CN105132833A - 一种经济型高强度海底管线钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种经济型高强度海底管线钢，其化学成分及wt%为：C：0.050～0.080％、Si：0.10~0.30％、Mn：0.80～1.30％、P：≤0.015％、S≤0.0015％、Cr：0.10～0.30％、Nb：0.015～0.040％、V：0.020~0.045%、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；卷取；冷却至室温。本发明能够获得理想的贝氏体+超细晶多边形铁素体+少量弥散分布的MA组元的复相组织，板卷的屈服强度R_t0.5≥485MPa，抗拉强度R_m≥570MPa，屈强比R_t0.5/R_m≤0.90，延伸率A_50mm≥30%，通卷强度波动≤30MPa。

Description

一种经济型高强度海底管线钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种管线用钢及生产方法，具体地属于一种经济型高强度海底管线钢及生产方法。

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。

海底管道运行过程中需要承受高的外部海水压力和内部输送压力，同时还需要承受海底低温洋流、涡激等给海底管道造成的频繁冲击，因此需要所采用的管线钢原材料具有高的均质稳定性、良好的抗压溃能力、高强度、优异的低温韧性、抗变形能力和疲劳性能。

近年来，随着钢铁行业产能严重过剩，高端同质化竞争日趋激烈，管线钢系列产品的盈利能力不断降低，为提升市场竞争力，实现规模化稳定生产，必须开发新的经济型生产工艺。

经检索：中国专利申请号为CN201110232809.3的文献，公开了“深海用≥25mm厚的管线钢及其生产方法”，其采用低C、高Mn，较高Nb、Mo，适量加Cu、Ni、Cr、V、Ti等合金元素的成分设计，结合中厚板TMCP工艺生产厚规格海底管线钢板的制造方法。该文献由于Mn、Nb含量高，并添加Ni、Cu等贵重合金元素，生产成本很高，且采用单张钢板轧制的生产方式，生产效率低。

中国专利申请号为CN201410092713.5的文献，公开了“一种经济型X70石油天然气管线钢及其生产方法”，其采用中低C、较高Mn，并添加Cr、Nb、V、Ti等合金元素的成分设计，结合中厚板TMCP工艺生产高强度X70管线钢的制造方法，该文献采用0.10%以上的碳含量设计，Mn含量亦较高（1.25~1.50%），不可避免的会形成较严重的中心偏析和带状组织，导致韧性不足，难以满足海底管线钢高洁净度、高均质化要求，且同上采用单张钢板轧制的生产方式，生产效率低。

中国专利申请号为CN201310001802的文献，公开了一种“经济型高韧性X70管线钢热轧板卷的制备方法”，其用低C、较高Mn、高Nb，适量添加Cr、Ti等合金元素的成分设计，结合热连轧控轧控冷工艺生产X70级管线钢的制造方法，该方法采用较高Mn、高Nb的成分设计，生产成本也较高；再精轧开轧温度高，轧后冷却速率低，使强度难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的强度、韧性不足、生产效率低、制造成本高的不足，提供一种在满足使用性能即屈服强度R_t0.5≥485MPa，抗拉强度R_m≥570MPa，屈强比R_t0.5/R_m≤0.90，延伸率A_50mm≥30%，通卷强度波动≤30MPa的前提下，使生产成本较现有技术降低至少5%的经济型高强度海底管线钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种经济型高强度海底管线钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.050～0.080％、Si：0.10~0.30％、Mn：0.80～1.30％、P：≤0.015％、S≤0.0015％、Cr：0.10～0.30％、Nb：0.015～0.040％、V：0.020~0.045%、Ti：0.010～0.025％、Al：0.010～0.050％、N：≤0.008％，残余元素的重量百分比含量必须满足：As≤0.010，Sn≤0.02，Pb≤0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种经济型高强度海底管线钢的生产方法，其步骤：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1200℃；

2）进行粗轧，控制粗轧结束温度在970~1030℃，粗轧累积压下率不低于70%，末两道次道次压下率不低于25%；

3）进行精轧，控制精轧温度在760～960℃，精轧累积压下率不低于70%，并采用恒加速轧制，加速度控制为0.0004~0.010m/s²；

4）进行冷却，控制冷却速率不低于70℃/s，终冷温度300~450℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~350℃，并控制通卷卷取温度波动≤30℃；

6）自然冷却至室温，待用。

本发明中各元素的作用机理如下：

碳（C）含量为0.050～0.080％，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，但对高钢级海底管线钢，为保证优异的断裂韧性和焊接性能，防止碳的中心偏析，将碳含量控制在0.080％以下。

硅（Si）含量为0.10～0.30％，硅在钢中主要起固溶强化作用，但对高钢级海底管线钢，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0.80～1.30％，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，但是对高强度海底管线钢，过量的锰易形成中心偏聚，导致钢的成分、组织不均。

铌（Nb）含量为0.015～0.040％，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Nb属于贵重合金，提高Nb含量会显著增加合金成本，且在高强度管线钢中，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，将铌的含量限定在较低水平。

钒（V）含量为0.020～0.045％，钒可以补充铌析出强化的不足，还可以在一定程度上改善钢的焊后韧性。但由于钒具有较强的沉淀强化和较弱的细晶强化作用，加入过量的钒易导致钢的韧脆转变温度提高，因此将钒的含量控制在较低的含量水平。

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。但超过0.025%的Ti易引起Ti的碳/氮化物的粗化和过度析出，导致低温韧性大幅降低。

铬（Cr）的含量为0.10～0.30％。铬是提高钢的淬透性元素，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、耐酸腐蚀性能。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]≤0.0015，[%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，导致钢的性能不稳定，因此对高强度海底抗酸钢，应严格控制钢中的磷、硫、氮的含量。

其他残余元素含量控制：As≤0.010，Sn≤0.02，Pb≤0.01。As、Sn、Pb等低熔点有害残余元素的存在，显著降低钢的洁净度，严重影响高钢级海底管线钢的低温韧性和疲劳性能，因此，需严格控制钢中的As、Sn、Pb等有害残余元素的含量。

本发明将钢坯加热至1150～1200℃，以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。

将粗轧结束温度控制在970~1030℃，末两道次压下率不低于25%，累积压下率不低于70%，以通过动、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760～960℃，精轧累积压下率不低于70%，以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相变形核；采用恒加速轧制，控制加速度在0.0004~0.010m/s²，以保持通卷温度均匀性。

之所以将冷却速率大于70℃/s，终冷温度300~450℃，以以细化相变组织。

之所以将卷取温度控制在200~350℃，并使通卷卷取温度波动≤30℃，以获得细小、均匀的成品组织。

本发明与现有技术相比，由于采用经济型的成分设计和优化的TMCP生产工艺，可以显著提高管线钢的强韧性匹配和组织性能均匀性，解决现有管线钢产品强度、低温性能不足、生产效率低、制造成本高等问题。试验寂静检验结果表明，通过组分及含量和生产工艺的控制，能够获得理想的贝氏体+超细晶多边形铁素体+少量弥散分布的MA组元的复相组织，可以实现高强度、优异的强、塑、韧和组织性能均匀性的良好匹配，板卷的屈服强度R_t0.5≥485MPa，抗拉强度R_m≥570MPa，屈强比R_t0.5/R_m≤0.90，延伸率A_50mm≥30%，通卷强度波动≤30MPa。

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监测情况列表。

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1150～1200℃；

2）进行粗轧，控制粗轧结束温度在970~1030℃，粗轧累积压下率不低于70%，末两道次道次压下率不低于25%；

3）进行精轧，控制精轧温度在760～960℃，精轧累积压下率不低于70%，并采用恒加速轧制，加速度控制为0.0004~0.010m/s²；

4）进行冷却，控制冷却速率不低于70℃/s，终冷温度300~450℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~350℃，并控制通卷卷取温度波动≤30℃；

6）自然冷却至室温，待用。

需要说明的是各实施例的成分与工艺参数的取值并非对应关系。

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，可以实现高强度海底管线钢高强度、高塑性、优异低温韧性和组织性能均匀性（通卷强度波动小于30MPa）的良好匹配，而对比例2由于成分、控轧控冷工艺的差异，低温韧性达不到技术要求。根据统计，吨钢生产成本比现有钢板平均可降低幅度不低于5%。

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)

1.一种经济型高强度海底管线钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.050～0.080％、Si：0.10~0.30％、Mn：0.80～1.30％、P：≤0.015％、S≤0.0015％、Cr：0.10～0.30％、Nb：0.015～0.040％、V：0.020~0.045%、Ti：0.010～0.025％、Al：0.010～0.050％、N：≤0.008％，残余元素的重量百分比含量必须满足：As≤0.010，Sn≤0.02，Pb≤0.01，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种经济型高强度海底管线钢的生产方法，其步骤：

1）常规冶炼并连铸成坯后，对铸坯加热，加热温度为1150～1200℃；

2）进行粗轧，控制粗轧结束温度在970~1030℃，粗轧累积压下率不低于70%，末两道次道次压下率不低于25%；

3）进行精轧，控制精轧温度在760～960℃，精轧累积压下率不低于70%，并采用恒加速轧制，加速度控制为0.0004~0.010m/s²；

4）进行冷却，控制冷却速率不低于70℃/s，终冷温度300~450℃；

5）进行卷取，控制卷取温度在200~350℃，并控制通卷卷取温度波动≤30℃；

6）自然冷却至室温，待用。