CN107537859A - 一种x65级厚规格管线钢复合板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X65级厚规格管线钢复合板，其由两层或两层以上的同质钢坯复合轧制而成；所述X65级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：C：0.01～0.10％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.7％、Al：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该X65级厚规格管线钢复合板的制造方法。本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板与常规单坯非复合管线钢板相比，具有更优的剪切面积百分比，从而能够保证钢管低温使用过程中具有更高的安全性。

Description

一种X65级厚规格管线钢复合板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合板及其制造方法，尤其涉及一种管线钢复合板及其制造方法。

背景技术

管线钢管是油气运送领域的重要途径。特别适用于环境较为严酷的区域，或者进行长距离运输。比如，海底管线的铺设，或者在极寒地区的油气开采，都需要通过管线钢管传送。同时，为了降低运输成本，提高传输效率，石油开采企业希望采用大口径，高传输压力增加油气传送量。因此，根据压力与管径、厚度的关系，一般需要设计更大厚度规格管线钢以保证运送油气的安全性。另外，由于丰富的天然气储藏量在俄罗斯、加拿大等严寒地带，在低温时保证足够高的韧性对于管线钢的设计也显得尤为重要。

通过微合金化以及控制控冷技术，细化晶粒尺寸，可以成功获得厚度小于30mm厚的高强度高韧性管线钢。获得的韧脆转变温度可低于-100℃。但是，对于厚度大于30mm的管线钢，由于受到连铸坯原始厚度的限制，无法保证足够的压缩比，从而在轧制厚规格的管线钢板时，其韧性稳定性较差，难以获得满意的产品。另外，更大厚度的连铸坯则存在其它的困难。这是因为，较大厚度的连铸坯其中心偏析更加严重。一方面，中心夹杂物偏析控制难度大大增加，另一方面，由于中心偏析，成分分布不均匀性更加明显，组织均匀性控制更加困难，也会造成心部材料韧性变差。此外，由于最终管线钢板厚度的增加，管线钢板的中间厚度位置受的集中应力更大，对于相同材料，在落锤撕裂试验中，厚度规格较大的管线钢板，其断裂脆性面积更高，因而从钢管止裂性能而言，要满足API管线钢DWTT性能指标就变得更加困难。

目前，现有技术主要采用的还是通过材料的组织、工艺设计以获得更高韧性的管线钢板。

例如，公开号为CN 104789887 A，名称为“一种超厚规格抗HIC及抗SSCC X65管线钢板及其制造方法”的中国专利公开了一种采用厚度不小于350mm的连铸坯生产厚度35-41mm规格的管线钢板，其-15℃落锤剪切面积在85％以上，但-20℃落锤剪切面积已低于85％。

公开号为CN 103526129 A，名称为“一种厚规格抗酸性腐蚀X65管线钢板及其制造方法”的中国专利也公开了一种X65管线钢板，其特点是通过成分设计、炼钢、轧制工艺控制解决厚度方向组织不均匀问题，其显示的能满足85％的剪切面积要的测试温度也仅有-15℃。

公开号为CN 103834874 A，名称为“厚壁高DWTT性能X65-70海底管线钢及制造方法”的中国专利公开的是厚度为28.6mm-32mm的X65-70海底管线钢，其采用了低碳低合金成分设计的原理，通过轧后快速冷却获得所需性能。其公开的能满足的也仅仅是在-15℃的DWTT性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种X65级厚规格管线钢复合板，通过同质钢坯复合轧制得到的复合板较之普通的管线管钢板，可以获得更优的剪切面积百分比，从而可以改善低温时脆性开裂的现象，进而保证X65级厚规格管线钢低温使用过程中具有更高的安全性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种X65级厚规格管线钢复合板，其由两层或两层以上的同质钢坯复合轧制而成；所述X65级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：

C：0.01～0.10％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.7％、Al：0.02～0.04％,余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步优选地，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：C：0.03～0.10％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.7％、Al：0.02～0.035％。

在本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板中，不可避免的杂质主要是S和P元素，其中可以控制P≤0.02％，S≤0.03％。

本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板中的各化学元素的设计原理为：

C：是奥氏体稳定化元素。在钢中起固溶强化的作用，可明显提高钢的强度。但是C含量太高，对焊接性能和韧性不利，也更容易增加珠光体组织以及马奥岛等硬相组织，对钢的耐腐蚀性能有不利影响。因此考虑到钢板的强韧性匹配以及对碳钢材料性能的要求，本发明C质量百分比控制为0.01～0.10％。

Si：是脱氧元素；另外Si溶于铁素体，起到固溶强化的作用，仅次于碳、氮、磷而超过其它合金元素，因此显著提高钢的强度和硬度。因此，本发明Si质量百分比控制为0.10～0.40％。

Mn：可以推迟珠光体转变，降低临界冷却速度，大大提高钢的淬透性，同时对钢具有固溶强化作用。是钢中的主要固溶强化元素。但锰含量太高容易出现偏析带以及马氏体组织，对钢的韧性有不利影响。偏析带的出现对钢的耐腐蚀性能也会有所降低。本发明Mn质量百分比控制为0.5～1.7％。

Al：Al是脱氧元素，并且可以与钢中的氮形成AlN，起到阻碍奥氏体晶粒长大的作用，在本技术方案中其被控制在0.02～0.04％之间。

对于本技术方案来说，X65级厚规格管线钢复合板是由两层或两层以上同质钢坯复合轧制而成，复合板界面之间形成良好的冶金结合，形成一块X65级厚规格管线钢复合板。一般来说，X65级厚规格管线钢板壁厚的增加大大增加了落锤试验断口出现脆性区域或分离的可能性。为了克服这种技术难题，本技术方案通过采用两层或两层以上的同质钢坯复合轧制得到复合板的途径，可以保证在相同条件下X65级厚规格管线钢复合板具有更加优异的塑性断裂性能，其能够实现在更低温度区间获得落锤试样的剪切面积百分比在85％以上。例如，对于厚度为32mm的钢板来说，常规的单坯非复合钢板，落锤撕裂试验的减薄试样在-37℃(相当于-20℃全壁厚测试)的温度下测试，其剪切面积百分比已无法达到不低于85％的要求；而采用本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板，厚度同样为32mm，其减薄试样在-77℃(相当于-60℃全壁厚测试)的温度下测试，其剪切面积百分比仍能满足不低于85％的要求。这是因为，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板在受到强烈载荷冲击时，X65级厚规格管线钢复合板纵向受力与板厚方向z向受力会发生改变，同质钢坯轧制成的X65级厚规格管线钢复合板的界面释放部分应力，从而避免了X65级厚规格管线钢复合板使用过程中低温受较强载荷直接形成脆性断口，造成X65级厚规格管线钢复合板的突然爆裂。换句话说，在结合界面受到z向应力后，X65级厚规格管线钢复合板的受力会有所改变，在冲击过程中，受力更接近于薄规格管线钢，因此在相同环境下，更易阻止脆性断裂的发生。

更进一步详细的来说，当钢在低温受较大载荷时，如落锤试验等冲击时，由于三向受力的关联性，常规的单坯非复合钢板随着板厚的增加，在其受到冲击时，更易发生脆性断裂，从而造成脆性失效，这对单坯常规轧制的钢板的安全使用带来了不利影响。

本发明通过钢坯间结合面两侧的原子在加热轧制过程中原子扩散、晶粒长大的方式形成了完美的冶金结合。当相同厚度的的常规单坯非复合钢板和本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板在相同的低温承受相同大的载荷时，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板中的冶金结合的同质钢坯，由于结合面处存在的空位等缺陷在一定程度上是高于同质钢坯的内部组织的，因此在受到大塑性变形时，材料的空位等缺陷优先扩散到原结合晶粒处的缺陷位置，并逐渐增大。一般来说，在低温时，当材料内部的临界屈服强度急剧升高超过临界脆断的应力时，会优先发生脆性断裂，而在结合位置的晶粒内，低温变形时，由于大量空位缺陷的存在，位错并不能在晶粒该位置聚集，因此临界屈服强度不会增加，仍然低于临界脆断的应力，因此，可以在晶粒内优先形成小孔，此时同质钢坯结合的晶粒优先分离，结合面可以起到将X65级厚规格管线钢复合板分隔为两个或者两个以上小厚度钢板的作用。照此方式，分离裂纹的尖端处优先形成空洞，而非直接形成裂纹。此时，对于本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板来说，即使其在较低的温度受到冲击，由于厚度增加而造成的心部位置内应力增加而导致的脆性断口的可能性也会大大降低。

进一步地，所述的X65级厚规格管线钢复合板，还含有0＜Ni≤0.50％、0＜Cr≤0.50％、0＜Mo≤0.40％、0＜Cu≤0.40％、0＜Ti≤0.10％、0＜Nb≤0.10％、0＜V≤0.10％的至少其中之一。

其中Ni可以进一步优选为0.05-0.30％，Cr可以进一步优选为0.01-0.25％，Nb可以进一步优选为0.01-0.06％，Ti可以进一步优选为0.008-0.018％。

为了进一步提高本案的实施效果，还可以加入Ni、Cr、Mo、Cu、Ti、Nb以及V化学元素中至少其中之一，其中各化学元素的设计原理为：

Ni：在钢中溶于铁素体和奥氏体，不形成碳化物，奥氏体稳定化作用非常强。Ni元素可以提高钢的低温韧性，一般质量百分比控制为0.5％以内。

Cr:是缩小奥氏体相区元素，也是中强碳化物元素，也可溶于铁素体。Cr提高奥氏体的稳定性，使得C曲线右移，因此可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。Cr也降低奥氏体转变温度，使得形成的(Fe,Cr)3C、(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C7等多种碳化物在较低温度析出，使得组织和碳化物细化，可明显提高钢的强度和硬度。但对钢的韧性有不利影响，本发明Cr质量百分比控制在0.50％以内。

Mo:在钢中存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用，起到显著提高钢的硬度和强度的作用。另外，Mo的添加有利于针状铁素体与贝氏体组织的控制，本发明Mo质量百分比控制为0.40％以内。

Cu：在钢中主要以固溶态和单质相沉淀析出状态存在，固溶的Cu起到固溶强化作用；由于Cu在铁素体中的固溶度随温度降低迅速减小，因而在较低温度下，以过饱和固溶的Cu以单质形势沉淀析出，起到析出强化作用。同时钢中加入0.4％以内的Cu，可显著提高钢的抗大气腐蚀能力。因此，本发明Cu质量百分比控制在0.40％以内。

Ti:与钢中C、N形成碳化钛、氮化钛或碳氮化钛，在钢坯加热轧制阶段，起到细化奥氏体晶粒的作用，从而提高钢的强度和韧性。但过多的Ti会形成较多粗大的氮化钛，对钢的强度和韧性有害。本发明Ti质量百分比控制为0.10％以下。

Nb：是钢控轧控冷的重要元素。处于固溶态的铌原子可以强烈抑制奥氏体再结晶，提高再结晶温度。增加非再结晶温度区间范围，有利于非再结晶区轧制，细化晶粒。铌与钢中的C、N可形成碳氮化物，在加热阶段可以起到细化奥氏体晶粒的作用，在轧制冷却过程形成的铌的析出物有利于钢的强度的提高。本发明铌质量百分比控制为0.10％以下。

V：与钢中的C、N形成碳化钒、氮化钒。V的析出温度较低，一般利用其析出强化性能，所以本发明钒的质量百分比控制为0.10％以下。

进一步地，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板，其厚度为30mm-50mm。

进一步地，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板，其微观组织为多边形铁素体和少量珠光体，其中珠光体的相比例不大于10％。

更进一步地，具有上述微观结构的X65级厚规格管线钢复合板的屈服强度大于450MPa，延伸率大于50％，屈强比低于0.86，至少在-30℃下的落锤撕裂试验(DWTT)的平均剪切面积百分比不小于85％。

进一步地，本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板，其微观组织为针状铁素体+少量贝氏体，其中贝氏体的相比例不大于10％。

更进一步地，具有上述微观结构的X65级厚规格管线钢复合板的屈服强度大于470MPa，延伸率大于40％，屈强比低于0.90，至少在-30℃下的落锤撕裂试验(DWTT)的平均剪切面积百分比不小于85％。

本发明的另一目的还在于提供一种可用于制造上述X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，该方法生产出性能优良的X65级厚规格管线钢复合板。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了一种上述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，包括步骤：

(1)冶炼并浇铸成铸坯；

(2)对铸坯进行轧制开坯；

(3)对钢坯表面进行预处理；

(4)将两层或两层以上的上述钢坯进行组坯，对各层的结合面的四周进行焊接封闭，然后抽真空；

(5)加热；

(6)轧制；

(7)冷却，终冷温度为600℃至室温。

在本发明所述的制造方法的步骤(2)中，可以根据X65级厚规格管线钢复合板厚度的需要对铸坯进行轧制开坯。轧制开坯厚度根据同质钢坯进行选择，可以对两块或两块以上的同质钢坯均进行轧制开坯，或只对其中一块钢坯进行轧制开坯。

在本发明所述的制造方法的步骤(3)中，对钢坯表面进行预处理包括去除

进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(6)中，采用两阶段控制轧制方法轧制，其中第一阶段为再结晶区轧制，其开轧温度为1080-1150℃，其终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，其开轧温度为900-950℃，终轧温度为730-830℃。

进一步地，在本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法的步骤(7)中，采用空冷进行自然冷却，获得的X65级厚规格管线钢复合板的微观组织为多边形铁素体和少量珠光体，其中珠光体的相比例不大于10％。

进一步地，在本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法的所述步骤(7)中，采用水冷进行冷却，获得的X65级厚规格管线钢复合板的微观组织为针状铁素体+少量贝氏体，其中贝氏体的相比例不大于10％。

上述水冷的冷却速度可以是5-60℃/s。

通过本技术方案生产的钢板，其屈服强度大于450MPa，抗拉强度高于520MPa，-30℃时，V型缺口冲击功高于200J，冲击试样的剪切面积比为100％。通过本技术方案，可以使减薄落锤试样在-77℃下测试，仍然具有大于85％的剪切面积百分比。

附图说明

图1为实施例A1的X65级厚规格管线钢复合板的金相组织。

图2为实施例A1的X65级厚规格管线钢复合板的结合面附近的金相组织。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的X65级厚规格管线钢复合板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例A1-A6

表1列出了实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板以及B1-B2的常规单坯非复合钢板的化学元素的质量百分比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以外其他不可避免的杂质)

	C	Si	Mn	P	S	Al	Ni	Cr	Mo	Cu	Ti	Nb	V
														A1	0.055	0.24	1.70	0.010	0.002	0.035	0.15	0.19	0.005	0	0.008	0.052	0.001
A2	0.055	0.24	1.70	0.010	0.002	0.035	0.15	0.19	0.005	0	0.008	0.052	0
														A3	0.03	0.25	1.70	0.008	0.002	0.030	0.25	0.20	0.12	0	0.01	0.06	0.05
A4	0.06	0.20	0.92	0.010	0.002	0.030	0.15	0.15	0.10	0.11	0.01	0.05	0.001
														A5	0.07	0.25	1.40	0.011	0.002	0.035	0.10	0.05	0	0	0.009	0.04	0.001
A6	0.09	0.24	1.2	0.013	0.002	0.025	0.25	0	0	0	0.008	0	0
														B1	0.053	0.24	1.70	0.010	0.002	0.035	0.15	0.19	0	0	0.008	0.052	0.001
B2	0.09	0.24	1.45	0.013	0.002	0.025	0.25	0.01	0	0	0.008	0.03	0.001

实施例A1-A6中的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法采用以下步骤制得(各实施例中的具体工艺参数参见表2)：

(1)按照表1的化学元素质量百分比冶炼并浇铸成铸坯；

(2)对铸坯进行轧制开坯；

(3)对钢坯表面进行预处理；

(4)将两层上述钢坯进行组坯，组坯厚度为300-600mm，对各层的结合面的四周进行焊接封闭，然后抽真空；

(5)加热，加热温度为1100-1250℃；

(6)采用两阶段控制轧制方法轧制：第一阶段为再结晶区轧制，采用两阶段控制轧制方法轧制，其中第一阶段为再结晶区轧制，其开轧温度为1080-1150℃，其终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，其开轧温度为900-950℃，终轧温度为730-830℃。

(7)空冷或水冷，终冷温度为600℃至室温。

表2列出了实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法的具体工艺参数。

表2.

表3列出了实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板以及对比例B1-B2的常规单坯非复合钢板的拉伸性能数据。

表3.

由表3可以看出，A1-A6以及B1-B2的拉伸性能接近，A1-A6的延伸率略高于B1-B2。

表4列出了实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板以及对比例B1-B2的常规单坯非复合钢板的夏比V型缺口低温(-30℃)冲击韧性数据。

表4.

序号	冲击功均值(J)
		A1	316
A2	316
		A3	368
A4	352
		A5	304
A6	229
		B1	379
B2	365

由表4可以看出，A1-A6以及B1-B2都具有良好的低温冲击韧性，其冲击吸收功均在200J以上。

表5列出了实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板以及对比例B1-B2的常规单坯非复合钢板的落锤撕裂试验的剪切面积百分比数据(试验温度-37℃)。落锤撕裂试验以下简称DWTT试验。

表5.

由表5可以看出，对比例B1-B2的常规单坯非复合钢板的剪切面积百分比波动非常明显，并且其平均数值不能满足指标要求，即剪切面积百分比平均值小于85％。而相同的规格的实施例A1-A6的X65级厚规格管线钢复合板，在相同测试温度下剪切面积百分比均高于85％，且分布稳定。

表6列出了实施例A1在不同低温下的落锤试验剪切面积百分比数据(未计入中间分离裂纹)。

表6.实施例A1不同低温下的落锤试验剪切面积百分比数据

由表6可以看出，实施例A1的X65级厚规格管线钢复合板在-77℃时仍然具有良好且变化稳定剪切面积百分比，因此其具有优异的防止厚规格管线钢脆性开裂的能力。

图1显示了实施例A1的X65级厚规格管线钢复合板的金相组织。从图1可以看出，该X65级厚规格管线钢复合板的金相组织为针状铁素体组织+约8％的贝氏体组织。

图2显示了实施例A1的X65级厚规格管线钢复合板的结合面附近的金相组织。从图2可以看出，经大塑性变形后，结合面界面两侧的晶粒已完全成长为同一晶粒。结合面可以起到将X65级厚规格管线钢复合板分隔为两个小厚度钢板的作用。从图2可以看出结合面界面的分离，分离裂纹的尖端处优先形成空洞，而非直接形成裂纹。此时，即使在较低的温度受到冲击时，由于厚度增加造成的心部位置内应力增加而导致脆性断口的可能性可以大为降低。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其由两层或两层以上的同质钢坯复合轧制而成；所述X65级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：

C：0.01～0.10％、Si：0.10～0.40％、Mn：0.5～1.7％、Al：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，还含有0＜Ni≤0.50％、0＜Cr≤0.50％、0＜Mo≤0.40％、0＜Cu≤0.40％、0＜Ti≤0.10％、0＜Nb≤0.10％、0＜V≤0.10％的至少其中之一。

3.如权利要求1或2所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其厚度为30mm-50mm。

4.如权利要求1或2所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其微观组织为多边形铁素体和少量珠光体，其中珠光体的相比例不大于10％。

5.如权利要求4所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其屈服强度大于450MPa，延伸率大于50％，屈强比低于0.86，至少为-30℃下的落锤撕裂试验的平均剪切面积百分比不小于85％。

6.如权利要求1或2所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其微观组织为针状铁素体+少量贝氏体，其中贝氏体的相比例不大于10％。

7.如权利要求6所述的X65级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其屈服强度大于470MPa，延伸率大于40％，屈强比低于0.90，至少为-30℃下的落锤撕裂试验的平均剪切面积百分比不小于85％。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼并浇铸成铸坯；

(2)对铸坯进行轧制开坯；

(3)对钢坯表面进行预处理；

(4)将两层或两层以上的上述钢坯进行组坯，对各层的结合面的四周进行焊接封闭，然后抽真空；

(5)加热；

(6)轧制；

(7)冷却，终冷温度为600℃至室温。

9.如权利要求8所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，组坯厚度为300-600mm。

10.如权利要求8所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，加热温度为1100-1250℃。

11.如权利要求8所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中采用两阶段控制轧制方法轧制，其中第一阶段为再结晶区轧制，采用两阶段控制轧制方法轧制，其中第一阶段为再结晶区轧制，其开轧温度为1080-1150℃，其终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，其开轧温度为900-950℃，终轧温度为730-830℃。

12.如权利要求8所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，采用空冷进行冷却，获得的X65级厚规格管线钢复合板的微观组织为多边形铁素体和少量珠光体，其中珠光体的相比例不大于10％。

13.如权利要求8所述的X65级厚规格管线钢复合板的制造方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，采用水冷进行冷却，获得的X65级厚规格管线钢复合板的微观组织为针状铁素体+少量贝氏体，其中贝氏体的相比例不大于10％。