CN107541658B - 一种x70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X70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X70级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：C：0.03～0.09％、Si：0.20～0.30％、Mn：1.0～1.7％、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X70级厚规格管线钢复合板的制造方法。本发明所述的X70级厚规格管线钢复合板与相同规格厚度的常规单坯非复合钢板相比，可以获得更优的剪切面积百分数，保证钢管低温使用过程中更高的安全性。

Description

一种X70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25mm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25mm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，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。实际生产中，韧脆转变温度也已降低到-100℃以下。从物理冶金或组织角度而言，通过提高钢铁的纯净度以及细化晶粒达到提高韧性的效果，受限于成本或技术原因，其提升能力已非常有限。为了能够获得厚规格管线钢板，需要从中心偏析或者钢管受到的集中应力入手考虑。

公开号为CN 104498833 A，名称为“一种低成本X70管线钢及轧制工艺”的中国专利公开了一种X70管线钢卷板的方法，其技术方案是通过以Cr代Mo的成分设计满足力学性能设计要求，此外该钢板的厚度为17.5mm。

公开号为CN104264069A，名称为“一种特厚规格X70管线钢及其制造方法”的中国专利公开了一种X70管线钢板，其厚度为30-32mm，采用的是单一大厚度连铸坯轧制的方法。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种X70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X70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X70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X70级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：

C：0.03～0.09％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.3～1.70％、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X70级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：C：0.03～0.09％、Si：0.20～0.30％、Mn：1.0～1.7％、Al：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明所述的X70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≤0.015％，S≤0.003％。

本发明所述的X70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0.03～0.09％。

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0.20～0.30％。

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1.0～1.7％。

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，X70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X70级厚规格管线钢复合板。一般来说，X70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X70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及以上的钢板来说，常规的单坯非复合钢板，落锤撕裂试验的-20℃测试，其剪切面积百分比要达到不低于85％的要求难度很大；而采用本发明所述的X70级厚规格管线钢复合板，厚度同样为32mm及以上，其落锤试样在-40℃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X70级厚规格管线钢复合板在受到强烈载荷冲击时，X70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X70级厚规格管线钢复合板的界面释放部分应力，从而避免了X70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X70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，X70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。

本发明通过钢坯间复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X70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X70级厚规格管线钢复合板中的冶金结合的同质钢坯，由于复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，复合面可以起到将X70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X70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X70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。

进一步优选地，Ni可以优选为0.01-0.30％，Cr可以优选为0.01-0.3％，Mo可以优选为0.001-0.2％,Cu可以优选为0.001-0.3％,Nb可以优选为0.01-0.06％，Ti可以优选为0.008-0.018％,V可以优选为0.001-0.07％。

为了进一步提高本案的实施效果，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，此外Ni元素还可以提高钢的低温韧性。

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Cr过高对钢的韧性有不利影响。

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。

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。同时向钢中加入适量的Cu，可显著提高钢的抗大气腐蚀能力。

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。

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。

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。

进一步地，本发明所述的X70级厚规格管线钢复合板，其厚度为25mm-45mm。

进一步地，本发明所述的X70级厚规格管线钢复合板，其微观组织为针状铁素体+贝氏体，其中贝氏体的相比例为5-20％。

更进一步地，具有上述微观结构的X70级厚规格管线钢复合板，其性能为屈服强度大于490MPa，抗拉强度大于570MPa，延伸率大于28％，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X70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X70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X70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，对各层的复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350-650℃。

在本发明所述的制造方法的步骤(2)中，可以根据X70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铸坯表面的氧化铁皮或夹渣。

进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(4)中，组坯厚度为300mm-600mm。此外，组坯时，将预处理过的表面作为复合面放置，复合面四周焊接封闭，然后抽真空。

进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(5)中，加热温度为1100-1250℃，以保证同质钢坯的合金元素均匀化。

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，以细化奥氏体晶粒为目的，控制其开轧温度为1070-1150℃，终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，控制其开轧温度为900-950℃，终轧温度为720-850℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(7)中，冷却采用水冷进行冷却，获得的X70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，冷却速度可以为10-60℃/s。

附图说明

图1为实施例A1的X70级厚规格管线钢复合板的金相组织。

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X70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X70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)

实施例A1-A6中的X70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，对各层的复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)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，以细化奥氏体晶粒为目的，其中第一阶段为再结晶区轧制，以细化奥氏体晶粒为目的，控制其开轧温度为1070-1150℃，终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，控制其开轧温度为900-950℃，终轧温度为720-850℃；

(7)水冷，终冷温度为350-650℃，冷却速度为10-60℃/s。

表2列出了实施例A1-A6的X70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X70级厚规格管线钢复合板以及对比例B1-B2的常规非复合钢板拉伸性能数据

表3.

序号	试验方向	屈服强度Rt0.5(MPa)	抗拉强度Rm,(MPa)	延伸率A50(％)	屈强比YR(％)
						A1	横向	550	620	51	89
A2	横向	549	634	40	87
						A3	横向	542	625	45	87
A4	横向	535	652	31	82
						A5	横向	529	595	45	89
A6	横向	533	608	42	88
						B1	横向	545	619	40	88
B2	横向	557	640	39	87

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X70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

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。

表5列出了实施例A1-A6的X70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。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与A2以及相似或更大规格的A3-A6的X70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。因此，通过复合坯设计的管线钢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X70级厚规格管线钢复合板的金相组织。从图1可以看出，该X70级厚规格管线钢复合板的金相组织为针状铁素体组织与约6％的贝氏体组织。

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 (7)

1.一种X70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X70级厚规格管线钢复合板的化学元素质量百分比为：

C：0.03～0.0.09％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.3～1.70％、Al：0.02～0.04％，以及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，余量为Fe和不可避免的杂质；

其中，X70级厚规格管线钢复合板的厚度为25mm-45mm，其微观组织为针状铁素体+贝氏体，其中贝氏体的相比例为5-20％；X70级厚规格管线钢复合板至少在-30℃下的落锤撕裂试验的平均剪切面积百分比不小于85％。

2.如权利要求1所述的X70级厚规格管线钢复合板，其特征在于，其屈服强度大于490MPa，抗拉强度大于570MPa，延伸率大于28％，屈强比低于0.90。

3.如权利要求1或2所述的X70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，对各层的复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350-650℃。

4.如权利要求3所述的X70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。

5.如权利要求3所述的X70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℃。

6.如权利要求3所述的X70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，以细化奥氏体晶粒为目的，控制其开轧温度为1070-1150℃，终轧温度为950-1050℃；第二阶段为非再结晶区轧制，控制其开轧温度为900-950℃，终轧温度为720-850℃。

7.如权利要求3所述的X70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X70级管线钢用厚规格复合板的微观组织为针状铁素体+贝氏体。