CN105112808B - 一种高强度海洋隔水管用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度海洋隔水管用钢，其化学成分及wt%为：C：0.050～0.075％、Si：0.10~0.30％、Mn：0.50～1.00％、P：≤0.015％、S≤0.0040％、Cu：0.45～0.90％、Cr：0.30～0.50％、Ni：0.25～0.50％、Mo：0.10~0.40％、Nb：0.010～0.030％、Ti：0.010～0.025％、Al：0.010～0.050％、N：≤0.008％；生产步骤：连铸成坯后加热；粗轧；精轧；冷却；矫直；热处理。本发明能够沿板厚方向获得理想的细晶粒回火索氏体组织，实现高强度海洋隔水管用钢所要求的优异的强、塑、韧和疲劳性能的良好匹配，且钢板的R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa，‑30℃ KV₂≥200J，‑15℃ DWTT SA≥85％，‑10℃ CTOD≥0.50mm。

Description

一种高强度海洋隔水管用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种管线用钢及生产方法，具体地属于一种隔水管用钢及生产方法，确切地为一种适用于海深500米以下深海用高性能隔水管用钢及生产方法。

背景技术

随着陆地油气资源的逐步枯竭，新的资源开采向海洋、极地等地质条件恶劣的地区延伸。目前，已探明世界海洋石油资源占世界石油资源总量的34％，而海洋天然气的年产量也达到全球天然气年总产量的32％，全球已有100多个国家在进行海上石油勘探，其中一半以上对深海、超深海海域进行了石油勘探，因此，海洋油气开采用钢，尤其是深海、超深海海域用海底管用钢的开发和应用的重要性日益凸显。

隔水管是整个海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节，是海洋油气勘探开发的瓶颈所在，主要起隔离海水和支撑各种控制管线的作用。其在使用过程中需要承受高的外部海水压力、海底洋流、涡激等给隔水管造成的频繁冲击，因此需要所采用的隔水管用钢原材料具有高的抗压溃能力、高强度、优异疲劳性能。随着钢板强度的增加，保证其具有优异的断裂韧性和良好的疲劳性能成为严峻的挑战。

经检索：中国专利申请号为CN201110179840.5的文献，公开了“一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板及其生产方法”，其采用低C、高Mn，少量添加Nb、Cr、Cu、Ni、Mo等合金元素的成分设计，结合TMCP工艺生产低成本隔水管用钢的制造方法。该文献由于Cu、Cr、Ni、Mo等合金含量低，且采用控轧控冷工艺生产，使钢板厚度方向的组织性能均匀性、断裂韧性和疲劳性能稳定性差，难以满足市场要求。

中国专利申请号为CN201310478765.1的文献，公开了“一种抗疲劳性能优良的高强度隔水管主管及其制造方法。其采用低C、高Mn，少量添加Nb、V、Cu、Ni、Cr、Mo等合金元素的成分设计，显微组织为针状铁素体+贝氏体复合组织。该文献采用常规陆地管线用X80管线钢的成分设计和制造方法，与上述专利申请相同，钢板厚度方向的组织性能均匀性、断裂韧性和疲劳性能难以保证，无法满足高强度隔水管用钢的稳定使用要求。

中国专利申请号为CN201410666155.9的文献，公开了“一种高性能隔水管板材及生产方法”，其采用低C、低Mn，高Cu、高Ni、高Cr，适量添加Mo、Nb等合金元素的成分设计，结合控制轧制+亚温淬火+高温回火的生产方法，该文献由于为高Cu、高Ni、高Cr的成分设计，淬透性过强，生产成本高，且采用亚温淬火生产方式，易产生难以消除的混合组织，导致强度过高而断裂韧性、抗疲劳性能不足，不能满足高强度浅海隔水管用钢。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有隔水管用钢技术存在的淬透性不足、断裂韧性、组织性能均匀性和抗疲劳性能难以达到要求、难以满足大批量稳定生产等不足，提供一种R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa、-30℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％，-10℃ CTOD≥0.50mm的浅海用隔水管线钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种高强度海洋隔水管用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.050～0.075％、Si：0.10~0.30％、Mn：0.50～1.00％、P：≤0.015％、S≤0.0040％、Cu：0.45～0.90％、Cr：0.30～0.50％、Ni：0.25～0.50％、Mo：0.10~0.40％、Nb：0.010～0.030％、Ti：0.010～0.025％、Al：0.010～0.050％、N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa、-30℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％，-10℃ CTOD≥0.50mm。

一种高强度海洋隔水管用钢的生产方法，其步骤：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1250℃；

2）进行粗轧，控制粗轧温度在1020～1200℃，单道次压下率不低于8%，累积压下率不低于60%；

3）进行精轧，控制精轧温度在800～950℃，精轧累积压下率不低于70%；

4）进行冷却，控制冷却速率在10～30℃/s，终冷温度450~600℃；

5）进行矫直，先进行驰豫40～60s后再矫直，矫直入口压下量≤3mm；

6）进行热处理，控制淬火温度在850-900℃，淬火时间为1.2~2.0倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm；控制回火温度在450~600℃，回火时间为1.0~1.5倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm。

本发明中各元素的作用机理如下：

碳（C）含量为0.050～0.075％，碳是最经济的强化元素，加入一定量的碳，可以显著提高钢的强度，对高性能海洋隔水管用钢，为保证优异的断裂韧性和疲劳性能，防止碳的中心偏析，将碳含量严格控制在0.075％以下。

硅（Si）含量为0.10～0.30％，硅在钢中主要起固溶强化作用，但对高强度隔水管用钢，为保证焊接热影响区的低温韧性，应严格控制钢中的硅含量，降低钢中硅酸盐夹杂含量，避免M-A组元的过量形成。

锰（Mn）含量为0.50～1.00％，加入一定量的经济合金化元素锰，可以显著提高钢的强度，此外，锰还可以在一定程度上细化晶粒，改善钢的冲击韧性，但是对高强度隔水管用钢，过量的锰易形成中心偏聚，导致钢的成分、组织和性能不均。

铌（Nb）含量为0.010～0.030％，铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温控轧，降低轧机负荷，同时铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著的细晶强化和析出强化作用。但是在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促进M-A岛的生成，降低焊接热影响区的韧性，因此，将铌的含量限定为0.010～0.030％。

钛（Ti）含量为0.010～0.025％，钛与铌在钢中的作用类似，有较强的细晶强化和析出强化作用，微量的钛还可以在高温下与碳、氧结合，形成高温难熔的析出物，有利于抑制焊接热影响区的奥氏体晶粒长大，显著改善焊接热影响区的韧性。

钼（Mo）含量为0.10～0.40％，钼显著推迟γ→α转变，抑制铁素体和珠光体形核，促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成，使得钢在轧后一个较宽的冷速范围内得到贝氏体/针状铁素体组织，此外，钼还有利于提高钢的高温性能稳定性，但钼属于贵重金属，加入量增加会显著提高钢的制造成本，同时过高的钼还会导致钢的低温韧性恶化。

镍（Ni）含量为0.25～0.50％，镍能够有效提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，还能显著改善钢的低温韧性。此外，镍还能有效阻止Cu的热脆性引起的网裂，并显著提高钢的耐腐蚀性能，因此对高强度隔水管钢，将镍控制在较高水平。但镍与钼类似，属于贵重金属，易导致钢的制造成本大幅提高，此外，过高的镍含量易造成钢板氧化铁皮难以去除，导致钢板表面质量问题。

铜（Cu）的含量为0.45～0.90％，添加较高含量的铜元素，提高钢的强度、淬透性和高温稳定性，并能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。但铜为低熔点金属，易引起热脆，添加过量对钢的低温韧性不利。

铬（Cr）的含量为0.30～0.50％，铬是显著提高钢的淬透性元素，并具有一定的固溶强化作用，此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。但加入过高的Cr易导致钢的淬透性过高，产生难以消除的淬硬组织，使钢的强度过高而韧性不足。

铝（Al）的含量为0.010～0.050％，铝是钢中主要的脱氧元素，能够显著降低钢中的氧含量，同时铝与氮的结合形成AlN，能够有效地细化晶粒。但是钢中铝含量超过0.050％时，易导致铝的氧化物夹杂明显增加，降低钢的洁净度，对钢的低温韧性不利。

磷（P）、硫（S）、氮（N）含量分别为：[%P]≤0.015，[%S]≤0.0040，[%N]≤0.0080。磷易导致钢的冷脆，硫易引起热脆，而氮易引起钢的淬火失效和形变失效，导致钢的组织性能不稳定，因此对高强度海洋隔水管用钢，应严格控制钢中的磷、硫、氮的含量。

本发明将钢坯加热至1150～1250℃，保证微合金化元素的充分固溶，同时防止奥氏体晶粒过分长大。

将粗轧温度控制在1020～1200℃，单道次压下率≥8%，累积压下率≥60%，通过动、静态再结晶使奥氏体晶粒充分细化，同时抑制奥氏体晶粒长大。

将精轧温度控制在800～950℃，精轧累积压下率≥70%，防止部分再结晶导致的晶粒大小不均，同时使奥氏体晶粒充分压扁，形成足够多的变形带以利于形核，细化相变后组织。

之所以将冷却速率10～30℃/s，终冷温度450~600℃，以利于形成细小、均匀的单相贝氏体组织。

在冷却后之所以先驰豫驰豫40～60s后进行矫直，矫直入口压下量≤3mm，以使矫直前钢板温度均匀，保证板形良好，同时因避免矫直机入口压下量过大引起的加工硬化显著恶化钢板的低温韧性。

进行调质处理，并控制淬火温度850-900℃，淬火时间按照钢板的厚度（单位为mm）的1.2~2.0倍计，将回火温度控制在450~600℃，回火时间为1.0~1.5倍计，以使钢板组织充分均匀化，获得强度、低温韧性和疲劳性能匹配良好的理想回火索氏体组织。

本发明与现有技术相比，由于采用合理的成分设计和优化的TMCP+调质的生产工艺，可以显著提高海洋隔水管用钢的强韧性匹配和厚度方向的组织、性能均匀性，解决高强度海洋隔水管用钢断裂韧性和疲劳稳定性不足的难题。试验和生产检验结果表明，通过组分及含量和生产工艺的控制，能够沿板厚方向获得理想的细晶粒回火索氏体组织，可以实现高强度海洋隔水管用钢所要求的优异的强、塑、韧和疲劳性能的良好匹配，钢板的屈服强度（R_t0.5）≥555MPa，抗拉强度（R_m）≥625MPa，-30℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％，-10℃ CTOD≥0.50mm。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1250℃；

2）进行粗轧，控制粗轧温度在1020～1200℃，单道次压下率不低于8%，累积压下率不低于60%；

3）进行精轧，控制精轧温度在800～950℃，精轧累积压下率不低于70%；

4）进行冷却，控制冷却速率在10～30℃/s，终冷温度450~600℃；

5）进行矫直，先进行驰豫40～60s后再矫直，矫直入口压下量≤3mm；

6）进行热处理，控制淬火温度在850-900℃，淬火时间为1.2~2.0倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm；控制回火温度在450~600℃，回火时间为1.0~1.5倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm。

表1 本发明各实施例及对比例的化学组分及重量百分含量

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数

表3 本发明各实施例及对比例的力学及耐候性能检测结果

通过表3数据可以看出：本发明通过成分和工艺的组合控制，可以实现海洋隔水管用钢高强度、高塑性、优异断裂韧性的良好匹配，而对比例由于成分、控轧控冷工艺或热处理工艺的差异，强度、断裂韧性难以达到海洋隔水管用钢的技术要求。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (2)

1.一种高强度海洋隔水管用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.050～0.057％、Si：0.10~0.19％、Mn：0.50～1.00％、P：≤0.015％、S≤0.0040％、Cu：0.63～0.90％、Cr：0.30～0.50％、Ni：0.25～0.50％、Mo：0.10~0.36％、Nb：0.010～0.025％、Ti：0.016～0.025％、Al：0.010～0.017%或Al：0.043～0.050％、N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa、-30℃ KV₂≥200J，-15℃ DWTT SA≥85％，-10℃ CTOD≥0.50mm；生产方法：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1188℃；

2）进行粗轧，控制粗轧温度在1020～1200℃，单道次压下率不低于8%，累积压下率不低于60%；

3）进行精轧，控制精轧温度在800～950℃，精轧累积压下率不低于70%；

4）进行冷却，控制冷却速率在15.3～30℃/s，终冷温度450~596℃；

5）进行矫直，先进行驰豫40～60s后再矫直，矫直入口压下量≤3mm；

6）进行热处理，控制淬火温度在850-890℃，淬火时间为1.2~2.0倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm，淬火时间单位为min；控制回火温度在450~580℃，回火时间为1.0~1.5倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm，回火时间单位为min。

2.生产如权利要求1所述的一种高强度海洋隔水管用钢的方法，其步骤：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1188℃；

2）进行粗轧，控制粗轧温度在1020～1200℃，单道次压下率不低于8%，累积压下率不低于60%；

3）进行精轧，控制精轧温度在800～950℃，精轧累积压下率不低于70%；

4）进行冷却，控制冷却速率在15.3～30℃/s，终冷温度450~596℃；

5）进行矫直，先进行驰豫40～60s后再矫直，矫直入口压下量≤3mm；

6）进行热处理，控制淬火温度在850-890℃，淬火时间为1.2~2.0倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm，淬火时间单位为min；控制回火温度在450~580℃，回火时间为1.0~1.5倍的钢板的厚度，其厚度单位为mm，回火时间单位为min。