CN107779744A - 一种贝氏体型x100级无缝管线管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贝氏体型X100级无缝管线管，其微观组织以贝氏体为主，所述贝氏体型X100级无缝管线管的化学元素质量百分比为：C：0.03～0.09％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.5％～2.5％，Mo：0.4～1％，Al：0.01～0.1％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了一种上述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法。本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管其微观组织以贝氏体为主，强度级别达到X100级，并且焊接裂纹敏感性较低。

Description

一种贝氏体型X100级无缝管线管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种管线管及其制造方法，尤其涉及一种高强度无缝管线管及其制造方法。

背景技术

管道作为油气运输最为经济快捷的方式，近年来油气管道铺设长度大幅增长，对管线管需求量也随之水涨船高。众所周知，管道压力及尺寸直接影响管道输送效率，而随着输送管道压力的不断提高，对管线管强度要求也在不断提高。

然而，对于无缝管线管产品而言，由于其工艺流程中缺乏焊接管线管所常用的热机械控制工艺(即TMCP工艺)，因此，无缝管线管的强度提升只能依靠添加合金元素和后续热处理实现。然而，由于后续热处理所能实现的极限强度同样受合金元素含量的限制，因此，现有技术中无缝管线管的性能无法很好地得到提高。

例如，公开号为CN 102732798 A，公开日为2012年10月17日，名称为“含硼高强高韧性厚壁无缝管线管钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种含硼高强高韧性厚壁无缝管线管钢，该专利为了提高强度添加了B元素，而其强度级别也仅达到X70。

如上文所述的，在现有技术中，为了实现无缝管线管的高强度，需要添加较高含量的合金元素。然而采用这种方式还会显著提高钢的焊接裂纹敏感性，但对于焊接而言，为保证焊接质量，要求钢的焊接裂纹敏感性越低越好。例如，现有技术中存在一种X100高强钢，但是其微观组织是马氏体，而且Pcm(焊接裂纹敏感性指数)很高。然而根据常用标准API5L的规定，焊接裂纹敏感性指数Pcm应当≤0.24(Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)。此外，由于焊接过程的影响，采用常规调质钢的无缝管线管会出现焊接热影响区性能下降的情况，也就是俗称的焊接软化。上述这些情况对于无缝管线管来说都是不利的。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种贝氏体型X100级无缝管线管，其微观组织以贝氏体为主，强度级别达到X100级，并且焊接裂纹敏感性较低。

为了实现上述目的，本发明提出了一种贝氏体型X100级无缝管线管，其微观组织以贝氏体为主，所述贝氏体型X100级无缝管线管的化学元素质量百分比为：C：0.03～0.09％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.5％～2.5％，Mo：0.4～1％，Al：0.01～0.1％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

相较于现有技术，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的微观组织以贝氏体为主，这样一方面保证了管线管具有X100的强度级别，另一方面其焊接后的性能变化也较马氏体钢要小。

本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中的各化学元素的设计原理如下所述：

碳：碳有利于提高钢的强度，但碳也会强烈提高钢的焊接裂纹敏感性，同时会提高马氏体转变开始温度(即Ms点)，增加钢形成马氏体的倾向，为了保证钢的强度及可焊性，并使本发明技术中微观组织以贝氏体为主，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中碳的质量百分比应控制在0.03～0.09％。

硅：硅是钢中由脱氧剂而带入的元素，当硅的质量百分比超过0.5％时，会显著增加钢的冷脆倾向，此外，为了保证脱氧效果，需要保持硅的质量百分比不小于0.1％。鉴于此，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，硅的质量百分比应控制在0.1～0.5％。

锰：锰具有扩大奥氏体相区，增加淬透性，细化晶粒等有益效果。在本发明的技术方案中由于将碳的质量百分比限制在0.03～0.09％，因而，需要加入质量百分比不小于1.5％的锰来提高固溶强化效果。然而，当锰的质量百分比超过2.5％时，会对钢的热加工性能产生明显的影响，因此，根据本发明研究，所述的贝氏体型X100级无缝管线管中锰的质量百分比应控制在1.5～2.5％。

钼：钼可以强烈推迟过冷奥氏体向珠光体转变，对于形成以贝氏体为主的微观组织非常有利，同时钼有较好的固溶强化效果，有利于提升钢的性能。因此，根据考虑到微观组织及钢性能的控制要求，本案中需要添加质量百分比在0.4％以上的钼，此外，出于成本及焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.24的考虑，本技术方案中钼的质量百分比在1％以下，因此，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管钼的质量百分比限制在0.4～1％。

铝：铝是钢脱氧所必须的元素，因此无法完全避免带入，但当铝的质量百分比超过0.1％时，对钢的浇铸过程等有不利影响。鉴于此，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的铝的质量百分比控制在0.01～0.1％，优选地，为了获得更优的实施效果，铝的质量百分比进一步控制在0.01～0.05％。

需要说明的是，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，不可避免的杂质主要是P元素、S元素、N元素和O元素。

其中，P是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、韧性等都有不利影响，因此，本发明的技术方案中将P的质量百分比控制在P≤0.02％。优选地，为了获得更好的实施效果，P的质量百分比进一步控制在P≤0.012％。

此外，S是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、热加工性、韧性等都有不利影响。因此，本发明的技术方案中将S的质量百分比控制在S≤0.004％，优选地，S的质量百分比进一步控制在S≤0.003％，更为优选地，S的质量百分比更进一步控制在S≤0.002％。

在钢中添加N也会增加钢的时效脆性倾向，这对无缝管线管的使用过程中有不利影响，因此，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管需要将N的质量百分比限制在N≤0.008％。

同时，O是降低钢的耐蚀性和韧性的元素，因此，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管将其质量百分比严格控制在O≤0.01％，优选地，O质量百分比进一步控制在O≤0.005％。

进一步地，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，其还具有0＜Cu≤0.3％和0＜Ni≤0.3％的至少其中之一。

为了获得更好的实施效果，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管可额外添加铜和镍元素，上述元素的设计原理如下：

铜：铜能改善钢的抗大气腐蚀及微生物腐蚀性能，但铜加入的质量百分比超过0.3％时，热加工时易产生裂纹，因此本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管将铜的质量百分比控制在0＜Cu≤0.3％。

镍：镍能显著增加过冷奥氏体的稳定性，从而加大形成马氏体组织的倾向，出于对本案中微观组织控制的考虑，因此，将镍的质量百分比应控制在0＜Ni≤0.3％。

进一步地，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，其焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.24。由于钢中合金元素增加会提升钢的焊接裂纹敏感性，为了进一步限定本技术方案中焊接裂纹敏感性，因此，将本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的焊接冷裂纹敏感指数Pcm限定在Pcm≤0.24，其中Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。所述公式中C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V以及B分别表示相应元素的质量百分比，在代入公式时，代入的数值是其百分号前的数值，例如实施例中C质量百分比为0.03％，则C的代入的数值为0.03。

进一步地，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，贝氏体的相比例≥90％。

进一步地，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，其0℃全尺寸冲击功≥50J，其屈服强度≥690MPa。

进一步地，在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管中，固溶元素折算系数E≥0.48，E＝C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Mo/5，其中C、Mn、Cu、Ni和Mo分别表示相应元素的质量百分比。也就是说，所述公式中C、Mn、Cu、Ni和Mo代入的数值是百分号前的数值，例如实施例中C质量百分比为0.03％，则C的代入的数值为0.03。

更进一步地详细来说，在本发明的技术方案中，钢的强化主要依靠相变后的位错强化以及碳化物的析出强化，因此，固溶元素的固溶强化作用是基础，同时，固溶元素的添加也可以直接影响了钢的相变和微观组织。因而，为了获得更好的实施效果，在本发明的技术方案中，需要将具有固溶强化作用的合金元素保持在一定范围内，经过本案发明人的长期研究发现，将固溶元素折算系数控制在E≥0.48，可以实现较好的实施效果。

相应地，本发明的另一目的还在于提供一种制造上述贝氏体X100级无缝管线管的制造方法，该方法可以克服高强度无缝管线管制造过程中的技术难度，从而生产出微观组织以贝氏体为主，高强度且焊接裂纹敏感性较低的贝氏体型X100级无缝管线管。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了一种上述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法，包括步骤：

(1)冶炼并浇铸成铸坯；

(2)锻造或轧制得到管坯；

(3)将管坯加热并保温，经穿孔、连轧、张力减径或定径得到荒管；

(4)淬火：将荒管加热到920～1000℃，保温0.3～1h，然后以15～80℃/s的冷却速度快速冷却到180℃以下；

(5)回火：回火温度500℃～700℃。

在本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法中，通过合理的化学组分设计以及工艺流程控制，生产出微观组织以贝氏体为主，高强度且焊接裂纹敏感性较低的贝氏体型X100级无缝管线管。

进一步详细地来说，也就是本发明所述的制造方法采用上述贝氏体型X100级无缝管线管的化学成分配比，即较低质量百分比的C以及较高质量百分比的Mn辅以适量的合金元素，采用这样的成分配比一方面增加奥氏体稳定性，推迟珠光体转变，从而增加了钢的淬透性，另一方面又可以降低钢的Ms点，减少过冷奥氏体向马氏体转变的倾向。此外，本发明所述的制造方法控制淬火工艺，尤其是对淬火工艺中冷却速度的控制，使得本发明技术方案最终获得以贝氏体为主的回火组织，从而保证了本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的强度能够达到X100级。

此外，在所述步骤(4)中，将荒管加热到920～1000℃，是因为：本发明钢种Ac3通常在890℃以下，而荒管的加热温度应高于Ac3温度30℃以上，因此荒管加热温度应不低于920℃，此外加热温度超过1000℃时会导致晶粒长大，影响钢的强韧性。本技术方案中保温时间本领域技术人员可根据钢管壁厚在0.3～1h范围内进行选择。

另外，在所述步骤(5)中，回火温度控制在500-700℃，是为了；在保证钢的强度前提下，尽可能消除内应力，以获得足够的韧性。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(3)中，荒管的加热温度为1150～1300℃，保温时间为1～4h。

在本发明所述的制造方法中，荒管的加热温度根据不同热轧机组的条件进行调整，加热温度不低于1150℃是为了保证其具有足够的变形能力，而加热温度不超过1300℃则是为了防止过烧。因此，在本发明所述的制造方法的所述步骤(3)中控制荒管的加热温度为1150～1300℃，保温时间为1～4h。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(4)中，淬火采用油淬或水淬。

本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管具有以下优点：

(1)本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其屈服强度≥690MPa，0℃全尺寸冲击功≥50J，与此同时，其还具有较低的焊接裂纹敏感性，其焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.24。

(2)本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管微观组织以贝氏体为主，贝氏体相比例≥90％。

(3)本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管特别适用于流体输送、机械结构领域。

此外，本发明所述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法也同样具备上述优点，同时，由于所述制造方法可以相较于现有技术而言在较宽的冷却速度范围内获得贝氏体组织，因而特别适用于制造大壁厚的管料。

附图说明

图1为实施例A2的贝氏体型X100级无缝管线管的金相组织照片。

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贝氏体型X100级无缝管线管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和对比例B1-B4

上述实施例A1-A6的贝氏体型X100级无缝管线管以及对比例B1-B4的无缝管线管采用以下步骤制得：

(1)按照表1所列举的各化学成分配比冶炼并将铸锭锻造成φ300mm的圆管坯；

(2)锻造得到规格为219mm*14.5mm的管坯

(3)将管坯加热并保温，经穿孔、连轧、张力减径或定径得到荒管，其中，荒管的加热温度为1150～1300℃，保温时间为1～4h。

(4)淬火：将荒管加热到920～1000℃，保温0.3～1h，然后以15～80℃/s的冷却速度快速冷却到180℃以下，淬火采用油淬或水淬。

(5)回火：回火温度500℃～700℃。

表1列出了实施例A1-A6的贝氏体型X100级无缝管线管及对比例B1-B4的无缝管线管的化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、N、O以外的其他杂质)

注：E是指固溶元素折算系数，E＝C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Mo/5；Pcm是指焊接裂纹敏感性指数，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

表2列出了实施例A1-A6的贝氏体型X100级无缝管线管以及对比例B1-B4的无缝管线管的制造方法的具体工艺参数。

表2.

对上述实施例A1-A6的贝氏体型X100级无缝管线管及对比例B1-B4的无缝管线管取样后，进行包括力学性能在内的各项测试，将测得的相关数据列于表3中。其中，屈服强度是将各实施例和对比例的无缝管线管加工成API弧形试样，按API标准检验后取平均数所得数据；0℃全尺寸冲击功是在各实施例和对比例的无缝管线管上取截面积为10mm*10mm*55mm全尺寸V型冲击试样，按GB/T229标准检验后取平均数所得数据，贝氏体相比例采用金相法测得。

表3列出了实施例A1-A6的贝氏体型X100级无缝管线管及对比例B1-B4的无缝管线管的各项性能测试所得数据。

表3.

从表3可以看出，实施例A1-A6具有贝氏体的相比例≥90％，其0℃全尺寸冲击功均≥50J，其屈服强度均≥690MPa。其中，对比例B1的强度无法达到690MPa以上是由于其固溶元素折算系数E低于0.48，导致其无法获得足够的强度。此外，B2-B4中的淬火工艺条件不满足本案技术方案所限定的范围导致B2-B4无法达到本案各实施例的实施效果，具体来说，B2的淬火加热温度低于920℃，B3的淬火时冷却速度不满足15～80℃/s的范围以及B4的最终温度未达到180℃以下，因而使对比例B2-B4相变不完全，贝氏体比例未能超过90％，其屈服强度也均未满足≥690MPa。

另外，图1显示了实施例A2的贝氏体型X100级无缝管线管的金相组织照片。图1的金相组织是从样管上取全壁厚试样打磨抛光后，使用4％硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察得到，从图1可看出，实施例A2的微观组织以贝氏体为主，具有少量先共析铁素体。

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 (9)

1.一种贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，其微观组织以贝氏体为主，所述贝氏体型X100级无缝管线管的化学元素质量百分比为：

C：0.03～0.09％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.5％～2.5％，Mo：0.4～1％，Al：0.01～0.1％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，其还具有0＜Cu≤0.3％和0＜Ni≤0.3％的至少其中之一。

3.如权利要求1所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，其焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.24。

4.如权利要求1所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，贝氏体的相比例≥90％。

5.如权利要求1所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，其0℃全尺寸冲击功≥50J，其屈服强度≥690MPa。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的贝氏体型X100级无缝管线管，其特征在于，固溶元素折算系数E≥0.48，E＝C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Mo/5，其中C、Mn、Cu、Ni和Mo分别表示相应元素的质量百分比。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼并浇铸成铸坯；

(2)锻造或轧制得到管坯；

(3)将管坯加热并保温，经穿孔、连轧、张力减径或定径得到荒管；

(4)淬火：将荒管加热到920～1000℃，保温0.3～1h，然后以15～80℃/s的冷却速度快速冷却到180℃以下；

(5)回火：回火温度500℃～700℃。

8.如权利要求7所述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，荒管的加热温度为1150～1300℃，保温时间为1～4h。

9.如权利要求7所述的贝氏体型X100级无缝管线管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，淬火采用油淬或水淬。