CN109128065B - 一种深海管道用中厚钢板的生产方法 - Google Patents

一种深海管道用中厚钢板的生产方法 Download PDF

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Abstract

一种深海管道用中厚钢板的生产方法，钢板厚度为20~40mm。采用低碳低Pcm、添加少量Nb、Cr、Ni、Cu的成分体系，通过控制冶炼、连铸、加热、轧制和冷却工艺，获得钢板表面层为细小均匀的等轴铁素体、中间层为针状铁素体+粒状贝氏体+多边形铁素体的组织分布，且横纵向组织均匀、带状组织少。该组织特征有效地提高了钢板表面的抗腐蚀性能和涂敷性能，同时钢板强韧性匹配好，屈强比低，具有良好的抗大变形能力，以及低温止裂性能和焊接性能。本发明的管道用钢适用于深海环境下使用。

Description

一种深海管道用中厚钢板的生产方法
技术领域
本发明属于钢铁生产技术领域，特别是涉及一种深海管道用钢中厚板的生产方法。
背景技术
由于海洋油气资源丰富，目前海底管道逐渐向深海发展。与陆地管道相比，深海管道长期承受低温、高压以及海水腐蚀、冲刷等恶劣环境影响。因此，深海管道用钢的性能不仅要求具有高的低温止裂韧性、良好的可焊性以及大的抗应变能力、抗压溃能力等，还要求具有优异的耐海水腐蚀性能和表面涂覆性能。
为改善钢的耐海水腐蚀性能，日本专利JP61012849中添加了2%~4%的Ni；中国专利CN101880835B中添加了0.04%~0.09%的P、0.3%~0.5%的Cu；美国专利US6315946中添加了较多的Mo、Cu、Ni、P、B等多种元素。同时，通过钙处理对长条状MnS和条窜状Al2O3夹杂物变性以提高钢的抗腐蚀性已成为被广泛认可的手段，如专利CN105002437B、CN107099747B等。目前，钢的成分以及钢中夹杂物的形态对抗腐蚀性能的影响已有大量研究报道，但从钢的组织来改善抗腐蚀性能和涂敷性能的研究还很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深海管道用中厚钢板的生产方法，要求钢板的表面层几乎全部为细小均匀的等轴铁素体、中间层为针状铁素体+粒状贝氏体+多边形铁素体的混合组织、且横纵向组织均匀、带状组织少；其组织特征有效地提高了钢板表面的抗腐蚀性能和涂敷性能，同时钢板强韧性匹配好，屈强比低，具有良好的抗大变形能力，以及低温止裂性能和焊接性能。
本发明的技术方案：
一种深海管道用中厚钢板的生产方法，钢的组分按重量百分比计为：C=0.03~0.08，Si≤0.45，Mn=0.80~1.60，P≤0.02，S≤0.0020，Al=0.01~0.06，Nb=0.030~0.050，Ti=0.008~0.025，Cr=0.10~0.30，Ni=0.10~0.30，Cu=0.10~0.30，B≤0.0005，O≤0.0020，N≤0.0080，Ca≤0.0040，且Ca/S≥1.5，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B=0.13~0.18，余量为Fe和不可避免的杂质，其中As≤0.01，Sb≤0.01，Sn≤0.01，Pb≤0.01，Bi≤0.01；关键生产工艺步骤包括：
（1）冶炼：按上述成分冶炼，并真空处理；
（2）连铸：全程保护浇注，并使用电磁搅拌；控制中包过热度为20~40℃；二冷区比水量为0.40~0.50L/kg；
（3）加热：加热温度≥1220℃，均热时间≥90min；
（4）轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧结束温度≥1000℃，压缩比≥5；精轧轧制温度为860~940℃，压缩比为1.5~1.8；
（5）冷却：精轧后采用超快冷，冷却速度≥30℃/s，水冷后表面温度控制在680~640℃之间；然后关闭冷却水，将钢板返回至水冷设备入口前，进行第二次加速冷却，开冷时表面温度640~600℃，冷却速度10~15℃/s，返红温度为450~350℃；然后空冷至室温。
进一步地，所述步骤（2）中，涉及的电磁搅拌，当连铸坯厚度为200~250mm时，电磁搅拌在第3段，搅拌电流400~440A，频率5~5.5Hz；当连铸坯厚度为250~320mm时，电磁搅拌在第4段，搅拌电流440~480A，频率5.5~6Hz。
优选地，所述步骤（4）中，粗轧至少有3道次轧制温度在1000~1050℃之间，且道次压下率均≥15%，轧制速度均≤1.8m/s。
用本发明方法生产的深海管道用钢板，钢板厚度为20~40mm。经检测，性能达到以下水平：
横纵向拉伸性能：屈服强度Rt0.5均≥450MPa、抗拉强度Rm在535~760MPa范围、延伸率A50≥40%；屈强比Rt0.5/Rm在0.70~0.80之间；
横向低温韧性：—40℃夏比V型冲击功Akv≥300J；—20℃落锤撕裂断口剪切面积DWTT≥85%；—10℃止裂性能CTOD≥0.8mm；
抗HIC性能：按照NACE TM0284-2011标准，在A溶液中浸泡96小时后，无裂纹；
涂敷性能：采用直缝埋弧焊制管，然后按照GB/T 23257-2017标准进行3LPE涂敷试验，对涂层附着力的相关性能指标进行检测，室温条件下涂层剥离强度≥150N/cm，“X”型剥离（底层环氧粉末涂层附着力）无剥离；—30℃、弯曲2.5°条件下涂层无开裂；—1.5V、28d、65℃条件下涂层的阴极剥离半径≤7mm。
本发明的连铸工序采用较高的过热度、同时二冷采用弱冷，并使用电磁搅拌，使连铸坯断面中心有较大面积形成等轴晶并产生适度的中心偏析，偏析点分散在等轴晶中；然后采用较高的加热温度和较长的均热时间，使局部偏析点和枝晶偏析程度得以改善，从而得到中心和表面存在一定成分差异的钢坯；再配合超快冷+空冷+加速冷却+空冷的冷却工艺，最终获得钢板表面层为细小均匀的等轴铁素体、中间层为针状铁素体+粒状贝氏体+多边形铁素体的组织分布，在保证全厚度强韧性的同时，充分发挥表面层几乎单一的铁素体基体组织具有优异抗腐蚀性能和涂敷性能的特性。同时较高的加热温度和较长的均热时间，有利于减轻偏析产生的带状组织，以及较多的再结晶区轧制和较高的终轧温度，进一步降低带状组织，获得横纵向均匀的组织，也有利于提高钢的耐腐蚀性能。
本发明的有益效果：本发明生产的钢板具有优异的抗腐蚀性能和涂敷性能；同时通过控制钢板厚度上的软硬相组织，不仅保证了钢板的强韧性匹配，而且使钢板具有低的屈强比，尤其表面的铁素体组织具有更大的均匀延伸率和形变强化指数，从而使钢的抗大变形能力显著提高（变形时往往表面的变形程度更大）；而且横纵向的均匀组织有利于提高钢的止裂性能；低Pcm的成分设计使钢具有良好的可焊性等。因此，本发明的管线钢的综合性能好，适用于深海环境下使用。此外，本发明方法还具有轧制负荷小、易于控制板形、生产成本低等优点。
附图说明
图1为实施例1钢板表面的光学显微组织照片。
图2为实施例1钢板心部的光学显微组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明的内容。
实施例1：钢板厚度为31mm
钢的化学组成重量百分比为：C=0.04，Si=0.20，Mn=1.50，P=0.009，S=0.0011，Al=0.027，Nb=0.042，Ti=0.016，Cr=0.13，Ni=0.25，Cu=0.12，B=0.0003，O=0.0009，N=0.0038，Ca=0.0021，余量为Fe和不可避免的杂质，其中As=0.0046，Sb=0.0007，Sn=0.004，Pb=0.0006，Bi=0.001；计算Ca/S=1.9，Pcm=0.14；钢板的关键生产工艺步骤包括：
（1）冶炼：按上述成分冶炼，并真空处理，真空度为67Pa、保真空时间15min；
（2）连铸：全程保护浇注成260mm×2070mm断面的连铸坯；中包过热度为30℃；二冷区比水量0.48L/kg；并使用电磁搅拌，电磁搅拌在第4段，搅拌电流460A，频率5.8Hz；
（3）加热：加热温度为1238℃，均热时间为110min；
（4）轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧最后3道次轧制温度分别为1034℃、1026℃、1015℃，道次压下率分别为20.6%、23.1%、18.5%，轧制速度分别为1.57m/s、—1.49m/s、1.65m/s；精轧开轧温度为920℃、结束温度为880℃；中间坯厚度为50mm，粗轧压缩比为5.20，精轧压缩比为1.61；
（5）冷却：精轧后采用超快冷，冷却速度约为33.7℃/s，水冷后表面温度为680~650℃；然后关闭冷却水，将钢板返回至水冷设备入口前，进行第二次加速冷却，开冷时表面温度为630℃，冷却速度约为10.5℃/s，返红温度为420~380℃；然后空冷至室温。
对实施例1生产的钢板取样，进行金相组织观察，钢板表面的光学显微组织照片如图1所示，钢板心部的光学显微组织照片如图2所示。由图可见：钢板的表面层几乎全部为细小均匀的等轴铁素体、中间层为针状铁素体+粒状贝氏体+多边形铁素体的混合组织、且横纵向组织均匀、带状组织0级。
对实施例1钢板进行性能检测，结果为：
（1）横纵向拉伸性能：横向屈服强度Rt0.5为476MPa、抗拉强度Rm为624MPa、延伸率A50为47%、屈强比Rt0.5/Rm为0.76；纵向屈服强度Rt0.5为481MPa、抗拉强度Rm为639MPa、延伸率A50为44%、屈强比Rt0.5/Rm为0.75；
（2）横向低温韧性：—40℃夏比V型冲击功Akv为368/349/352J；—20℃落锤撕裂断口剪切面积DWTT为88%、86%；—10℃止裂性能CTOD为0.83/0.91/0.85mm；
（3）抗HIC性能：按照NACE TM0284-2011标准，在A溶液中浸泡96小时后，裂纹长度率CLR为0、裂纹厚度率CTR为0、裂纹敏感率CSR为0；
（4）涂敷性能：采用直缝埋弧焊制管，然后按照GB/T 23257-2017标准进行3LPE涂敷试验，对涂层附着力的相关性能指标进行检测，室温条件下涂层剥离强度为158N/cm，“X”型剥离（底层环氧粉末涂层附着力）无剥离；—30℃、弯曲2.5°条件下涂层无开裂；—1.5V、28d、65℃条件下涂层的阴极剥离半径为2.12mm。
实施例2：钢板厚度为22.2mm
钢的化学组成重量百分比为：C=0.05，Si=0.22，Mn=1.25，P=0.010，S=0.0009，Al=0.029，Nb=0.042，Ti=0.015，Cr=0.26，Ni=0.11，Cu=0.12，B=0.0002，O=0.0011，N=0.0041，Ca=0.0018，余量为Fe和不可避免的杂质，其中As=0.0057，Sb=0.0012，Sn=0.005，Pb=0.0005，Bi=0.002；计算Ca/S=2.0，Pcm=0.14；钢板的关键生产工艺步骤包括：
（1）冶炼：按上述成分冶炼，并真空处理，真空度67Pa、保真空时间15min；
（2）连铸：全程保护浇注成220mm×2070mm断面的连铸坯；中包过热度为30~32℃；二冷区比水量0.45L/kg；并使用电磁搅拌，电磁搅拌在第3段，搅拌电流420A，频率5Hz；
（3）加热：加热温度为1250℃，均热时间为120min；
（4）轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧最后3道次轧制温度分别为1038℃、1025℃、1010℃，道次压下率分别为22.5%、20.2%、17.6%，轧制速度分别为1.72m/s、—1.66m/s、1.76m/s；精轧开轧温度为920℃、结束温度为865℃；中间坯厚度为36mm，粗轧压缩比为6.11，精轧压缩比为1.62；
（5）冷却：精轧后采用超快冷，冷却速度约为37.5℃/s，水冷后表面温度为670~640℃；然后关闭冷却水，将钢板返回至水冷设备入口前，进行第二次加速冷却，开冷时表面温度为610℃，冷却速度约为14.4℃/s，返红温度为420~380℃；然后空冷至室温。
对实施例2生产的钢板取样，进行金相组织观察，结果表明：钢板的表面层几乎全部为细小均匀的等轴铁素体、中间层为针状铁素体+粒状贝氏体+多边形铁素体的混合组织、且横纵向组织均匀、带状组织0级。
对实施例2钢板进行性能检测，结果为：
（1）横纵向拉伸性能：横向屈服强度Rt0.5为517MPa、抗拉强度Rm为677MPa、延伸率A50为45%、屈强比Rt0.5/Rm为0.76；纵向屈服强度Rt0.5为514MPa、抗拉强度Rm为684MPa、延伸率A50为46.5%、屈强比Rt0.5/Rm为0.75；
（2）横向低温韧性：—40℃夏比V型冲击功Akv为332/330/343J；—20℃落锤撕裂断口剪切面积DWTT为89%、91%；—10℃止裂性能CTOD为0.99/0.99/0.93mm；
（3）抗HIC性能：按照NACE TM0284-2011标准，在A溶液中浸泡96小时后，裂纹长度率CLR为0、裂纹厚度率CTR为0、裂纹敏感率CSR为0；
（4）涂敷性能：采用直缝埋弧焊制管，然后按照GB/T 23257-2017标准进行3LPE涂敷试验，对涂层附着力的相关性能指标进行检测，室温条件下涂层剥离强度为160N/cm，“X”型剥离（底层环氧粉末涂层附着力）无剥离；—30℃、弯曲2.5°条件下涂层无开裂；—1.5V、28d、65℃条件下涂层的阴极剥离半径为2.30mm。

Claims (3)

1.一种深海管道用中厚钢板的生产方法，其特征在于：钢的组分按重量百分比计为C=0.03~0.08，Si≤0.45，Mn=0.80~1.60，P≤0.02，S≤0.0020，Al=0.01~0.06，Nb=0.030~0.050，Ti=0.008~0.025，Cr=0.10~0.30，Ni=0.10~0.30，Cu=0.10~0.30，B≤0.0005，O≤0.0020，N≤0.0080，Ca≤0.0040，且Ca/S≥1.5，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B=0.13~0.18，余量为Fe和不可避免的杂质，其中As≤0.01，Sb≤0.01，Sn≤0.01，Pb≤0.01，Bi≤0.01；钢板的关键生产工艺步骤包括：
（1）冶炼：按上述成分冶炼，并真空处理；
（2）连铸：全程保护浇注，并使用电磁搅拌；控制中包过热度为20~40℃；二冷区比水量为0.40~0.50L/kg；
（3）加热：加热温度≥1220℃，均热时间≥90min；
（4）轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧结束温度≥1000℃，压缩比≥5；精轧轧制温度为860~940℃，压缩比为1.5~1.8；
（5）冷却：精轧后采用超快冷，冷却速度≥30℃/s，水冷后表面温度控制在680~640℃之间；然后关闭冷却水，将钢板返回至水冷设备入口前，进行第二次加速冷却，开冷时表面温度640~600℃，冷却速度10~15℃/s，返红温度为450~350℃；然后空冷至室温。
2.根据权利要求1 所述的一种深海管道用中厚钢板的生产方法，其特征在于：步骤（2）中涉及的电磁搅拌，当连铸坯厚度为200~250mm时，电磁搅拌在第3段，搅拌电流400~440A，频率5~5.5Hz；当连铸坯厚度为250~320mm时，电磁搅拌在第4段，搅拌电流440~480A，频率5.5~6Hz。
3.根据权利要求1 所述的一种深海管道用中厚钢板的生产方法，其特征在于：步骤（4）中，粗轧至少有3道次轧制温度在1000~1050℃之间，且道次压下率均≥15%，轧制速度均≤1.8m/s。
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