CN104894492A - 一种超低温大口径wphy80级三通管件专用钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低合金高强度管线钢的技术领域，具体的涉及一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板及其制备方法。该种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，该专用钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.06%，Si：0.50～0.80%，Mn：1.40～1.80%，P≤0.008%，S≤0.002%，Nb：0.08～0.12%，Ti：0.04～0.06%，Mo：0.30～0.40%，Cu：0.12～0.20%，Ni：0.30～0.40%，Cr≤0.50%，V:0.050～0.060%，B≤0.0005%，余量为铁和不可避免的杂质。在提高现场生产效率前提下，生产出的专用钢板性能稳定，特别是具有优异的低温落锤性能：-25℃SA%≥90%和夏比冲击性能：-60℃夏比冲击功≥260J，-80℃夏比冲击功≥210J。

Description

一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于低合金高强度管线钢的技术领域，具体的涉及一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板及其制备方法。

背景技术

随着管道朝着高输送效率、低能耗、低成本，大口径、大厚度和高强韧性的趋势发展，管线钢服役地质环境越来越复杂，对管线钢的质量要求也越来越高。为了顺利完全的输送石油和天然气等液体或者气体资源，必须使用各种管道，管道敷设时除了直管道用钢管外，还要大量用到各种直管件的配件，三通管道作为油气输送管道重要组成部分，主要应用于油气输送管道的分支、汇集、变向等环节处，三通管件每年市场需求在30多万吨，在石油化工、机械制造、船舶工业等领域应用十分广泛，有着广阔的市场前景和经济社会效益。

三通管件一来可以通过与其相连接的管线焊接，实现油气的变径、变向输送。二来可以缓冲管道所在地域的低温、地层迁移、地震以及外界环境变化等附加在直管上的拉、压应力和扭矩作用，也是管线中承载较为苛刻的重要构件，其质量的好坏直接决定着整个管道的安全性和可靠性。

三通管件一般是在高温条件下经重复鼓泡和拉拔成型的，制造的热过程对产品的质量有着重要影响，对性能热稳定性要求高，“三通管件”原料钢板的性能好坏，直接影响整个管道工程的安全性和可靠性。管件将卷制好的钢管用中频感应线圈加热到Ac3 以上，使钢管组织奥氏体化达到塑性状态，最后经过反复鼓泡和拉拔成型，而由于钢板生产时一般为TMCP 生产，加热后晶粒长大粗化，强度会下降，为保证力学性能需要进行淬火和回火处理，以保证钢板的热稳定性。

三通管件目前常用级别一般为X70以下级别，大口径及大壁厚三通管件一般经热压成型　即将大于三通直径的管坯，压扁约至三通直径的尺寸。管坯经加热，放入成形模中，并在管坯内装入拉伸支管的冲模；在压力的作用下管坯被径向压缩，在径向压缩的过程中金属向支管方向流动并在冲模的拉伸下形成支管。整个过程是通过管坯的径向压缩和支管部位的拉伸过程而成形。热压三通支管的金属是由管坯的径向运动进行补偿的，所以也称为径向补偿工艺。

由于三通管件在管道输送中的特殊作用，环境较为恶劣，承受力较为复杂，性能要求比较苛刻，对三通管线钢板母板产品一般要求抗震性能好、超低温韧性性能高、强度富裕量大、焊接性能优良、现场适应性强、安全系数高和使用寿命长，可承受12MPa以上的高压，并可承受较强的压力波动，具有良好的热性能稳定性。必须通过低碳复合添加各微合金元素成分体系设计，配合合理的轧制和热处理工艺，取得理想的力学性能和热稳定性能，相对于传统管线钢TMCP工艺，三通管件钢板的生产工艺有所差别：

（1）钢板必须同时具有高强度、高的超低温韧性、高性能均匀性；

（2）要具有良好热稳定性，保证在经过重复鼓泡和拉拔成型后性能稳定可靠；

（3）焊接性能好，现场焊接无需预热，焊后不产生焊接冷裂纹；

（4）具有良好焊接性能的同时，要具有一定的淬透性，适应热煨管淬火回火使用工艺性。

现有技术中一种X80 管件用埋弧焊丝成分及焊接工艺，目的是提供一种适用于X80 管件母管焊接，工业上有助于高效生产的高韧性埋弧焊丝，但是其含碳量0.10-0.14%，含碳量较高，会促进焊缝中贝氏体甚至马氏体的形成，导致焊缝的抗裂性下降和韧性性能的降低；现有技术中一种X80 钢耐低温钢管及管件用焊丝，主要针对的是一种X80级钢管埋弧自动焊焊丝，没有涉及超低P处理和低碳处理，也没有涉及钢板从纯净钢冶炼、高压水除磷及两阶段轧制冷却技术，没有涉及整体系统控制钢板的方法，恐怕难以满足超低温钢板韧性及现场焊接要求。

现有技术中一种X80 钢及其所制耐低温管件和管件的制造方法；其管件成型后最终采用淬火加回火工艺，其淬火温度900 ～ 1050℃，回火温度520～650℃，冷却速度大于15℃ /s，淬火温度和回火温度较高，容易造成热处理后钢板的焊接性能急剧恶化，热处理后也没有进行缓冷，容易在钢板内部产生残余应力，难以保证钢板在超低温状态下的焊接韧性性能；回火时间2～3h时间太长，不适合高效工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于针对超低温大口径WPHY80级三通管件的特点而提供一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板及其制备方法，在提高现场生产效率前提下，生产出的专用钢板性能稳定，特别是具有优异的低温落锤性能：-25℃SA%≥90%和夏比冲击性能：-60℃夏比冲击功≥260J，-80℃夏比冲击功≥210J。

本发明的技术方案为：一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，该专用钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.06%，Si：0.50～0.80%，Mn：1.40～1.80%，P≤0.008%，S≤0.002%，Nb：0.08～0.12%，Ti：0.04～0.06%，Mo：0.30～0.40%，Cu：0.12～0.20%，Ni：0.30～0.40%， Cr≤0.50 %，V:0.050～0.060%, B≤0.0005%，余量为铁和不可避免的杂质。

该专用钢板的化学成分满足：Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.25％；Ceq= C+ Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Cu+Ni)/15=0.45~0.50％,S+P+O+N+H≤120ppm。

该专用钢板的使用温度为-80℃～-60℃。

该专用钢板的厚度为30～40mm。

一种所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，包括以下步骤：（1）按照所述化学成分配比备料；（2）铁水KR脱硫处理；（3）顶底复吹转炉冶炼；（4）CAS吹氩；（5）LF+VD精炼；（6）板坯连铸；（7）板坯缓冷60小时；（8）板坯再加热；（9）粗轧；（10）高压水喷吹冷却2道；（11）弛豫待温；（12）精轧；（13）预矫直；（14）ACC多路径层流冷却；（15）矫直；（16）在线切割钢板头尾、边部；（17）喷号；（18）堆垛缓冷；（19）调质：淬火+回火；（20）喷号；（21）超声波探伤；（22）取样钢板检查；（23）入库；其中步骤（9）粗轧具体为：将所得连铸坯进行粗轧3～5道次，至少保证1道次轧制压下率大于25%；粗轧的终轧温度至少为1100℃；中间坯厚度控制在85～95mm；保证未再结晶区轧制累计压下率大于60%；步骤（16）在线切割钢板头尾、边部：钢板经矫直后立即进行在线切割，钢板头、尾切掉圆头后再各切掉200mm，钢板两侧边各切掉20mm，释放钢板内应力，钢板切割后进行至少60小时的缓冷。

所述步骤（6）板坯连铸：连铸坯经加热炉加热，加热速度按照5～7min/cm加热，避免加热速度过快，保证炉膛温度为1180℃～1200℃，加热时间在4.5h～5h；连铸坯出炉后，进行2道高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度控制在至少1070℃。

所述步骤（12）精轧：先机后抛钢1次，再进行9道次轧制，精轧累计道次压下率≥65%，纵轧温度控制在810～880℃，开冷温度大于770℃，终冷温度在200～300℃，冷却速度为15～20℃/s。

所述步骤（19）调质：淬火温度为870～890℃，保温时间20min，保温速度为1.8～

2.1min/mm；然后进行淬火冷却，在奥氏体晶粒内部先后形成贝氏体、铁素体和MA岛等的混合组织，为后期获得良好的回火组织准备了条件，淬火后钢板回火温度为300～350℃，保温时间0.8～1.1min/mm。

所述淬火采用的介质为质量分数为20%的NaCl水溶液。通过合理选择淬火温度和冷却介质选择来实现对钢组织和性能的有效控制。

本发明的有益效果为：本发明所述专用钢板所采用的成分设计中各个元素的作用如下：C：碳是提高强度最主要也是最廉价的元素，随着碳含量的增加，钢的强度增加，但同时钢板的焊接性能及塑韧性变差，因此本发明选用低碳成分设计，使得钢板具有良好的塑韧性和优良的焊接性能。

Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，它是弱碳化物形成元素，它在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响，还可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益。同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。在低碳条件下它对贝氏体转变有显著的促进作用。但Mn含量过高时，则钢硬化而延展性变坏。Mn因其效果明显，成本低廉在高性能钢板生产中成为主要的添加元素之一。

Si：硅起到脱氧剂的作用，同时有固溶强化作用，还可以极大的延缓碳化物的形成，滞后渗碳体的长大，增加了奥氏体稳定性。但是Si含量高，钢种易出现夹杂物，钢材易生锈，热轧生产中铁锈容易被轧入钢板表层，热镀锌性能差，同时Si都显示出对多线程焊接时局部脆性区域有危害性。

Cu：铜元素的析出强化是提高钢的强度的重要手段，此外，Cu对钢的耐蚀性、改善焊接性、低温韧性、成型性与机加工性能等都非常有益。但是另一方面，Cu含量高时连铸钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须根据强度级别和钢板厚度的不同添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。

Ni：镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高。但它是较贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在钢中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。根据Cu的含量，将Ni含量控制在Cu含量的0.7-1倍。

Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素。另外Ti有强烈的析出强化作用，可以提高钢的强度，对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用在最佳状态下，Ti的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。Ti低于0.005%时，固N效果差，超过0.03%时，固N效果达到饱和，过剩的Ti可以单独或与Nb一起形成碳氮化物，强化钢材，但有时会形成大块的析出相，将会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。但是，过多的Ti含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利。因此，一般将Ti成分控制在0.02%左右。

Cr：铬的添加可以降低钢种的相变点，细化组织，有效的提高强度，还可以提高钢种抗氧化性及高温耐腐蚀性能等，但是Cr过多则析出粗大，导致钢的脆化，对焊接性能不好，因此Cr含量设计为≤0.30％。

本发明在低碳复合添加高Ni、Nb和Cu多元微合金成分设计的基础上，通过控制板坯加热温度和加热时间，精确控制熔炼窄成分；在提高粗轧道次压下率的基础上并巧妙利用粗轧机高压水对连铸坯进行2道次连续冷却进行冷却，缩短精轧机和粗轧机中间待温时间，细化晶粒并提高生产效率；结合双边剪在线切割技术和缓冷处理工艺，克服了利用连铸坯生产厚规格管线钢低压缩比与高韧性性能的矛盾，保证了大口径WPHY80级三通管件的力学性能和超低温韧性性能，经调质处理后其微观组织为细小的针状铁素体结构。

其中在粗轧后连续进行2道次高压水降温，一方面可以清除板坯表面的氧化铁皮，改善钢板表面质量，另一方面可以控制钢板在待温过程中钢板组织晶粒的过分长大，改善钢板的力学性能和焊接性能。

在钢板矫直厚进行在线热切割钢板头尾和边部，并进行60小时以上长时间缓冷，以释放钢板内应力，防止钢板瓢曲，保证钢板低温韧性性能。

在进行高温淬火在870～890℃、低温回火在300～350℃，改善钢板的焊接性能和低温韧性。所用的特定淬火介质为20%NaCl水溶液，通过合理选择淬火温度和冷却介质选择来实现对钢组织和性能的有效控制。

本发明所述专用钢板采用低碳、高合金成分设计理念，利用精炼手段提高钢水纯净度，采用钢板头尾及边部在线热切割释放钢板内应力并且长时间下线缓冷保证钢板低温韧性，利用合理的淬火回火工艺，最终得到具有高强度、高低温韧性性能及焊接性等优良的综合性能产品。通过成分设计、轧制工艺、多路径冷却工艺以及在线热切割技术和热处理工艺，制造出高性能的超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，形成了其稳定成熟高效的工业化生产工艺。

本发明超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板经合理的轧制、冷却和调质等工艺组合处理后最终得到细小针状铁素体为主的组织，钢板的屈服强度Rt0.5为580MPa～620MPa；抗拉强度Rm为670MPa～730MPa；屈强比Rt0.5/Rm≤0.86；延伸率A≥22%；-60℃夏比冲击功≥260J；-80℃夏比冲击功≥210J； -25℃落锤剪切面积≥90%。完全满足超低温（-60℃～-80℃）大口径WPHY80级三通管件专用钢板的技术要求。

具体实施方式

通过以下实施例来进一步说明本发明：

实施例1

所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，其化学成分按重量百分比为：C：0.05%，Si：0.51%，Mn：1.51%，P:0.007%，S:0.002%，Nb：0.10%，Ni：0.35%，Ti: 0.045%，Mo：0.32%，Cu 0.15%，V 0.052%，Pcm=0.21%，Ceq=42%，S+P+N+H+O=110ppm,余量为Fe和不可避免的杂质。

所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法如下：

1）冶炼工艺：原料铁水KR预处理后，经过210t顶底复吹转炉冶炼，钢包吹氩后再送入LF精炼炉精炼，然后在VD炉中进行真空处理，保真空时间20分钟，处理结束后喂入钙铁线2m/t，喂线后软吹氩10分钟；

2）浇铸工艺：VD炉破真空后上230mm×2100mm断面板坯连铸机浇注，浇注过程中铸机采用扇形段电磁搅拌以及铸坯轻压下工艺，连铸坯下线后堆垛缓冷72小时；

3）加热工艺：铸坯在炉时间5小时，炉膛温度为1190℃，出炉后进行2道高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度1085℃。

4）轧制工艺：粗轧终轧道次压下率为26.21%，终轧温度1120℃，中间坯厚度95mm;精轧采用“1+9”模式，机后抛钢，精轧终轧温度850℃，轧制成品钢板规格为30mm，精轧道次累计压下率68.4%。

5）冷却工艺: 开冷温度大于800℃，终冷温度在260℃，冷却速度18℃/S。

6）钢板经矫直后在线切割头尾去圆头后各250mm，边部30mm，在线切割温度280℃，切割后缓冷80小时。

7）钢板淬火温度为900℃，保温时间45min后水冷；回火温度为320℃，保温时间1h后空冷。

经检测，本实例的主要性能如下：Rt0.5为600MPa，抗拉强度Rm为720MPa，屈强比Rt0.5/Rm=0.83，,延伸率A=25%,-60℃夏比冲击功为280J，290J,295J，-80℃夏比冲击功为250J，260J,245J;-25℃落锤剪切面积=95%，95%。

实施例2

所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，该专用钢板的化学成分按重量百分比

为：C：0.052%，Si：0.58%，Mn：1.54%，P:0.006%，S:0.001%，Nb：0.11%，Ni：0.38%,Ti: 0.048%,Mo=0.35%，Cu=0.18%，V=0.055%，Pcm=0.20%，Ceq=42%，S+P+N+H+O=108ppm,余量为Fe和不可避免的杂质。

所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法同实施例一，区别在于：铸坯下线缓冷78小时，除磷后温度1080℃，精轧道次累计变形率为70%，开冷温度为790℃，终冷温度为250℃。冷却速度17℃/S，钢板经矫直后在线切割头尾去圆头后各220mm，边部25mm，在线切割温度290℃，切割后缓冷90小时。

经检测，本实例的主要性能如下：Rt0.5为597MPa，抗拉强度Rm为710MPa，屈强比Rt0.5/Rm=0.84，,延伸率A=28%,-60℃夏比冲击功为290J，299J,305J，-80℃夏比冲击功为270J，2650J,258J;-25℃落锤剪切面积=100%，95%。

Claims (9)

1.一种超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，其特征在于，该专用钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.06%，Si：0.50～0.80%，Mn：1.40～1.80%，P≤0.008%，S≤0.002%，Nb：0.08～0.12%，Ti：0.04～0.06%，Mo：0.30～0.40%，Cu：0.12～0.20%，Ni：0.30～0.40%， Cr≤0.50 %，V:0.050～0.060%, B≤0.0005%，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，其特征在于，该专用钢板的化学成分满足：Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.25％；

Ceq= C+ Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Cu+Ni)/15=0.45~0.50％,S+P+O+N+H≤120ppm。

3.根据权利要求1或2所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，其特征在于，该专用钢板的使用温度为-80℃～-60℃。

4.根据权利要求1或2所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板，其特征在于，该专用钢板的厚度为30～40mm。

5.一种权利要求1所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，包括以下步骤：（1）按照所述化学成分配比备料；（2）铁水KR脱硫处理；（3）顶底复吹转炉冶炼；（4）CAS吹氩；（5）LF+VD精炼；（6）板坯连铸；（7）板坯缓冷60小时；（8）板坯再加热；（9）粗轧；（10）高压水喷吹冷却2道；（11）弛豫待温；（12）精轧；（13）预矫直；（14）ACC多路径层流冷却；（15）矫直；（16）在线切割钢板头尾、边部；（17）喷号；（18）堆垛缓冷；（19）调质：淬火+回火；（20）喷号；（21）超声波探伤；（22）取样钢板检查；（23）入库；

其中步骤（9）粗轧具体为：将所得连铸坯进行粗轧3～5道次，至少保证1道次轧制压下率大于25%；粗轧的终轧温度至少为1100℃；中间坯厚度控制在85～95mm；保证未再结晶区轧制累计压下率大于60%；

步骤（16）在线切割钢板头尾、边部：钢板经矫直后立即进行在线切割，钢板头、尾切掉圆头后再各切掉200mm，钢板两侧边各切掉20mm，释放钢板内应力，钢板切割后进行至少60小时的缓冷。

6.根据权利要求5所述所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）板坯连铸：连铸坯经加热炉加热，加热速度按照5～7min/cm加热，保证炉膛温度为1180℃～1200℃，加热时间在4.5h～5h；连铸坯出炉后，进行2道高压水除磷，除去铸坯表面氧化铁皮，除磷后铸坯表面温度控制在至少1070℃。

7.根据权利要求5所述所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤（12）精轧：先机后抛钢1次，再进行9道次轧制，精轧累计道次压下率≥65%，纵轧温度控制在810～880℃，开冷温度大于770℃，终冷温度在200～300℃，冷却速度为15～20℃/s。

8.根据权利要求5所述所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤（19）调质：淬火温度为870～890℃，保温时间20min，保温速度为1.8～2.1min/mm；然后进行淬火冷却，淬火后钢板回火温度为300～350℃，保温时间0.8～1.1min/mm。

9.根据权利要求8所述所述超低温大口径WPHY80级三通管件专用钢板的制备方法，其特征在于，所述淬火采用的介质为质量分数为20%的NaCl水溶液。