CN106367685A - 深海钻探隔水管用x80及以下钢级管线钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢，化学成分按质量百分比计为，C0.04‑0.08%、Mn1.7‑1.85%，Si0.25‑0.45%，S≤0.001%，P≤0.010%，Nb0.02‑0.04%、Ti0.008‑0.03%、V0.01‑0.06%，Alt≤0.06%，N≤0.010%，O≤0.006%，Mo≤0.30%，Cu≤0.30%、Ni0.15‑0.35%，Cr0.15‑0.45%，Ca≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。钢板冶炼工艺路线是，备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺→空冷至室温。本发明可明显改善深海隔水管的机械性能。

Description

深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及深海钻探用隔水管技术领域，具体涉及一种纵横向强度均匀及双硬度要求X80管线钢及其制造方法，本发明也适用于X80钢级以下管线钢。

背景技术

目前世界需求的能源中化石能源还占能源结构中的主体地位，近年来世界经济的急速增长极大带动了化石能源需求的急速增长，为满足化石能源的巨大需求，随着多年陆地开采日渐枯竭。能源开采已转向海洋。海洋管线用钢涉及石油钻探和石油输送领域。由于深海的高压力及钻探时洋流等影响因素，通常在钻探时需要采用高钢级较厚规格钢板制成深海用隔水管，才能保证钻探顺利作业。考虑到海洋洋流等自然条件，隔水管要求具有高强度、低温高韧性、纵横向强度均匀性、双硬度要求（布氏硬度和维氏硬度），及抗疲劳要求。

X80管线钢国内专利授权或申请专利较多，但是涉及深海隔水管用钢板申请专利较少。

申请专利号为201410666155.9及申请专利号为201510650867.6均分别提到一种深海用隔水管用钢板的生产法，都存在以下共同点：1）除采用TMCP工艺外，后续还需采用热处理工艺；2）合金成本很高。

申请专利号为201110179840.5中提到一种低成本高性能海洋隔水用热轧钢板及其生产方法，该方法比较经济。但该方法：1）只提到纵向拉伸性能，没有提到横向拉伸性能和纵横向拉伸强度均匀性及需要采取的工艺；2）该申请专利更没有提到隔水管在工作中由于钻探中带起的海洋泥流对隔水管表面产生冲刷而需要的表面硬度要求。

实际上由于隔水管是海洋海底钻探中的重要部件，承受着洋流、涡激震动，周期扭转，海底泥沙对钢管内表面冲刷等。使得钢管必须具有良好的低温韧性、抗腐蚀性、抗疲劳、抗压毁性及抗冲刷性等。

本发明基于深海隔水管服役环境，从成分设计和制备方法相结合进行改进，使钢板满足深海用隔水管的性能要求。

发明内容

海洋管线用钢涉及石油钻探和石油输送等应用。考虑到深海高压力、洋流等影响因素，通常在深海钻探时需要采用高钢级较厚规格钢板制成的深海隔水管，才能保证钻探顺利进行。本发明的目的是提供一种生产厚度不高于30.4mm厚X80深海钻探隔水管用管线钢板及其制造方法，来满足低温高韧性、纵横向高强度均匀性及双硬度要求，除成分设计外，本申请在生产工艺上也进行了改进，且改进的工艺不仅相对更加简练、成材率高，而且获得优异的综合钢板特性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢，钢材成品厚度不高于30mm；该钢材的化学成分按质量百分比计为，C：0.04-0.08%、Mn：1.7-1.85%，Si：0.25-0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.010%，Nb：0.02-0.04%、Ti：0.008-0.03%、V：0.01-0.06%，Alt：≤0.06%，N：≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：≤0.30%，Cu：≤0.30%、Ni：0.15-0.35%，Cr：0.15-0.45%，Ca：≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢材的主要力学性能为，横向屈服强度不小于555Mpa，抗拉强度不小于680Mpa，屈强比不高于0.84；纵向屈服强度不小于555Mpa，抗拉强度不小于670Mpa，屈强比不高于0.85；圆棒样钢材延伸率不小于25%；钢板纵横向强度均匀，强度差异性小；-30℃冲击功不低于300J；沿钢板厚度方向近表面、1/4厚度方向及1/2厚度方向维氏硬度为215-250Hv10，钢板边部、沿板宽1/4、沿板宽1/2处上下表面布氏硬度为215-250HB3000。

本发明低温深海钻探隔水管用纵横向强度均匀，同时满足布氏硬度及维氏硬度（双硬度）的X80钢级及以下管线钢的成分设计原理是与X80管线钢成分设计和工艺相比，常规元素如碳、锰、硅的加入有些相同，但具有自身特点，尤其是工艺方面，工艺方面需要结合合金元素在钢中的作用进行，具体阐述如下：

C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，结合钢板双硬度要求以及低温高韧性要求，同时需要充分考虑到组织转变及第二相粒子析出条件的关系，同时还需考虑焊接性能，因此将钢中C含量控制在0.05-0.08%。

Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。本发明中Mn含量设计在1.70-1.85%范围。

Nb：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb（C,N）的应变诱导析可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，因此过高的Nb对奥氏体再结晶具有很强的抑制作用，为后续获得纵横向较均匀的奥氏体不利，考虑到C与Nb含量的关系来确定Nb含量范围控制在0.02-0.04%,

V：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素复合使用时，V主要起析出强化作用，但在快速冷却及一定终冷温度下V的析出受到抑制，本申请专利充分利用到V的析出强化机理，将V控制在0.01-0.06%。

Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素。

Mo：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo结合冷却速度的控制即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织。

S、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。

Cu、Ni：可通过固溶强化作用提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时可改善Cu在钢中易引起的热脆性。

Cr：Cr的加入可提高钢的淬透性，对获得适度的硬度有利，本发明将Cr控制在0.15-0.45%。

本发明的另一目的是提供上述深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢的制备方法，工艺路线是，按照技术方案配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺→空冷至室温；

其中主要工序的具体操作：

连铸坯的厚度为200mm及以上；

板坯再加热温度：1180～1230℃；

特定TMCP工艺：采用粗轧和精轧两阶段轧制：组轧阶段采用再结晶区轧制，粗轧终轧温度为1080～1120℃，且连续2-3道次的单道次压下率≥22%，粗轧累积变形率不低于55%；精轧阶段仍然采用再结晶区轧制，精轧终轧温度不低于910℃，轧至所需的成品厚度；

精轧结束后，立即采用DQ超快冷对钢板进行快速冷却，将钢板冷却至表面温度为450-500℃，冷却速度控制为25-35℃/s；

DQ超快冷结束后，再通过ACC对钢板进行冷却，冷却速度控制在10-20℃/s，终冷温度为350-400℃，随后空冷到室温。

本发明具有如下特点：

1）与现有管线钢的TMCP轧制工艺相比，本申请强化了再结晶区轧制，取消非再结晶区轧制工艺，即在精轧阶段也采用再结晶轧制，之所以精轧阶段也采用再结晶轧制而不采用非再结晶轧制，主要目的是要最终获得等轴奥氏体晶粒，才能保证纵横向均匀的拉伸性能，并同时保证钢板最终轧制厚度的精度。

2）考虑到双硬度要求，即维氏硬度和布氏硬度以及钢板较低屈强比要求，钢板满足双硬度要求，即维氏硬度和布氏硬度要求，即可保证钢管具有一定的抗腐蚀性能，还需要考虑到钻探带出的海底泥沙对钢管表面的冲刷作用，因而需要钢管具有一定的布氏硬度要求。为此既要做到总体钢板硬度不宜过高，且钢板心部必须具有优异的低温韧性，同时钢管近表面需要满足一定的布氏硬度。为了实现前述技术目的，需要设计从钢板表面到心部进行不同的组织匹配。

3）考虑到双硬度特别是表面高硬度要求和低温韧性要求及以及两者的矛盾关系。本发明采用分阶段冷却工艺，其中第一阶段采用超快冷工艺，第二阶段则采用慢冷工艺，获得钢板表面为上贝氏体组织，钢板心部为针状铁素体的组织，因而获得表面具有较高硬度同时心部具有较高韧性的组织性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提供一种用于深海钻探隔水管用的X80管线钢及其制备方法，针对管材的深海服役环境，通过对钢材化学成分及制备方法的调整，使钢材具有深海隔水管所要求的高强度、低温高韧性、纵横向强度均匀和双硬度的综合要求。

附图说明

图1为本发明隔水管用管线钢近表面的组织金相图；

图2为本发明隔水管用管线钢心部的组织金相图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例的深海钻探隔水管用管线钢的熔炼化学成分见表1(wt%)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

表1

实施例	C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	V	Alt	Mo+Cu+Ni+Cr	B	Ca
													1	0.06	1.85	0.30	0.0005	0.008	0.03	0.015	0.06	0.028	≤0.70	-	≤0.01
2	0.04	1.50	0.45	0.0005	0.009	0.025	0.018	0.05	0.030	≤0.70	-	≤0.01
													3	0.08	1.70	0.25	0.0015	0.007	0.04	0.021	0.02	0.035	≤0.70	-	≤0.01

上述实施例对应工艺流程为转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+空冷至室温；精炼过程中通过喂 Ca线进行深脱硫。连铸坯的厚度为200mm。

其中特定TMCP工艺采用粗轧和精轧两阶段轧制：组轧阶段采用再结晶区轧制，粗轧连续2-3道次的单道次压下率≥22%，粗轧累积变形率为不低于55%；精轧阶段仍然采用再结晶区轧制，轧至所需的成品厚度，各实施例对应的钢板成品厚度为15.88mm-30.4mm；

精轧结束后，立即采用DQ超快冷对钢板进行快速冷却； DQ超快冷结束后，再通过ACC对钢板进行冷却，最后空冷到室温。

各实施例轧制工艺的具体参数见表2

表2

实施例	厚度mm	加热温度，℃	粗轧温度范围℃	粗轧累计变形率%	开始精轧温度℃	终止精轧温度℃	DQ终冷温度℃	DQ冷速℃/s	ACC终冷温度℃	ACC冷速℃/s
											1	15.88	1180	1080-1120	63	1050	950	450	30	400	13
2	25.4	1220	1080-1120	57	1030	920	500	35	350	15
											3	30.4	1183	1080-1120	55	1030	900	480	25	400	18

各实施例所得管线钢的力学性能见表3

表3

各实施例所得管线钢材的双硬度见表4

表4

上述各实施例所制得的隔水管用管线钢属于X80钢级，深海隔水管除上述提到的各项性能外，双硬度要求非常重要，这里双硬度是指布氏硬度和维氏硬度。布氏硬度主要侧重于钢管表面要求，而维氏硬度主要是考虑到一定抗HIC性能要求。本发明考虑到双硬度均匀性对提高隔水管的使用寿命非常重要，明显改善深海隔水管的机械性能。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢，其特征在于：钢材成品厚度不高于30mm；该钢材的化学成分按质量百分比计为，C：0.04-0.08%、Mn：1.7-1.85%，Si：0.25-0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.010%，Nb：0.02-0.04%、Ti：0.008-0.03%、V：0.01-0.06%，Alt：≤0.06%，N：≤0.010%，O：≤0.006%，Mo：≤0.30%，Cu：≤0.30%、Ni：0.15-0.35%，Cr：0.15-0.45%，Ca：≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质；

主要力学性能为，横向屈服强度不小于555Mpa，抗拉强度不小于680Mpa，屈强比不高于0.84；纵向屈服强度不小于555Mpa，抗拉强度不小于670Mpa，屈强比不高于0.85；圆棒样钢材延伸率不小于25%；钢板纵横向强度均匀，强度差异性小；-30℃冲击功不低于300J；沿钢板厚度方向近表面、1/4厚度方向及1/2厚度方向维氏硬度为215～250Hv10，钢板边部、沿板宽1/4、沿板宽1/2处上下表面布氏硬度为215～250HB3000。

2.一种制备权利要求1所述深海钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢的方法，其特征在于：工艺路线是，按照技术方案配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺→空冷至室温；

其中主要工序的具体操作：

连铸坯的厚度为200mm及以上；

板坯再加热温度：1180～1230℃；

特定TMCP工艺：采用粗轧和精轧两阶段轧制：组轧阶段采用再结晶区轧制，粗轧终轧温度为1080～1120℃，且连续2-3道次的单道次压下率≥22%，粗轧累积变形率不低于55%；精轧阶段仍然采用再结晶区轧制，精轧终轧温度不低于910℃，轧至所需的成品厚度；

精轧结束后，立即采用DQ超快冷对钢板进行快速冷却，将钢板冷却至表面温度为450-500℃，冷却速度控制为25-35℃/s；

DQ超快冷结束后，再通过ACC对钢板进行冷却，冷却速度控制在10-20℃/s，终冷温度为350-400℃，随后空冷到室温。