CN104018098B - 环焊缝性能优良的x90管线钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种环焊缝性能优良的X90管线钢及其生产方法，属于高强度管线钢生产技术领域。钢的化学成分质量百分比为：C：0.03～0.07％，Si：0.10～0.30％，Mn：1.80～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.03～0.07％，Ti：0.008～0.025％，Ni：0.00～0.30％，Cr：0.00～0.25％，Cu：0.00～0.30％，Mo：0.00～0.25％，N：≤0.008％，B：≤0.0005％，余量为Fe和不可避免杂质元素，且C+Nb：0.10～0.13％，Cr+Mo：0.15～0.40％，均为重量百分数；并且CE_IIW：0.41～0.48％，CE_Pcm：0.16～0.20％；制备方法包括钢水冶炼、钢板控轧控冷、半自动药芯自保护环缝焊等工序。优点在于，产品具有优良的环焊缝性能，可应用于油气管道工程建设，降低工程建设成本。

Description

环焊缝性能优良的X90管线钢及其生产方法

技术领域

本发明属于高强度管线钢技术领域，特别是涉及一种环焊缝性能优良的高强度X90管线钢及其生产方法，用于石油、天然气的输送管道建设。

背景技术

近年来，我国已在X70/X80高强度管线钢的开发上取得了重大进展，在国际管道界从跟跑者成为领跑者。目前应我国经济发展要求，每年有近1100亿m3的气源量急需输送，且随着新疆煤制气产能的迅速提高，气源量仍在增加。“十二五”期间急需建成多条管道工程满足输气的要求。而由于河西走廊宽度受限、土地征用、居民搬迁、与地方政府协调、运营维护等方面的原因，必须尽最大限度减少管道数量，提高单管输送能力。因此提高管道输送压力、钢级和壁厚成为必选技术路线。

提高钢级是有效解决大管径、高压油气输送管道壁厚限制问题的途径之一。高钢级管道不仅可以使管道壁厚处于较合理的范围，而且可以带来一定的效益，如管材量减少、管道运输费降低、焊接材料减少、焊接效率提高等。一般来说，每提高一个钢级，可以节省工程投资约7％。目前国内外对于X90、X100高钢级管线钢管的研究活动十分活跃，重点集中在X90、X100钢级管线钢管及其应用上。从长远来看，X90、X100高钢级的应用能够比X80带来更好的效益，可以减小管材管件的壁厚，降低制造难度。因此，在X80钢级的基础上，紧跟国际前沿开展X90、X100钢级的试验研究是必要的。

为探索制定我国大规模管道建设所需的高新管线钢科技攻关方案，2010-2011年期间，中国石油集团组织国内外管道行业和冶金行业专家召开多次技术论证会，对我国“十二五”期间输气管道强度设计系数及X90/X100高强度管线钢开发应用研究重大专项进行专家论证。专家组对技术指标设置、创新体系建设、保障措施等提出了宝贵意见和建议，建议“X90/X100高强度管线钢技术开发应用”课题尽快立项，开展西气东输一级地区X90/X100管线钢的前期设计和技术准备工作，并考虑在我国开展大规模管道建设。超高强X90/X100管线钢的开发和应用，可有效提高管道输送效率，减小钢管壁厚，降低工程成本。而在超高强度X90/X100管线钢管的开发方面，我国与国外在现场环焊缝可焊性等研究方面差距很大。

虽然三个超高强度管线钢级别X90、X100和X120已于2007年同时被列入了API5L和ISO3183标准，但其进展却各不相同。X90是X80和X100强度等级的中间钢级，X90的开发和应用似乎是顺理成章的事情，然而实际情况并非如此。在全球众多的管道学术会议中始终看不到有关X90的论文和相关报道，然而X100和X120的研究开发一度成为热点，并相继完成若干试验段的建设。

考虑我国实际情况，在超高强度管线钢开发方面应充分重视X90的开发。以X90的开发作为从X80向X100跃进理想的过渡点和中间站既是可行的，而且本身也会有很好的经济效益。因此开发环焊缝性能优良的X90管线钢及其工艺技术，意义重大。

超高强度X90/X100管线钢的环焊缝接头性能及其高效性对现场焊接工艺比较敏感，由于国外已经有X100的若干试验段建设，且均采用自动焊工艺，其环焊缝焊接技术掌握在与试验段研究项目相关的有限几家施工队伍中，焊接材料没有大规模生产过，其大规模工业应用受到限制；而中国施工队伍90％以上环焊缝采用的是半自动焊设备和工艺，因此，要想在国内大规模应用X90/X100，需要尽快开发出适用于半自动药芯自保护焊工艺的X90/X100管线钢产品及其生产方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环焊缝性能优良的高强度X90管线钢及其生产方法，产品环焊缝性能优良，具有适用于半自动药芯自保护焊工艺的现场环焊缝焊接可焊性。

本发明X90管线钢的化学成分为：C：0.03～0.07％，Si：0.10～0.30％，Mn：1.80～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.03～0.07％，Ti：0.008～0.025％，Ni：0.00～0.30％，Cr：0.00～0.25％，Cu：0.00～0.30％，Mo：0.00～0.25％，N：≤0.008％，B：≤0.0005％，余量为Fe和不可避免杂质元素，且C+Nb：0.10～0.13％，Cr+Mo：0.15～0.40％，均为重量百分数；并且按下面公式<1>和<2>计算碳当量CE_IIW：0.41～0.48％，焊接裂纹敏感指数CE_Pcm：0.16～0.20％；

${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{(\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V)}{5}+\frac{(\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu})}{15}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<1>$

${\mathrm{CE}}_{\mathrm{Pcm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<2>$

采用上述化学成分设计，通过两阶段控轧控冷技术和半自动药芯自保护焊工艺，本发明制备出了环焊缝性能优良的高强度X90管线钢，其环焊缝焊接性能为：

环焊缝横向拉伸试样断口位于母材，抗拉强度在710MPa以上；

环焊缝接头的夏比冲击试验，在-10℃时焊缝金属和熔合区的夏比冲击功平均值均达到120J以上；

环焊缝接头的CTOD试验，在-10℃时CTOD值在0.3mm以上。

本发明的制备方法包括钢水冶炼、钢板控轧控冷、半自动药芯自保护环焊等工序，其特征在于：工艺中控制如下技术参数：

(1)控轧控冷工艺：钢板分两阶段控轧，第一阶段终轧温度控制在980-1040℃，第二阶段终轧温度控制在770-830℃范围；钢板热轧后进行加速冷却，终冷温度控制在200-300℃，冷却速度控制在26-40℃/s。

(2)环焊缝工艺：采用半自动药芯焊丝自保护焊，焊接预热温度110-120℃，层间温度90-100℃，电流220-240A，电压20-21V，送丝速度115-125in./min。

本发明内容的构成要点立足于以下认识：

C元素对提高超高强度X90/X100管线钢的强度是有效的，但同时对其低温冲击韧性及其可焊性是有害的，但众所周知，C是易偏析元素和碳化物形成元素，较高的C含量会在焊接过程中造成焊接性能的严重下降，尤其对于超高强度钢种来说，添加过多的C对环焊缝性能有害。本发明进行了大量试验，通过对比不同的C含量X90管线钢的环焊缝性能，发现：当C含量大于0.07％时，其环焊缝冲击韧性较差，见附图1所示。因此本发明中C含量控制在较低碳含量0.03～0.07％范围内。

Nb元素在管线钢中主要起到固溶强化和细晶强化的作用，对提高超高强度X90管线钢的强度和低温韧性是有效的，但较高的Nb含量会在焊接过程中造成焊缝金属冲击性能的严重下降。本发明进行了大量试验，通过对比不同Nb含量X90管线钢的环焊缝性能，发现：当Nb含量大于0.07％时，其环焊缝冲击韧性较差，见附图2所示。因此本发明中Nb含量控制在较低碳含量0.03～0.07％范围内。并且C含量和Nb含量的复合叠加作用也会对环焊缝性能带来影响，C+Nb含量之和过高，会造成环焊缝冲击韧性下降，所以必须控制C+Nb：0.10～0.13％范围内。

Cr元素对提高X90/X100管线钢的抗拉强度是有效的，可显著降低材料的屈强比。但较高的Cr含量会对环焊缝性能不利。本发明进行了大量试验，通过对比不同的Cr含量，发现：当Cr含量大于0.25％时，其环焊缝冲击韧性明显降低，见附图3所示。因此本发明中Cr含量控制在较低0.00～0.25％范围内。

Mo元素较强的贝氏体相变控制元素。在高强度微合金钢中，添加适量的Mo元素就可以获得明显的贝氏体组织，同时因相变向低温方向转变，可使相变组织进一步细化，大幅提高钢的强韧性能，同时还可有效降低屈强比。在超高强X90管线钢中，通过添加一定量的Mo合金，实现相变强化效果，提高X90管线钢的强度稳定性和提高其低温冲击韧性。但由于其昂贵的价格，并且较多的Mo对环焊缝性能也是有影响的。因此本发明中Mo含量控制在较低0.00～0.25％范围内。并且Cr含量和Mo含量的复合叠加作用也会对环焊缝性能带来不利影响，Cr+Mo含量之和过高，会造成环焊缝冲击韧性下降，所以必须控制Cr+Mo：0.15～0.40％范围内。

碳当量CE_IIW提高后，可明显提高钢板的强度性能，但对材料的低温韧性和可焊性影响较大。本发明进行了大量试验，通过分析不同的CE_IIW的环焊缝性能，发现，当CE_IIW大于0.48％时，其环焊缝冲击韧性明显降低，见附图4所示，因此，本发明中X90管线钢的碳当量控制在CE_IIW：0.41～0.48％范围。冷裂纹敏感系数CE_Pcm对材料的可焊性有较大的影响，CE_Pcm越大对环焊缝冲击性能影响越大，因此本发明专利中CE_Pcm控制在：0.16～0.20％范围。

本发明采用该生产工艺的依据是：

控制第一阶段通过控制较低的终轧温度，使奥氏体再结晶晶粒充分细化；第二阶段采用低温控轧工艺，控制开轧温度和终轧温度，充分利用低温控轧效果，在硬化的奥氏体内部积累位错，为后续相变提供更多的形核点，最终通过轧后加速冷却，控制较低的终冷温度和较高的冷却速度，得到细化、均匀的板条贝氏体相变组织，提高X90钢板的强度和低温韧性。

环焊缝采用半自动药芯焊丝自保护焊工艺，焊材化学成分特点为：低碳C：0.03～0.06％、低Mn：1.4～1.7％、高Ni：1.3～2.0％、高Al：0.8～0.9％，低Nb：0.00～0.02％、不有意添加Cr、不有意添加Cu、不有意添加Mo，薄层多道焊接，焊接预热温度110-120℃，层间温度90-100℃，电流220-240A，电压20-21V，送丝速度115-125in./min。通过控制电流电压、预热温度及焊接速度等参数，获得良好的环焊缝性能。

综上所述，通过控制钢板化学成分、控轧控冷工艺，以及半自动药芯自保焊工艺，充分细化钢板的板条贝氏体晶粒，使钢板的强韧性能达到一个较好的匹配，并且获得优良的环焊缝性能。本发明所述的X90管线钢的环焊缝性能达到以下水平：

(1)环焊缝横向拉伸试样断口位于母材，抗拉强度在710MPa以上；

(2)环焊缝接头的夏比冲击试验，在-10℃时焊缝金属和熔合区的夏比冲击功平均值均达到120J以上；

(3)环焊缝接头的CTOD试验，在-10℃时CTOD值在0.3mm以上。

本发明的优点在于：本发明提供的X90管线钢具有优良的现场环焊缝性能，可广泛用于石油天然气管道工程建设中，对降低输送管线的建设成本有明显作用。

附图说明

图1为不同C含量对环焊缝冲击韧性的影响。

图2为不同Nb含量对环焊缝冲击韧性的影响。

图3为不同Cr含量对环焊缝冲击韧性的影响。

图4为不同CE_IIW对环焊缝冲击韧性的影响。

图5本发明中X90管线钢的光学电镜组织照片。

具体实施方式

根据本发明环焊缝性能优良的高强度X90管线钢及其生产方法，在100吨转炉上冶炼，在4300mm生产线上进行控轧控冷，采用半自动药芯焊丝自保护焊工艺进行环焊缝焊接。下面通过实施例对本发明作进一步的描述。实施例中钢板化学成分见表1，实施例工艺制度见表2，实施例环焊缝性能见表3：

实施例化学成分

表1.本发明X90管线钢实施例化学成分(wt％)

其中，实施例1-5中C+Nb控制在：0.10～0.12％，Cr+Mo控制在：0.15～0.40％，均为重量百分数；并且按下面公式<1>和<2>计算得出的CE_IIW控制在：0.415～0.465％之间，CE_Pcm控制在：0.167～0.195％之间。

${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{(\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V)}{5}+\frac{(\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu})}{15}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<1>$

${\mathrm{CE}}_{\mathrm{Pcm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<2>$

实施例工艺制度

表2.本发明X90管线钢实施例工艺制度

实施例力学性能

本发明生产的X90管线钢的金相组织为均匀、细小的贝氏体组织形态，参照附图5光学电镜组织照片。实施例环焊缝性能如下表3所示。

表3.实施例X90管线钢环焊缝性能

本发明通过采用特殊的合金配方，控制C、Nb、Cr、Mo等元素含量，以及不同元素含量之和，并且控制碳当量，使得材料本身为良好的现场可焊性奠定了基础，同时利用优化的控轧控冷工艺，实现超低温贝氏体相变，提高X90管线钢的强度和韧性，并采用半自动药芯焊丝自保护焊工艺进行环焊缝焊接，优化环焊缝焊接工艺，获得的X90管线钢具有优良的现场环焊缝性能，可广泛用于石油天然气管道工程建设中，对降低输送管线的建设成本有明显作用。

Claims (2)

1.一种环焊缝性能优良的X90管线钢，其特征在于：所述管线钢化学成分为：C：0.03～0.07％，Si：0.10～0.30％，Mn：1.80～2.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Alt：0.02～0.06％，Nb：0.03～0.07％，Ti：0.008～0.025％，Ni：0.00～0.30％，Cr：0.00～0.25％，Cu：0.00～0.30％，Mo：0.00～0.25％，N：≤0.008％，B：≤0.0005％，余量为Fe和不可避免杂质元素，且C+Nb：0.10～0.13％，Cr+Mo：0.15～0.40％，均为重量百分数；并且按下面公式<1>和<2>计算碳当量CE_IIW：0.41～0.48％，焊接裂纹敏感指数CE_Pcm：0.16～0.20％；

${\mathrm{CE}}_{IIW}=C+\frac{Mn}{6}+\frac{(Cr+Mo+V)}{5}+\frac{(Ni+CU)}{15}...<1>;$

${\mathrm{CE}}_{Pcm}=C+\frac{Si}{30}+\frac{Mn}{20}+\frac{CU}{20}+\frac{Ni}{60}+\frac{Cr}{20}+\frac{Mo}{15}+\frac{V}{10}+5B...<2>;$

产品的环焊缝焊接性能为：

环焊缝横向拉伸试样断口位于母材，抗拉强度在710MPa以上；

环焊缝接头的夏比冲击试验，在-10℃时焊缝金属和熔合区的夏比冲击功平均值均达到120J以上；

环焊缝接头的CTOD试验，在-10℃时CTOD值在0.3mm以上。

2.一种权利要求1所述X90管线钢的制备方法，包括钢水冶炼、钢板控轧控冷、半自动药芯自保护焊；其特征在于：工艺中控制如下技术参数：

(1)控轧控冷工艺：钢板分两阶段控轧，第一阶段终轧温度控制在980-1040℃，第二阶段终轧温度控制在770-830℃范围；钢板热轧后进行加速冷却，终冷温度控制在200-300℃，冷却速度控制在26-40℃/s；

(2)环焊缝工艺：采用半自动药芯焊丝自保护焊，焊接预热温度110-120℃，层间温度90-100℃，电流220-240A，电压20-21V，送丝速度115-125in./min。