CN107988558B

CN107988558B - 一种厚壁调质深海管线用平板及其生产方法

Info

Publication number: CN107988558B
Application number: CN201610960456.1A
Authority: CN
Inventors: 张帅; 任毅; 刘文月; 王爽; 高红
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN107988558A

Abstract

本发明提供一种厚壁调质深海管线用平板及其生产方法，该平板成分按重量百分比计如下：C：0.056％～0.080％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.35％～1.54％、Nb：0.03％～0.05％、Ti：0.011％～0.029％、Cr：0.21％～0.40％、Als：0.015％～0.040％、N：0.0020％～0.0049％、P≤0.010％、S≤0.002％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.00，还含有Ni、Mo元素中的一种或两种，其中Ni：0～0.10％、Mo：0～0.15％、(Mo+Ni+Cr)：0.26％～0.45％，余量为铁和不可避免杂质。生产方法：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却、调质；采用本发明生产平板适用于作为X65、X70级别厚壁深海油气输送管道的原料。

Description

一种厚壁调质深海管线用平板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳低合金钢领域，尤其涉及一种深海油气输送用厚度≥35mm的X65、X70级高塑性、高韧性、低屈强比、耐腐蚀的调质海底管线平板及其生产方法。

背景技术

海洋是未来油气资源开采的主要增长点，海洋油气占全球油气总储量的70％；近年来，全球发现的大型油气田中也以海洋油气占大多数。同时，海洋油气资源中有相当一部分分布在深海区域；以我国南海为例，其油气储量达到230亿-300亿吨，超过70％蕴藏于深海区域。

由于海洋油气管道工作条件恶劣，需要承受很大的内压、外压、浪涌和暗流冲击，必须具有较高的强度、刚度、疲劳和优异的变形能力，而随着材料强度的提高，实现强、塑、韧性良好匹配的难度急剧上升。同时，随着水深的增加，海洋管道的抗压溃性能变得越发重要，其壁厚增加，管径减小。另外，深水区温度较低，要求管道具有良好的低温止裂韧性，而如何改善厚规格管线钢的低温止裂韧性一直是世界管线钢开发的技术难题。此外，海洋管道使用环境恶劣，铺设成本极高，一旦出现油气泄漏，带来的环境污染和经济损失难以估量，因此，对产品质量的稳定性有极为苛刻的要求。

深海海底管线钢对壁厚、横纵向强度、屈强比、均匀延伸率、低温冲击、落锤撕裂性能均有非常严格的要求；例如，一般要求厚度>30mm，性能上在保证横纵向强度达到相应级别要求的同时，还要求低温DWTT SA≥85％，-30℃横向冲击≥240J，纵向冲击≥260J，横、纵向屈强比≤0.82，横纵向均匀延伸率≥8％，抗HIC腐蚀性能满足经96小时NACE A溶液腐蚀CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％，抗SSCC腐蚀性能满足72％应力加载条件下经720小时饱和H₂S溶液浸泡不发生断裂并且10倍放大观察下无可视裂纹。

目前，国内外对油气输送用深海管线钢及海底管线钢有一些研究，经检索发现了部分有关的专利和文献。但其所记载的内容与本发明的技术方案及所述产品性能等方面存在明显差异。

《一种用于制作海底管线的钢板及其轧制方法》(CN101082108A)公开了一种X65级别管线钢板，钢板厚度6-14mm，屈强比较高；其采用热连轧生产，成分中以C、Mn、Nb为基础采用Ni、Mo强化；该发明所述海底管线钢厚度小，贵重合金含量高，同时，性能也无法满足深海管线钢要求。

《一种大壁厚海底管线钢板及其生产方法》(CN102676925A)公开了一种X65级别海底管线钢板，钢板厚度25-30.2mm，采用控轧控冷工艺生产，成分中同样以C、Mn、Nb为基础采用Ni、Mo强化；同样存在钢板厚度偏小，贵重合金多等不足。

《用于超深海的高强度高韧性海底管线钢及其制造方法》(CN104357766A)公开了一种X70级别深海海底管线钢板，采用控轧控冷工艺生产，成分中采用Ni(0.31％～0.50％)、V(0.015％～0.04％)、Cu(0.10％～0.30％)的设计方案，其合金添加量多，经济性不足。

《一种高变形性能的管线钢板及其制造方法》(JP2006291349A)公开了一种高级别管线钢，成分上采用Mn(1.8％～2.5％)、V(0.01％～0.10％)及Ni、Mo、Cu等元素强化，生产工艺上采用TMCP+控冷+等温处理工艺，该发明产品厚度小，合金添加多，工艺实现难度大。

《一种X70级高延伸率管线钢板》(KR20140084891A)公开了一种X70级管线钢板，合金成分主要采用C、Mn、V、Ni强化，该发明也存在合金添加量多的问题。

文献《南海荔湾X70和X65大壁厚海洋管线的开发与应用研究》(《焊管》，2013年第36卷9期)，文中主要介绍了厚度28.6-31.8mm，X65、X70海底管线钢，其产品的厚度较小，屈强比高且成分设计和生产工艺未明确。

文献《南海深水天然气输送海底管线钢管的国产化》(《焊管》，2015年第38卷3期)，主要介绍海底管道钢管的发展情况，未涉及技术方案。

综上所述，现有技术对厚壁调质深海管线用平板的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种解决深海厚壁管线钢落锤性能、组织均匀性、抗应变、抗腐蚀性能的控制问题的厚壁调质深海管线用平板及其生产方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明厚壁调质深海管线用平板的厚度≥35mm；成分设计以低C、低Mn为基础，利用Cr元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、Cu、V等元素，配以相应的冶炼、轧制、冷却、调质等生产工艺获得深海管线钢所需的性能。

一种厚壁调质深海管线用平板，该平板的成分按重量百分比计如下：C：0.056％～0.080％、Si：0.20％～0.35％、Mn：1.35％～1.54％、Nb：0.03％～0.05％、Ti：0.011％～0.029％、Cr：0.21％～0.40％、Als：0.015％～0.040％、N：0.0020％～0.0049％、P≤0.010％、S≤0.002％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.00，还含有Ni、Mo元素中的一种或两种，其中Ni：0～0.10％、Mo：0～0.15％、(Mo+Ni+Cr)：0.26％～0.45％，余量为铁和不可避免的杂质。

CE_IIW控制在0.360％～0.390％，CE_Pcm控制在0.155％～0.170％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明成分设计理由如下：

C是钢中最有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与合金元素作用形成碳化物，对保证调质后强度有利，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料韧性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.056％～0.080％较为适宜。

Si有固溶强化作用，提高淬透性，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，其适宜范围是0.20％～0.35％。

Mn具有固溶强化作用，可有效提高强度，对提高淬透性也有利，可以增加奥氏体稳定性；但是，锰含量过高不利于焊接，本发明认为将锰含量控制在1.35％～1.54％较为适宜。

Nb有明显的固溶和析出强化作用，细化晶粒，改善强韧性，同时，降低调质后脆性，但是，会使生产成本明显增加，本发明认为将铌含量控制在0.03％～0.05％较为适宜。

Ti可起到析出强化和固氮效果，易形成碳氮化物，且熔点高，能抑制高温条件下的晶粒长大，Ti/N≥3.42能够保证氮化钛析出，有效减少和控制游离氮元素量；本发明认为将钛含量控制在0.011％～0.029％较为适宜。

Cr能提高奥氏体稳定性和淬透性，有固溶强化作用，可以弥补Mo、Ni、Cu等元素减少带来的强度损失，同时，对提高厚规格钢板强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用，另外，Cr含量达到0.18％以上时可以改善钢的耐腐蚀性；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，Cr含量控制在0.21％～0.40％为宜。

Al有效的脱氧元素，铝含量过高会使钢中的夹杂物增加，焊接性能恶化，因此，酸溶铝的含量控制在0.015％～0.040％为宜。

Ni提高强度，有利于改善低温韧性和耐腐蚀性；Ni还可以延迟珠光体转变，促进中温转变组织形成，降低厚规格钢板冷速限制；但镍价格较高，因此，将其含量控制在0.10％以下为宜。

Mo能够明显提高淬透性，增加强度，但是，钼含量过高会增加成本，对焊接性也有不利影响，因此，应控制其含量在0.15％以下。

Mo、Ni、Cr均具有强化作用，增加奥氏体稳定性，有利于提高淬透性，其含量过低不利于性能和微观组织控制，含量过高影响焊接性和经济性，因此，本发明将(Mo+Ni+Cr)控制在0.26％～0.45％。

本发明的CE_IIW控制在0.360％～0.390％，CE_Pcm控制在0.155％～0.170％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

一种厚壁调质深海管线用平板的生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却、调质；

钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于15min，连铸坯浇注过热度12℃～30℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在6.1-8.6；连铸前的吹氩镇静和对浇注温度的控制能够促进夹杂物去除，改善钢水成分、温度均匀性，减少铸坯质量缺陷；从连铸坯到成品钢板的压缩比有利于晶粒细化。

连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度400℃-700℃，加热段1加热温度1000℃～1150℃，加热段2加热温度1170℃～1210℃，均热段加热温度1160℃～1190℃，预热段加热时间不低于50min，加热段1和2段加热时间0.5min/mm～0.9min/mm，均热段加热时间40min～70min，加热总时间1.0min/mm～1.3min/mm；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，分段加热过程可有效减少加热缺陷，提高加热效果和温度均匀性，采用该加热工艺可保证坯料温度均匀性，将奥氏体晶粒尺寸控制在理想范围内，同时，有效控制合金元素的固溶。

粗轧开轧温度1140℃～1170℃，粗轧终轧温度1090℃～1120℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于51％，粗轧阶段每道次变形量不小于13％，其中，纵轧最后2道次每道次变形量不小于20％且2道次间的间隔时间不超过20s；粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶，得到充分细化晶粒，同时又避免出现混晶造成性能损失，粗轧纵轧最后2道次采用大压下、短间隔能发挥变形叠加效果，有效细化晶粒；中间待温坯厚度2.8t～3.4t(t为成品钢板厚度)，精轧开轧温度820℃～850℃，精轧终轧温度770℃～810℃，精轧阶段促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置。

轧后钢板开始水冷冷却温度740℃～780℃，终冷温度510℃～590℃，上下冷却水量比3.0-3.6，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.3℃/s～0.9℃/s。调质时，控制淬火温度820℃～870℃，保温1.0min/mm～1.4min/mm，使钢板部分奥氏体化，淬火冷却速度20℃/s～35℃/s，冷却至室温，获得贝氏体、M/A硬相与铁素体软相复合组织；回火温度380℃～470℃，保温时间1.5min/mm～4.0min/mm，促进析出强化和M/A分解，降低残余应力，提高屈服强度。钢板最终微观组织以铁素体+贝氏体双相组织为主，其中，多边形铁素体体积百分比在40％～90％，使钢板具有适宜的横纵向强韧性、良好的塑性、低屈强比，同时，耐腐蚀性、焊接性和成型性满足制作厚壁深海油气输送管道的要求。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明以低C、低Mn为基础，充分利用Cr元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、Cu、V等元素，添加少量Nb、Ti等元素，严格控制有害元素含量，配以与之相应的独特的生产工艺，获得了综合性能优异的厚壁深海管线钢板。

(2)本发明碳当量CE_IIW和CE_Pcm适宜，保证材料具有良好的可焊性。

(3)本发明的精炼、连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，从而提高最终产品性能。

(4)本发明所述一种厚壁调质深海管线用平板的厚度≥35mm，横向和纵向屈服强度可达到450-530MPa，横向和纵向抗拉强度达到570-650MPa，，横纵向延伸率A50mm≥50％，均匀延伸率UEL≥11％，横纵向屈强比不超过0.82，-30℃横向冲击功≥330J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％，微观组织以铁素体+贝氏体双相组织为主，多边形铁素体体积百分比在40％～90％，抗HIC腐蚀性能满足经96小时NACEA溶液腐蚀CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％，抗SSCC腐蚀性能满足72％应力加载条件下经720小时饱和H₂S溶液浸泡不发生断裂并且10倍放大观察下无可视裂纹，适用于作为X65、X70级别厚壁深海油气输送管道的原料。

附图说明

图1为本发明实施例1的显微组织金相图。

图2为本发明实施例4的显微组织金相图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却、调质。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的连铸工艺见表2。本发明实施例钢的板坯加热工艺见表3。本发明实施例钢的主要轧制工艺见表4。本发明实施例钢的冷却工艺见表5。本发明实施例钢的调质工艺见表6。本发明实施例钢的机械性能和微观组织见表7。本发明实施例钢耐腐蚀性能见表8。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

表2本发明实施例钢的连铸工艺

表3本发明实施例钢的板坯加热工艺

表4本发明实施例钢的主要轧制工艺

表5本发明实施例钢的冷却工艺

表6本发明实施例钢的调质工艺

表7本发明实施例钢的机械性能和微观组织

注：拉伸试样为全厚度矩形试样，平行测试段板宽38.1mm；DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

表8本发明实施例钢耐腐蚀性能

Claims

1.一种厚壁调质深海管线用平板，其特征在于，该平板的成分按重量百分比计如下：C：0.056%～0.080%、Si：0.20%～0.35%、Mn：1.35%～1.54%、Nb：0.03%～0.05%、Ti：0.011%～0.029%、Cr：0.21%～0.40%、Als：0.015%～0.040%、N：0.0020%～0.0049%、P≤0.010%、S≤0.002%、H≤0.00015%、O≤0.0020%、Ti/N：3.42～6.00，还含有Ni、Mo元素中的一种或两种，其中Ni：0～0.10%、Mo：0～0.15%、（Mo+Ni+Cr）：0.26%～0.45%，余量为铁和不可避免的杂质；

所述的厚壁调质深海管线用平板的生产方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、铸坯再加热、轧制、冷却、调质，

（1）连铸：连铸坯浇注过热度12℃～30℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度控制在6.1-8.6；

（2）铸坯再加热：连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度400℃-700℃，加热段1加热温度1000℃～1150℃，加热段2加热温度1170℃～1210℃，均热段加热温度1160℃～1190℃，预热段加热时间不低于50min，加热段1和2段加热时间0.5 min/mm～0.9min/mm，均热段加热时间40min～70min，加热总时间1.0 min/mm～1.3min/mm；

（4）轧制：粗轧开轧温度1140℃～1170℃，粗轧终轧温度1090℃～1120℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于51%，粗轧阶段每道次变形量不小于13%，其中，纵轧最后2道次每道次变形量不小于20%且2道次间的间隔时间不超过20s；中间待温坯厚度2.8t～3.4t（t为成品钢板厚度），精轧开轧温度820℃～850℃，精轧终轧温度770℃～810℃；

（5）冷却：轧后钢板开始水冷冷却温度740℃～780℃，终冷温度510℃～590℃，上下冷却水量比3.0-3.6，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.3℃/s～0.9℃/s；

（6）调质：淬火温度820℃～870℃，保温1.0min/mm～1.4min/mm，淬火冷却速度20℃/s～35℃/s，冷却至室温；回火温度380℃～470℃，保温时间1.5min/mm～4.0min/mm。

2.根据权利要求1所述厚壁调质深海管线用平板，其特征在于，CE_IIW控制在0.360%～0.390% ，CE_Pcm控制在0.155%～0.170%，其中CE_IIW=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；

CE_Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。