CN109898020A - 一种钛微合金化无缝管线管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钛微合金化无缝管线管及其制备方法，所述管线管的成分重量百分比为：0.13％≤C≤0.16％、0.15％≤Si≤0.35％、1.25％≤Mn≤1.40％、S≤0.002％、P≤0.01％、0.02％≤Ti≤0.04％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、0.02％≤Al≤0.04％、N≤0.005％、Cr≤0.1％、Ni≤0.08％、Cu≤0.08％、Mo≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，0.008％+3.42[N]+3[S]≤Ti≤0.012％+3.42[N]+3[S]。本发明通过严格控制管线管中各化学组分的含量，成功制备了综合性能优异且成本较低的单一钛合金化的管线管。

Description

一种钛微合金化无缝管线管及其制备方法

技术领域

本发明涉及无缝管线管制造技术领域，尤其涉及一种钛微合金化无缝管线管及其制备方法。

背景技术

据国际权威机构预测，从2000-2030年，世界石油的需求量年均增长1.6％，2030年将达到57.69亿吨；天然气的需求量年均增长2.4％，2030年将达到42.03亿吨油当量。管线输送是实现石油天然气高效、经济、安全、无污染运输的最合理方式。随着石油和天然气需求量的快速增长，用于油气输送管线建造的管线管的需求量将会日益增加。2017年我国石油进口对外依存接近70％，远超所谓的国际安全警戒线。为了保障国家能源安全，我国将加大复杂地质条件和深水海域油气的勘探和开采，因此高端油气输送管线管的需求将会持续增加。

管线管包括无缝钢管和焊接钢管两类。同焊接管线管相比，无缝管线管因管体组织与性能分布的连续一致性好、使用可靠性高，故在安全级别要求较高、使用条件相对特殊、产品径壁比数值偏低等情形下显示出较高的优势。通常，无缝管线管应用于油气集输管线、海底输油管线以及城镇油气管网。目前，国内无缝管线管的需求量在300万吨左右，常用强度级别主要分布于X52-X70之间，管径范围以中小直径为主，分布于114.3-273.1mm之间。

无缝管线管的合金成分设计可有多种选择，但现有的技术中，合金成分体系复杂，大多采用钒、铌合金，成本较高。我国钢铁行业的发展已步入绿色低碳的轨道，应着力减少资源和能源消耗，减少污染和排放，因此无缝管线管制造工程应在合金成分设计、制备工艺以及可供采用的制造设备上寻求最佳的平衡，在保证产品综合性能的条件下最大限度地降低制造成本。

发明内容

针对现有无缝管线管合金成分体系复杂以及制造成本较高的问题，本发明提供一种无缝管线管及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：

一种钛微合金化无缝管线管，其成分重量百分比为：0.13％≤C≤0.16％、0.15％≤Si≤0.35％、1.25％≤Mn≤1.40％、S≤0.002％、P≤0.01％、0.02％≤Ti≤0.04％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、0.02％≤Al≤0.04％、N≤0.005％、Cr≤0.1％、Ni≤0.08％、Cu≤0.08％、Mo≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量Ceq≤0.43％；且管线管中Ti含量的重量百分比与N、S含量的重量百分比满足以下条件：0.008％+3.42[N]+3[S]≤Ti≤0.012％+3.42[N]+3[S]，其中，[N]表示管线管中N含量的重量百分比，[S]表示管线管中S含量的重量百分比。

相对于现有技术，本发明提供一种单一Ti合金化的无缝管线管，通过严格控制钢中硫、氮含量以及钛含量与硫、氮含量的关系，保证钢中有效钛的含量，有效抑制氧化物、硫化物、硫氮化物等其他含钛相的析出，从而稳定TiC的体积分数及有效析出温度，同时，还能避免合金化过程中产生大的析出物，从而导致钢水粘度大和可浇性差问题的出现；尽量提高C含量，可提高钢的抗拉强度，同时，提高钢液中的硫的活度，冶炼过程中有利于脱硫。本发明采用Ti代替传统的Nb、V微合金化，在保证钢管高强度、高韧性的前提下，显著降低了钢材的合金成本，同时，本发明的无缝管线管的综合性能好，屈服强度为390-450MPa，抗拉强度为505-542MPa，0℃横向全尺寸夏氏冲击功为202-245J，可广泛用于油气集输管线的建造，市场前景广阔。

化学成分主要是基于以下思想进行设计：

①锰是较经济的合金元素，虽然易偏析，但无缝钢管是由连铸圆坯穿孔轧制后再进行热处理制成，可大大减轻由于锰偏析导致的偏析和带状组织，所以锰含量可适当提高。

②采用Ti进行微合金化，可以大幅度降低成本。同样质量分数的碳氮化钛比碳氮化钒的体积分数大14％左右，比碳氮化铌大56％左右，微合金碳氮化物沉淀强化的效果正比于体积分数的二分之一次方，因此，在相同质量分数的元素加入量条件下，碳氮化钛的沉淀强化效果明显大于碳氮化钒和碳氮化铌，并且FeTi合金的市场价格明显低于其他合金，因此，合金成本大幅度降低。

③TiN或富氮的Ti(C，N)具有非常优异的高温稳定性，TiN或富氮的Ti(C，N)在铁基体中的固溶度积非常小，使其在很高温度下仍不会发生明显的固溶，从而保证了在较高温度下仍具有足够体积分数的TiN或富氮的Ti(C，N)相存在。TiN或富氮的Ti(C，N)在很高温度下仍能保持很小的粗化速率，从而可保证其晶粒平均尺寸足够细小。因此，采用Ti微合金化可抑制无缝管线管在焊接热循环过程中基体晶粒长大，改善无缝管线管的焊接性能。

④严格控制钢中的硫、氮含量，保证钢中有效钛的含量，有效抑制氧化物、硫化物、硫碳化物等其他含钛相的析出从而稳定TiC的体积分数及有效析出温度，由此获得稳定的钢材性能。

本发明还提供了上述钛微合金化无缝管线管的制备方法，包括如下步骤：

取与上述钛微合金化无缝管线管具有相同化学成分的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经五机架PQF机组轧制后得到荒管，轧制后的荒管直接进入三机架脱管机上脱管，脱管后的荒管经微张力减径和步进式冷床冷却得到无缝管线管。

优选的，穿孔工序的延伸系数为4.1-4.5。

优选的，轧制工序的延伸系数为1.75-1.95。

优选的，微张力减径工序的延伸系数为1.1-1.3。

通过合理控制钢管在穿孔、轧制和微张力减径三个过程的变形量，可以获得良好稳定的力学性能。

优选的，环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热段的温度为1240-1280℃，所述均热段的温度为1240-1260℃；连铸圆坯的出炉温度为1120-1140℃。

优选的环形炉加热温度和出炉温度有利于控制管坯在理想的变形温度区间轧制，降低变形抗力和穿孔机、轧机负荷，提高成品钢管表面质量、尺寸精度和性能，且有利于控制能耗和烧损，降低生产成本。

优选的，连铸圆坯穿孔前的温度为1050-1060℃，穿孔后的温度为1140-1150℃。

优选的，毛管轧制前的温度为1040-1050℃。

优选的穿孔温度和轧制温度可使管线管的强度和韧性均较好。

优选的，管线管进冷床的温度为870-890℃，进冷床后采用风机和水雾冷却，冷却速度为40-50℃/min。

优选的管线管进冷床的温度和冷却速度，可提高相变时的形核率，抑制析出相的聚集和长大，达到细化晶粒、改善组织的目的。

优选的，所述连铸圆坯是以废钢和直接还原铁为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空精炼和连铸工序制成。

优选的，钢包精炼后将钢液中的硫含量控制在15ppm以下。

优选的，VD真空精炼后将钢液中的溶解氧含量控制在4ppm以下。

将硫含量控制在15ppm以下，溶解氧含量控制在4ppm以下，可降低夹杂物的含量，避免夹杂物破坏钢基体的连续性和均匀性。

优选的，VD真空精炼工序结束时，向钢液中喂入钛铁线进行合金化，然后喂入硅钙线对夹杂物进行变性处理，喂入硅钙线后先进行强吹氩搅拌再进行软吹氩搅拌。

喂入CaSi线后钢液中存在大量的大型夹杂物，必须进行强搅拌促进上浮，然后进行软搅拌去除。

优选的，所述钛铁线的喂入量为1-4m/t钢水，硅钙线的喂入量为4-6m/t钢水。

优选的，强吹氩的氩气流量为190-210NL/min，处理时间为3-5min；软吹氩的流量为45-55NL/min，处理时间为15-30min。

优选的氩气流量和处理时间可使大型夹杂物充分上浮去除。

采用钛微合金化具有诸多难点：(1)钛元素性质活泼，极易与钢水中的氧、硫、氮等元素反应产生大的析出物，致使钢水黏度大、可浇性差；(2)钛在高温时容易形成氧化物、硫化物、硫碳化物等其他含钛相，从而使得能够形成TiC的有效钛含量发生明显的波动，这不仅使TiC的体积分数发生波动，同时还由于TiC沉淀析出反应的化学自由能的波动导致其有效沉淀析出温度范围发生改变，并由此影响其尺寸，从而导致钛微合金钢的性能稳定性较差，这也是钛微合金钢生产应用的关键技术难题。

本发明通过严格控制管线管中各化学组分的含量以及制备过程的工艺参数，成功制备了综合性能优异且成本较低的单一钛合金化的管线管。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)采用以Ti代替Nb、V的节约型成分设计路线，显著降低了钢材的合金成本，节约成本500元/吨以上；

(2)精确控制钢中N和S的含量，并且根据N和S的含量进行Ti微合金化，实现钢中Ti的稳定控制，解决了Ti微合金化热轧无缝管线管力学性能波动问题，实现了无缝管线管的低成本、高品质、批量化、稳定生产。

(3)本发明提供的无缝管线管具有冶金质优良、有害元素含量低、微观组织细密、力学性能可靠、焊接性能优异和尺寸精度高等综合特点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本发明实施例提供一种无缝管线管，其化学成分为：

C 0.13％、Si 0.35％、Mn 1.35％、S 0.0006％、P 0.01％、Ti 0.02％、V 0.001％、Al 0.04％、N 0.002％、Cr 0.005％、Ni 0.05％、Cu 0.04％、Mo 0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述无缝管线管的制备步骤如下：

以废钢和直接还原铁为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述无缝管线管化学组分相同的直径为Φ180mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔、五机架PQF机组轧制、三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却后，制成外径为114.3mm、壁厚为8.58mm的X52管线管。

直接还原铁的组成按质量百分数满足：全铁含量为90-94％、金属铁含量为81-86％、0.015％≤S≤0.025％、0.02％≤P≤0.06％、1％≤C≤1.5％、2％≤SiO₂≤6％。

LF精炼过程将钢液中的硫控制在15ppm以下；VD真空精炼后钢液中的溶解氧含量控制在4ppm以下；在VD真空处理过程中加入1kg/t萤石稀释炉渣；在VD真空处理后喂入150mFeTi线进行钛微合金化，然后喂入400mCaSi线对夹杂物进行变性处理，喂入CaSi线后先进行强吹氩搅拌，氩气流量为200NL/min，强吹3min；再进行软吹氩搅拌，氩气流量为50NL/min，软吹25min；中间包引流砂采用高铬引流砂，保证大包自开；连铸过程采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。

环形炉加热工序中，连铸圆坯先进加热段，温度为1260℃，再进均热段，温度为1250℃，所得管坯的出炉温度为1130℃。炉温可采用全自动智能闭环控制系统，炉气温度控制精度±10℃。

穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，管坯穿孔前的温度为1055℃，管坯穿孔后的温度为1140℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。

五机架PQF机组轧制工序中，管坯热轧前的温度为1045℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为8-8.5mm。

脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为8.2-8.4mm。

穿孔工序的延伸系数为4.5，轧制工序的延伸系数为1.85，微张力减径工序的延伸系数为1.2；管线管进冷床温度为870℃，进冷床后采用风机和水雾冷却，冷速控制在40℃/min。

钢线管的组织主要为铁素体+珠光体，晶粒细小，晶粒度为8-9级。

实施例2

本发明实施例提供一种无缝管线管，其化学成分为：

C 0.14％、Si 0.25％、Mn 1.25％、S 0.002％、P 0.008％、Ti 0.03％、Nb 0.01％、V 0.01％、Al 0.032％、N 0.004％、Cr 0.008％、Ni 0.08％、Cu 0.08％、Mo 0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述无缝管线管的制备步骤如下：

以废钢和直接还原铁为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述无缝管线管化学组分相同的直径为Φ180mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔、五机架PQF机组轧制、三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却后，制成外径为114.3mm、壁厚为8.58mm的X52管线管。

直接还原铁的组成按质量百分数满足：全铁含量为90-94％、金属铁含量为81-86％、0.015％≤S≤0.025％、0.02％≤P≤0.06％、1％≤C≤1.5％、2％≤SiO₂≤6％。

LF精炼过程将钢液中的硫控制在15ppm以下；VD真空精炼后钢液中的溶解氧含量控制在4ppm以下；在VD真空处理过程中加入1kg/t萤石稀释炉渣；在VD真空处理后喂入220mFeTi线进行钛微合金化，然后喂入320m CaSi线对夹杂物进行变性处理，喂入CaSi线后先进行强吹氩搅拌，氩气流量为210NL/min，强吹4min；再进行软吹氩搅拌，氩气流量为45NL/min，软吹15min；中间包引流砂采用高铬引流砂，保证大包自开；连铸过程采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。

环形炉加热工序中，连铸圆坯先进加热段，温度为1240℃，再进均热段，温度为1240℃，所得管坯的出炉温度为1120℃。炉温可采用全自动智能闭环控制系统，炉气温度控制精度±10℃。

穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，管坯穿孔前的温度为1050℃，管坯穿孔后的温度为1145℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。

五机架PQF机组轧制工序中，管坯热轧前的温度为1040℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为8-8.5mm。

脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为8.2-8.4mm。

穿孔工序的延伸系数为4.3，轧制工序的延伸系数为1.75，微张力减径工序的延伸系数为1.3；管线管进冷床温度为890℃，进冷床后采用风机和水雾冷却，冷速控制在50℃/min。

钢线管的组织主要为铁素体+珠光体，晶粒细小，晶粒度为8-9级。

实施例3

本发明实施例提供一种无缝管线管，其化学成分为：

C 0.16％、Si 0.15％、Mn 1.40％、S 0.002％、P 0.006％、Ti 0.035％、V0.003％、Al 0.022％、N 0.005％、Cr 0.01％、Ni 0.03％、Cu 0.03％、Mo 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述无缝管线管的制备步骤如下：

以废钢和直接还原铁为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述无缝管线管化学组分相同的直径为Φ180mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔、五机架PQF机组轧制、三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却后，制成外径为114.3mm、壁厚为8.58mm的X52管线管。

直接还原铁的组成按质量百分数满足：全铁含量为90-94％、金属铁含量为81-86％、0.015％≤S≤0.025％、0.02％≤P≤0.06％、1％≤C≤1.5％、2％≤SiO₂≤6％。

LF精炼过程将钢液中的硫控制在15ppm以下；VD真空精炼后钢液中的溶解氧含量控制在4ppm以下；在VD真空处理过程中加入1kg/t萤石稀释炉渣；在VD真空处理后喂入300mFeTi线进行钛微合金化，然后喂入480mCaSi线对夹杂物进行变性处理，喂入CaSi线后先进行强吹氩搅拌，氩气流量为190NL/min，强吹5min；再进行软吹氩搅拌，氩气流量为55NL/min，软吹30min；中间包引流砂采用高铬引流砂，保证大包自开；连铸过程采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。

环形炉加热工序中，连铸圆坯先进加热段，温度为1280℃，再进均热段，温度为1260℃，所得管坯的出炉温度为1140℃。炉温可采用全自动智能闭环控制系统，炉气温度控制精度±10℃。

穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，管坯穿孔前的温度为1060℃，管坯穿孔后的温度为1150℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。

五机架PQF机组轧制工序中，管坯热轧前的温度为1050℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为8-8.5mm。

脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为8.2-8.4mm。

穿孔工序的延伸系数为4.1，轧制工序的延伸系数为1.95，微张力减径工序的延伸系数为1.1；管线管进冷床温度为880℃，进冷床后采用风机和水雾冷却，冷速控制在45℃/min。

钢线管的组织主要为铁素体+珠光体，晶粒细小，晶粒度为8-9级。

按照API SPECIFICATION 5L第46版的标准要求从实施例1-实施例3制得的无缝管线管中取样分析其屈服强度、抗拉强度、横向冲击功，其统计分析结果分别如表1所示。

表1

检验项目	样本数	最小值	最大值	平均值	标准差
						屈服强度/MPa	132	392	450	411.6	12.3
抗拉强度/MPa	132	505	542	520.3	11.5
						夏氏冲击功/J	132	202	245	220.1	15.4

由上表可以看出，通过以上方法制得的无缝管线管的屈服强度为392-450MPa、抗拉强度为505-542MPa、0℃横向全尺寸夏氏冲击功≥200J，其中屈服强度平均值为411.6MPa、标准差为12.3MPa；抗拉强度平均值为520.3MPa、标准差为11.5MPa；0℃横向全尺寸夏氏冲击功平均值为220.1J、标准差为15.4J。

由此可见，通过上述方法制得的钛微合金化无缝管线管的冶金质优良、有害元素含量低、微观组织细密、力学性能可靠、焊接性能优异、尺寸精度高等综合特点，可广泛用于油气输送工程，具有广阔的市场前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛微合金化无缝管线管，其特征在于，其成分重量百分比为：0.13％≤C≤0.16％、0.15％≤Si≤0.35％、1.25％≤Mn≤1.40％、S≤0.002％、P≤0.01％、0.02％≤Ti≤0.04％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、0.02％≤Al≤0.04％、N≤0.005％、Cr≤0.1％、Ni≤0.08％、Cu≤0.08％、Mo≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量Ceq≤0.43％；且管线管中Ti含量的重量百分比与N、S含量的重量百分比满足以下条件：0.008％+3.42[N]+3[S]≤Ti≤0.012％+3.42[N]+3[S]，其中，[N]表示管线管中N含量的重量百分比，[S]表示管线管中S含量的重量百分比。

2.一种权利要求1所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取与所述钛微合金化无缝管线管化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经轧制后得到荒管，轧制后的荒管经微张力减径和步进式冷床冷却得到无缝管线管。

3.如权利要求2所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，穿孔工序的延伸系数为4.1-4.5；和/或

轧制工序的延伸系数为1.75-1.95；和/或

微张力减径工序的延伸系数为1.1-1.3。

4.如权利要求2所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热段的温度为1240-1280℃，所述均热段的温度为1240-1260℃；连铸圆坯的出炉温度为1120-1140℃。

5.如权利要求2所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，连铸圆坯穿孔前的温度为1050-1060℃，穿孔后的温度为1140-1150℃。

6.如权利要求2所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，毛管轧制前的温度为1040-1050℃；和/或

管线管进冷床的温度为870-890℃，进冷床后采用风机和水雾冷却，冷却速度为40-50℃/min。

7.如权利要求2所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，所述连铸圆坯是以废钢和直接还原铁为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空精炼和连铸工序制成。

8.如权利要求7所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，钢包精炼后将钢液中的硫含量控制在15ppm以下；和/或

VD真空精炼后将钢液中的溶解氧含量控制在4ppm以下。

9.如权利要求7所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，VD真空精炼工序结束时，向钢液中喂入钛铁线进行合金化，然后喂入硅钙线对夹杂物进行变性处理，喂入硅钙线后先进行强吹氩搅拌再进行软吹氩搅拌。

10.如权利要求9所述的钛微合金化无缝管线管的制备方法，其特征在于，所述钛铁线的喂入量为1-4m/t钢水，硅钙线的喂入量为4-6m/t钢水；和/或

强吹氩的氩气流量为190-210NL/min，处理时间为3-5min；软吹氩的流量为45-55NL/min，处理时间为15-30min。