CN108796362B - 具有优异低温抗动态撕裂性能的x70管线钢及其制造方法 - Google Patents

具有优异低温抗动态撕裂性能的x70管线钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢及其制造方法,其成分重量百分比为:C 0.025~0.08%,Si 0.1~0.4%,Mn 1.1~1.6%,P≤0.02%,S≤0.003%,Cu≤0.2%,Ni 0.31~0.50%,Cr≤0.2%,Mo≤0.2%,Nb 0.04~0.08%,Ti 0.005~0.02%,Ca:0.001~0.005%,Al 0.02~0.05%,B≤0.0005%,N 0.001~0.006%,O≤0.005%,其余为Fe及夹杂;且,0.25%≤(C+Mn/6)≤0.33%,0.10%≤(Mo+Cr)≤0.40%。本发明针对寒冷地区天然气管线工程建设的需要,在‑60℃超低温下具有优异抗动态撕裂性能;管线钢的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,延伸率A50.8≥15%;‑60℃冲击性能:冲击功AKV≥250J;‑60℃DWTT性能:断口剪切面积率SA%≥85%。

Description

具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及管线钢,特别涉及一种具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢及其制造方法,在-60℃超低温环境下具有优异的冲击韧性和抗动态撕裂性能,可用于制造低温环境下服役的高频电阻焊(HFW)管线管,应用于寒冷地区的油气输送管道。
背景技术
管道运输是长距离输送石油天然气最经济、最高效的输送方式,工程常用的管线管有HFW焊管、螺旋缝埋弧焊管、直缝埋弧焊管。其中,HFW焊管以热轧带钢为制管原材料,带钢经排辊成型后,在高频电流的集肤效应和邻近效应下,边缘发生融化,随后在挤压辊的作用下压力焊接制成焊管,HFW焊管具有原料成本低、生产效率高的优势,在管线工程中得到了广泛应用,逐渐向厚壁、高强、低温高韧性发展。
随着能源需求的增加,油气开采地远离终端用户,输送管道途经恶劣环境,在极寒地区的管线服役温度低至-45℃,设计要求管线管具有优异的低温韧性。落锤撕裂试验(DWTT)作为检验管线钢低温抗动态撕裂性能的关键指标,是制造低温HFW管线管用热轧带钢的重要技术难点,行业标准API Spec 5L要求,在规定温度下进行DWTT试验时,试样的的断口剪切面积率均值应在85%及以上,因此,管线行业通常将85%FATT(FractureAppearance Transition Temperature)作为DWTT试验的韧脆转变温度,该转变温度应低于工程应用设计的最低服役温度。当管线钢壁厚增加时,满足低温DWTT性能的难度会显著增加,需从组织设计角度出发,通过成分和工艺的匹配,合理控制显微组织的相比例,获得均匀、细化的高韧性铁素体和针状铁素体组织。
中国专利号200880006850.5公开了“低温韧性优异的管线管用高强度热轧钢板及其制造方法”,该专利重点强调了显微组织的的特性,板厚中部与板面平行的{211}面与{111}面的X射线衍射强度比为1.1以上,Nb和/或Ti的碳氮化物析出物的密度为1017~1018个/cm3。在产品实现途径上采用15~50℃/s的冷却速度,在450~650℃进行卷取,钢板的低温韧性表现在DWTT试验的85%FATT为-20至-35℃。
国际专利WO2009145328公开了一种具有X80以上强度兼具低温韧性和延展性破坏停止性能的管线管用热轧钢板的制造方法,其显微组织中以平均粒径1~3nm且平均密度为3~30×1022个/m3的方式分散含有包含Nb的析出物,含有以百分比计为50%以上的粒状贝氏体铁素体和/或准多边形铁素体,还含有包含Ti氮化物的析出物,其平均当量圆直径为0.1~3μm,且含有以其个数计为50%以上的包含Ca、Ti和Al的复合氧化物。该专利产品的卷取温度为500~650℃以确保微合金化元素析出,其85%FATT在-20至-40℃范围。
中国专利201110179945.0公开了一种通过薄板坯连铸连轧生产具有优异低温韧性X65管线钢带钢的方法,该专利采用了较高的Cr含量(0.20~0.35%),并通过添加V提高强度,未添加Ni、Mo元素,工艺上采用450~550℃卷取,具有较好的低温韧性,DWTT试验的韧脆转变可低至-40℃。
中国专利200810233917.0公开了一种低温韧性优良的X80管线钢热轧板卷的制造方法,采用了较高的Mo含量(0.2~0.4%)以提高强度,Ni含量小于0.30%,该专利仅表述了-15℃的DWTT性能,并未对更低温度的DWTT性能进行说明。
中国专利201380019782.7公开了一种屈服强度400MPa以上,-50℃夏比冲击功150J以上的电阻焊钢管。该专利的重点在于使用发明的方法可有效提高钢管焊缝的低温冲击韧性,而未提及管体的低温抗动态撕裂性能。
中国专利201410134149.9公开了具有优异低温韧性的管线钢及其制造工艺,该专利产品是采用中厚板轧机轧制的管线钢板,而并非管线钢带钢,在成分上也与本发明存在较大差异,该专利采用了低Mn含量(0.55~0.72%)和高Ni含量(0.55~0.80%)的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢及其制造方法,针对寒冷地区天然气管线工程建设的需要,在-60℃超低温下具有优异抗动态撕裂性能;所述管线钢的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,延伸率A50.8≥15%;-60℃冲击性能:冲击功AKV≥250J;-60℃DWTT性能:断口剪切面积率SA%≥85%。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明针对寒冷地区管线工程对管线管的低温韧性要求,尤其是对抗动态撕裂性能的要求,采用相对较高Ni含量,以及Nb、Ti微合金化的成分设计方法,配合低温终轧、高冷速、低温卷取工艺,13~18mm厚度规格钢的DWTT试验85%FATT可低至-60℃。
具体的,本发明具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢其成分重量百分比为:C:0.025~0.080%,Si:0.10~0.40%,Mn:1.10~1.60%,P≤0.02%,S≤0.003%,Cu≤0.20%,Ni:0.31~0.50%,Cr≤0.20%,Mo≤0.20%,Nb:0.04~0.08%,Ti:0.005~0.020%,Ca:0.001~0.005%,Al:0.02~0.05%,B≤0.0005%,N:0.001~0.006%,O≤0.005%,其余为Fe及不可避免的夹杂;且满足0.25%≤(C+Mn/6)≤0.33%,0.10%≤(Mo+Cr)≤0.40%。
又,本发明所述管线钢的显微组织以细小铁素体和针状铁素体为主,比例达80%以上。
在本发明钢的成分设计中:
碳C:钢铁中最基本的强化元素,一方面通过固溶机制起到强化的作用,另一方面与强碳化物形成元素形成碳化物析出,起到沉淀强化的作用,过高的C含量也会导致组织中形成尺寸较大碳化物,降低管线钢的低温韧性,所以C控制在0.025~0.080%。
硅Si:固溶强化元素,同时也是钢中的脱氧元素,但含量过高会恶化钢材的焊接性能,同时不利于轧制过程中热轧氧化铁皮去除,因此Si含量控制在0.10~0.40%。
锰Mn:通过固溶强化提高钢的强度,是低碳低合金钢中最主要、经济的强化元素之一。Mn还是扩大γ相区的元素,可降低γ→α相变温度,有助于获得细小的相变产物,提高强韧性;同时Mn也是易偏析元素,当Mn含量较高时,Mn偏析会导致钢板中心生成低韧性的硬相组织,较高的固溶Mn也会导致钢的硬化能力增加,降低其低温抗动态撕裂性能,本发明中Mn含量限定为1.10~1.60%。碳当量CEQ是决定低合金高强度钢的强度等级的关键成分指标,其中,C元素和Mn元素又是决定CEQ的关键,对于本发明钢种,当C+Mn/6<0.25时,强度很难达到X70,当C+Mn>0.33时,在本发明采用的高冷速、低温卷取工艺下得到的组织硬化能力过高,抗低温动态撕裂性能显著下降,因此,本发明将其设为0.25≤C+Mn/6≤0.33。
铜Cu:提高钢的耐腐蚀性的元素,有利于管线钢的抗HIC性能,并通过固溶强化提高强度,但Cu是低熔点元素,含量过高时,热轧时容易在钢板表面形成脆性裂纹,通常被称作“铜裂”,因此,本发明控制Cu含量≤0.20%。
镍Ni:可与Cu元素形成颗粒状复合相,避免“铜裂”的发生,Ni的更重要的作用是改善钢的低温韧性,通过增加层错能,促进低温时螺型位错交滑移,增加裂纹扩展的消耗功,提高局部止裂能力,促使裂纹韧性扩展,而提高管线钢低温抗动态撕裂性能的关键就是提高其止裂能力,因此,在本发明中,为了保证发明钢能够满足-60℃的低温DWTT性能,控制Ni含量范围为0.31~0.50%。
铬Cr:提高钢的淬透性的重要元素,通过控制相变能够有效提高钢的强度,但添加过高的Cr会对管线钢的焊接性能带来不利影响,本发明中Cr含量范围为≤0.20%。
钼Mo:低碳低合金钢种常用的提高强度的元素,具有扩大γ相区的作用,可降低钢的γ→α相变温度,在管线钢中能有效促进高韧性的针状铁素体的形成,并起到细化相变组织的作用。钢的屈服强度随Mo含量的增加而提高,但Mo元素价格昂贵,而且当Mo含量过高时,导致相变温度过低时,钢的强度增加的同时,低温韧性会有所损失,对超低温的抗动态撕裂性能不利,因此,本发明中Mo含量范围为≤0.20%。由于Mo和Cr是本发明中保证强度的重要合金元素,当Cr+Mo<0.1%时,强度难以达到X70钢级,而当Cr+Mo>0.40%时,在本发明采用的高冷速、低温卷取工艺中,会形成具有较高强度的板条形态贝氏体组织,无法达到理想的超低温抗动态撕裂性能,因此,本发明选择0.10%≤Mo+Cr≤0.40%。
铌Nb:重要的微合金化元素之一,可以提高钢的再结晶温度,扩大未再结晶区,从而增加精轧的温度区间,获得更大的应变累积,在形变奥氏体中形成高密度的变形带,提高相变形核率,起到细化晶粒的作用,同时,热轧应变诱导析出的Nb(N,C)粒子,钉扎晶界可抑制晶粒长大,在卷取过程中析出的NbC粒子弥散分布在基体中,起到析出强化作用。低含量的Nb效果不明显,含量过高时,易产生板坯裂纹,影响表面质量,并恶化焊接性能。本发明中Nb含量应限定在0.04~0.08%。
钛Ti:一种强烈的碳氮化物形成元素,与N有很强结合力,一方面起到固N的作用,另一方面,熔点高的TiN粒子在板坯再加热过程中起到抑制奥氏体晶粒粗化的作用,有利于最终组织的细化。此外,考虑管线钢的焊接性能,TiN粒子能显著阻止热影响区晶粒长大,从而提高焊接热影响区的冲击韧性。本发明中Ti含量控制在0.005~0.020%。
铝Al:是为了脱氧而加入钢中的元素,并有助于分散钢液中多数细小的氧化物,提高钢质纯净度,改善钢材的韧性,但Al添加量过多时易于引入夹杂物,形成负面作用,本发明中Al的含量控制范围为0.020~0.050%。
磷P:是管线钢中不可避免的杂质元素,希望越低越好,P含量超过0.02%时,容易偏析于连铸坯中心,显著恶化管线钢的低温韧性,同时,P元素还会对焊接性能带来不利的影响,因此,本发明中P含量控制在0.02%以下。
硫S:杂质元素,容易引发热裂的元素,还易于形成MnS夹杂物,经轧制后呈长条形,显著降低管线钢的低温韧性,本发明控制S含量小于0.003%。
钙Ca:通过Ca处理可以控制硫化物的形态,改善钢板的各向异性,提高低温韧性,为确保最佳效果,Ca的控制范围为0.0010~0.0050%。
氮N:适当的氮含量可以通过形成高熔点的TiN粒子,如前文所述,在板坯再加热过程中起到抑制奥氏体晶粒粗化的作用,有利于最终组织的细化。但当N含量过高时,自由N原子在时效后钉扎位错,降低延展性,对塑性和韧性均有不利影响。因此本发明中控制N的范围为0.001~0.006%。
氧O:在钢中形成的氧化物会成为潜在断裂源,低合金纯净钢的冶炼冶均需要进行脱氧处理,以减少浇铸过程中产生的气泡以及氧化物夹杂,改善钢的内质、提高成品钢板的低温冲击韧性和抗动态撕裂性能,本发明中控制O≤0.0050%。
本发明基于晶粒细化、析出强化、相变控制等材料理论,采用了较低的C、Mn含量,并以较高Ni含量为成分特点,结合控制轧制和控制冷却的热机械轧制工艺,得到以细小铁素体和针状铁素体为主的显微组织,比例可达80%以上,具有优异的低温抗动态撕裂性能。
本发明所述的具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、连铸
按照上述成分冶炼、连铸成板坯;
2)板坯再加热
板坯的加热温度为1150~1200℃;
3)轧制
粗轧,粗轧终了温度高于再结晶停止温度,粗轧温度控制范围为960~1050℃;
精轧,在未再结晶区轧制,精轧温度控制范围为770~930℃,精轧终轧温度为770~830℃;
4)控制冷却
冷却速度控制范围为25~40℃/s;
5)卷取
卷取温度范围为350~450℃。
在本发明钢制造工艺中:
1、板坯的加热温度是决定原始奥氏体尺寸的关键因素,并将影响最终产品的晶粒度,为控制晶粒长大程度,板坯加热温度不宜过高,另一方面,成分中添加了0.04~0.08%的Nb,为保证其在加热中充分固溶,加热温度控制范围为1150~1200℃。
2、粗轧阶段旨在通过再结晶细化奥氏体晶粒,粗轧终了温度应该高于再结晶停止温度,粗轧温度控制范围为960~1050℃。
精轧阶段是在未再结晶区轧制,奥氏体通过变形积累应变储能和变形带,精轧温度控制范围为770~930℃,奥氏体在变形的过程中还伴随有回复,为此,控制较低的精轧终轧温度为770~830℃。
3、轧后冷却是形变奥氏体的相变过程,较高的冷却速度有助于细化晶粒,提高强度和韧性,控制范围为25~40℃/s。
4、卷取温度是带钢冷却的停止温度,本发明期望获得80%以上细化的铁素体和针状铁素体,减少珠光体和碳化物的含量及尺寸,在本发明的成分体系中,Ni含量较高,Cr、Mo含量均不高,采用350~450℃低温卷取,亦不至于形成下贝氏体等对韧性不利的低温组织,同时可提高相变形核率,促使细小的针状铁素体的形成。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
中国专利号200880006850.5、国际专利WO2009145328均提出通过控制析出物的尺寸及含量来达到期望的性能;本发明的设计思路与其不同之处在于,本发明重点控制组织类型,而并不精确控制析出物,成分上采用0.31~0.50%的Ni含量来提高材料的低温韧性,工艺上通过350~450℃低温卷取,以获得细化的铁素体和针状铁素体组织,从而获得优异的低温韧性及较高的强度,本发明钢在DWTT试验中85%FATT可低至-60℃。
本发明与中国专利201110179945.0、200810233917.0的成分设计及达到的效果均不同,成分上,本发明的Cr、Mo含量均在0.20%及以下,且不添加V,主要通过工艺手段达到X70强度,如高冷速和低温卷取,同时添加了较高的Ni含量(0.30~0.50%),提高材料的韧性,低温DWTT性能更优异,韧脆转变温度可低至-60℃。
中国专利201410134149.9在成分上也与本发明存在较大差异,该专利采用了低Mn含量(0.55~0.72%)和高Ni含量(0.55~0.80%)的设计,本发明采用了适量的Mn(1.10~1.60%)和Ni(0.31~0.50%)来获得较好的强韧性匹配。
本发明的有益效果:
(1)本发明添加较高的Ni元素提高发明钢韧性;控制C+Mn/6和Mo+Cr的下限达到期望的强度,控制其上限以确保发明钢的硬化能力不至于过高,以保证优异的低温抗动态撕裂性能;采用较高的Nb,以细化晶粒,同时提高发明钢的强度和低温韧性。
(2)在工艺控制上,采用低温终轧、高冷速和350~450℃低温卷取工艺,以获得细化的铁素体和针状铁素体组织。
(3)产品的低温抗动态撕裂性能优异,本发明方法制造的13~18mm厚规格带钢在DWTT试验中85%FATT可低至-60℃。
附图说明
图1为本发明实施例钢的显微组织金相照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1为本发明钢实施例的化学成分,表2为本发明实施例的工艺参数,表3为本发明钢实施例的性能。
如图1所示,本发明实施例钢的显微组织主要为铁素体和针状铁素体。
表1 单位:wt.%
表2
表3
可见,按照本发明设计的成分和工艺,实施例达到目标性能要求,在强度满足X70钢级的同时,-60℃的冲击韧性均在400J以上,-60℃的DWTT断口剪切面积率SA%均在85%以上,具有优异的低温抗动态撕裂性能。

Claims (2)

1.具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢,其成分重量百分比为:C:0.025~0.080%,Si:0.10~0.40%,Mn:1.10~1.60%,P≤0.02%,S≤0.003%,Cu≤0.20%,Ni:0.31~0.50%,Cr≤0.20%,Mo≤0.20%,Nb:0.04~0.08%,Ti:0.005~0.020%,Ca:0.001~0.005%,Al:0.02~0.05%,B≤0.0005%,N:0.001~0.006%,O≤0.005%,其余为Fe及不可避免的夹杂;且满足0.25%≤(C+Mn/6)≤0.33%,0.10%≤(Mo+Cr)≤0.40%;
所述管线钢的显微组织以细小铁素体和针状铁素体为主,比例达80%以上;
所述管线钢的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,延伸率A50.8≥15%;-60℃冲击性能:冲击功AKV≥250J;-60℃DWTT性能:断口剪切面积率SA%≥85%;所述管线钢通过如下方法获得,包括:
1)冶炼、连铸
按照上述成分冶炼、连铸成板坯;
2)板坯再加热
板坯的加热温度为1150~1200℃;
3)轧制
粗轧,粗轧终了温度高于再结晶停止温度,粗轧温度控制范围为960~1050℃;
精轧,在未再结晶区轧制,精轧温度控制范围为770~930℃,精轧终轧温度为770~830℃;
4)控制冷却
冷却速度控制范围为25~40℃/s;
5)卷取
卷取温度范围为350~450℃。
2.具有优异低温抗动态撕裂性能的X70管线钢的制造方法,其特征是,包括如下步骤:
1)冶炼、连铸
按照下述成分冶炼、连铸成板坯;其成分重量百分比为:C:0.025~0.080%,Si:0.10~0.40%,Mn:1.10~1.60%,P≤0.02%,S≤0.003%,Cu≤0.20%,Ni:0.31~0.50%,Cr≤0.20%,Mo≤0.20%,Nb:0.04~0.08%,Ti:0.005~0.020%,Ca:0.001~0.005%,Al:0.02~0.05%,B≤0.0005%,N:0.001~0.006%,O≤0.005%,其余为Fe及不可避免的夹杂;且满足0.25%≤(C+Mn/6)≤0.33%,0.10%≤(Mo+Cr)≤0.40%;
2)板坯再加热
板坯的加热温度为1150~1200℃;
3)轧制
粗轧,粗轧终了温度高于再结晶停止温度,粗轧温度控制范围为960~1050℃;
精轧,在未再结晶区轧制,精轧温度控制范围为770~930℃,精轧终轧温度为770~830℃;
4)控制冷却
冷却速度控制范围为25~40℃/s;
5)卷取
卷取温度范围为350~450℃;
所述管线钢的显微组织以细小铁素体和针状铁素体为主,比例达80%以上;所述管线钢的屈服强度Rt0.5≥485MPa,抗拉强度Rm≥570MPa,延伸率A50.8≥15%;-60℃冲击性能:冲击功AKV≥250J;-60℃DWTT性能:断口剪切面积率SA%≥85%。
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