生产具有抗HIC性能的X80管线钢热轧卷板。其成分特点是Mn含量高（1.70～1.90%），S低（≤0.002％），且添加了很多管线钢工程一般要求不得随意添加的合金元素B。低硫高锰的合金设计虽然可避免过多对抗HIC性能有不利影响的MnS夹杂，但由于成分偏析而易出现低温相带状组织，从而对抗HIC性能不利。

③公开号为CN102021476A所公开的“一种低成本抗酸性管线钢热轧卷板及其制造方法”，涉及的是采用C-Mn-Nb-Ti合金系的X70及以下级别的管线钢，其中的Mn含量为1.00～1.70％。

④加拿大专利CA2289084C（授权日2007.03.13）“Linepipe and structural steelproduced by high speed continuous casting通过高速连铸方法生产的管线钢和结构钢”公开了低锰系列X46～X80管线钢的成份：C0.015～0.08%，Mn0.10～0.55%，Cr≤0.50％，Ni≤0.95％，Mo≤0.60％，Nb：0.005～0.15%，B≤0.0025%。可见为达到低锰X80管线钢的强度要求，添加了较多的Cr、Ni、Mo和Nb，并且添加了一定的B。

⑤文献“酸性条件下X80级高强度管线管（焊管，2005.Vol.28,No.1:61-65）”报道了一种低锰抗酸性X80管线钢，其成份特点是采用较低Mn含量（0.99～1.40％），但添加了0.49～1.00％的Cr。虽然其抗HIC性能良好，但添加较多的Cr，而较多的Cr会引起过多的低温相变产物，不仅对低温韧性不利，而且对抗HIC性能也不利。

⑥文献“Microstructure and properties of low manganese and niobium containingHIC pipeline steel(Materials Science and Engineering A,2008,Vol.494:456～464”公开了用于一种酸性环境的低锰管线钢，但其级别为X60。

可以看出原有的具有抗HIC性能X80管线钢的不足之处是：

1）采用低硫、高锰的成分设计，易出现成分偏析和带状组织，对抗HIC性能不利；

2）添加管线钢中一般不得随意添加的B；

3）锰含量较低时，添加较多的Cr、Ni、Mo，会在钢中产生较多的低温硬相，不仅对低温韧性不利，对抗HIC性能也不利。

发明内容

本发明旨在提供一种具有较高的强度，良好的低温韧性和优异的抗HIC性能的X80管线钢及其生产方法。

为达此目的，本发明所采取的解决方案是：

一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢，其化学成分质量百分比为：C：0.03%～0.06%，Si：0.10%～0.30%，Mn：1.10%～1.40%，P：0～0.015%，S：0～0.004%，Nb：0.07%～0.09%，Ti：0.005%～0.020%，Cr：0.10%～0.30%，Mo：0.10%～0.30%，Ni：0.05%～0.30%，Cu：0.05%～0.30%，Al_soul：0.015%～0.050%，其余为Fe及不可避免的杂质。

一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢的生产方法，生产工艺为：铸坯→再加热→粗轧→待温→精轧→加速冷却→空冷，其特征在于：

铸坯再加热温度为1150～1200℃，粗轧终轧温度为980～1020℃，精轧总压下量大于60％，精轧终轧温度为850～900℃；

热轧后立即进入水冷区冷却，并以≥15℃/s的冷却速度冷却至450～500℃卷取。

本发明钢中的化学元素的作用如下：

C：是钢中最基本的强化元素，通过形成间隙固溶体起固溶强化作用，能显著地提高钢的强度且成本低廉。但碳含量过高，对低温韧性和焊接性能不利，一般高强度高韧性管线钢中的C含量不超过0.06％。本发明中碳含量为0.03～0.06％。

Si：在炼钢时为脱氧元素，在钢中起固溶强化作用，能显著地提高钢的强度，但加入过多会损害钢的延伸率、韧性和焊接性能，本发明的硅含量为0.10～0.30％。

Mn：具有显著固溶强化作用，是管线钢中补偿因碳降低造成的强度损失最经济、最有效的元素。同时，锰是扩大γ相区的元素，降低γ→α转变温度，有利于获得细小的相变产物。但锰含量过多时也会在钢中产生较多的对抗HIC性能不利的MnS夹杂物，并容易因成份偏析导致硬质相带状组织出现，影响抗HIC性能。因此，本发明中的锰含量为1.10～1.40％。

P：作为钢中的有害元素，对钢的延伸率、低温冲击韧性和焊接性能均有损害。其含量应尽可能控制在较低水平。因此本发明中P的含量为≤0.015％。

S：作为钢中的有害元素，对钢的低温韧性有很大的损害。硫在钢中与锰形成硫化锰夹杂，不仅影响钢的韧性、延伸率、Z向性能、焊接性能，而且还会影响抗HIC性能，因此其含量应尽可能控制在较低水平。但在钢中的锰含量降低后，与高锰X80管线钢中≤0.003％的低硫相比，硫含量的控制可以适当放宽。本发明中S的含量为≤0.004％。

Cr：增加钢的淬透性，提高钢的强度，但Cr含量过高，钢中容易形成较多的低温相和多种含Cr的碳化物，虽使钢的强度和硬度提高，却使钢的韧性下降。因此本发明中Cr的含量为0.10～0.30。

Cu：在钢中能起到固溶强化作用，还可以提高钢的耐蚀性。但为防止其在钢中引起热脆，其含量不应太高。本发明中Cu的含量为0.05～0.30％。

Ni：在钢中能提高钢的淬透性和降低冷脆转变温度。但Ni含量过高，不仅使合金成本增加，而且会降低马氏体转变温度、增加孪晶马氏体的比例而不利于钢的韧性。Ni的加入还可以改善Cu在钢中引起的热脆性。本发明中加入Ni的含量为0.05～0.30％。

Mo：在钢中推迟先共析铁素体转变、促进针状铁素体的形成，同时降低γ→α转变温度，从而细化相变后在组织，提高钢的强度和韧性。本发明中Mo的含量为0.10～0.30％。

Nb：是管线钢中最常用的元素之一，有显著的细化晶粒作用。热轧过程中通过固溶和应变诱导析出形式，抑制奥氏体的回复、再结晶，从而提高奥氏体的再结晶温度，使热轧在再结晶温度区间和未再结晶温度区间两个温度段进行轧制，并通过控轧后的加速冷却进一步细化钢的显微组织。本发明中Nb的含量为0.07～0.09％。

Ti：与钢中的氮的亲和力较强，在钢中容易形成氮化钛，有固氮的作用；在板坯连铸过程中形成细小、稳定的TiN粒子，能有效地抑制再加热过程中奥氏体晶粒的长大；同时对改善焊接热影响区的韧性有明显的作用。因此本发明中Ti的含量为0.005～0.020％。

由于本发明采用了较碳、低Mn、适量的S、Cr等其它合金元素的合金设计，不仅有利于低温韧性和抗HIC性能，还有利于控制合金成本和脱硫工艺成本。在高锰X80管线钢中，锰起着显著的固溶强化和细晶强化的作用。对于本发明中低锰X80管线钢，在不增加Cr等合金元素含量的情况下，锰含量降低引起的的固溶强化和细晶强化对强度贡献的降低，主要是通过以下措施进行了弥补：①增加精轧变形量：钢中Mn含量降低促进了Nb的析出，对热轧过程中再结晶的阻碍也增加，因此未再结晶温度T_nr升高，这样就可以相对增加精轧的轧制温度范围，有利于实施较大的精轧变形量。随着精轧变形量的增加，变形奥氏体内单位体积内的有效形核面积Sv增加，这可使相变时铁素体的形核率增加，从而进一步细化相变后的组织；②轧后加速冷却：锰含量的降低可以使A_r3温度有所增加，为避免较高的精轧终轧温度对相变后组织和性能的不利影响，轧后采取加速冷却的工艺，以提高奥氏体中温转变组织的比例和细化最终的组织。

因此，本发明的有益效果为：

1）采用低碳、低锰的合金设计,可减小成份偏析和组织偏析，提高组织的均匀性。

2）硫含量的上限放宽到＜0.0040％，减少了炼钢时的精炼成本。

3）通过低锰和适量的Cr合金设计，增加精轧总变形量及轧后快冷，避免了低温相带状组织，并获得了细小、均匀的组织，保证了卷板最终优异的综合力学性能和抗HIC性能。经检测，本发明X80管线钢Rt0.5达到580MPa以上,Rm达到670MPa以上,Rt0.5/Rm为0.87以下，-20℃Akv为180J以上，-15℃DWTT为90%；尤其是抗HIC性能得到极大提高，其裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR及裂纹敏感率CSR均为0。

附图说明

图1是实施例2的X80管线钢板的显微组织图；

图2是实施例6的X80管线钢板的显微组织图。

具体实施方式

实施例采用冶炼、连铸、再加热、粗轧、待温、精轧、加速冷却工艺生产14mm厚以下规格X80管线钢卷板。实施例化学成分质量百分比含量如表1。

表1实施例化学成分质量百分比（%）含量表

实施例主要工艺参数见表2：

表2实施例的主要工艺参数

实施例纵向力学性能见表3：

表3实施例的力学性能（取样方向为纵向）

抗HIC性能：按照NACE TM0284-2003标准，采用A溶液浸泡96小时，进行抗HIC性能检验，检验结果如表4。

表4抗HIC性能检验结果

实施例	裂纹长度率CLR％	裂纹厚度率CTR％	裂纹敏感率CSR％
				1	0	0	0
2	0	0	0
				3	0	0	0
4	0	0	0
				5	0	0	0
6	0	0	0

Claims (2)

1.一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为：C：0.03%～0.06%，Si：0.10%～0.30%，Mn：1.10%～1.40%，P：0～0.015%，S：0～0.004%，Nb：0.07%～0.09%，Ti：0.005%～0.020%，Cr：0.10%～0.30%，Mo：0.10%～0.30%，Ni：0.05%～0.30%，Cu：0.05%～0.30%，Al_soul：0.015%～0.050%，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述具有良好抗HIC性能的X80管线钢的生产方法，生产工艺为：铸坯→再加热→粗轧→待温→精轧→加速冷却→空冷，其特征在于：

铸坯再加热温度为1150～1200℃，粗轧终轧温度为980～1020℃，精轧总压下量大于60％，精轧终轧温度为850～900℃；

热轧后立即进入水冷区冷却，并以≥15℃/s的冷却速度冷却至450～500℃卷取。

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