CN109957730B - 一种高塑性厚壁深海管线用平板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高塑性厚壁深海管线用平板及其生产方法。钢中含有C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.36％～1.65％、Nb：0.04％～0.07％、Ti：0.008％～0.025％、Cu：0.11％～0.24％、Cr：0.10％～0.20％、Als：0.015％～0.040％、N：0.0021％～0.0049％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Ca：0.0015％～0.0045％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ni≤0.14％、Mo≤0.15％，Mo+Ni+Cr+Cu：0.31％～0.50％，其余为Fe和不可避免的杂质；铸坯加热过程分为4个阶段，粗轧温度1050～1150℃，总变形率≥51％，精轧温度800～890℃，终冷温度350～430℃。生产的钢板具有良好的塑性、低温韧性、低屈强比。

Description

一种高塑性厚壁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管线钢生产技术领域，尤其涉及一种深海油气输送用厚度≥33mm的X65、X70级高塑性、低屈强比、耐腐蚀的海底管线平板及其生产方法。

背景技术

随着陆地油气资源的枯竭，油气开采重心逐渐向海洋转移。海洋油气资源是全球石油天然气资源的重要组成部分，具有巨大的开发潜力。我国海底油气储量十分丰富，在渤海、东海、南海均有庞大的油气储量，仅南海就高达230～300亿m³。

海底管道是海洋油气输运的重要设施。鉴于深海海底管道的铺设方式和恶劣的服役条件，要求材料具有较高的强度、刚度、韧性、耐腐蚀和优异的塑变性能；而随着强度的提高，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及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。检索到的相关专利和文献如下：

CN101082108A公开了一种用于制作海底管线的钢板及其轧制方法。提供了一种X65级别管线钢板，钢板厚度6～14mm，厚度小，屈强比较高，不满足深海管线钢需求；其采用热连轧生产，钢板宽度受限，成分中以C、Mn、Nb为基础采用Ni、Mo强化，生产成本高。

CN102676925A公开了一种大壁厚海底管线钢板及其生产方法。提供了一种X65级别海底管线钢板，钢板厚度25～30.2mm，成分中同样以C、Mn、Nb为基础采用Ni、Mo强化；该产品厚度小，合金成本高，屈强比高，无法满足深海管线钢需求。

CN104357766A公开了用于超深海的高强度高韧性海底管线钢及其制造方法，提供了一种X70级别深海海底管线钢板，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，合金成本偏高。

JP2006291349A公开了一种高变形性能的管线钢板及其制造方法，提供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，生产工艺复杂，均匀延伸率偏低。

KR20140084891A公开了一种X70级高延伸率管线钢板，合金成分主要采用C(0.08％～0.10％)、V(0.05％～0.08％)、Ni(0.10％～0.40％)强化，合金成本高，产品无法满足深海管线钢技术要求。

《南海荔湾X70和X65大壁厚海洋管线的开发与应用研究》(焊管，2013，36(9)：30-37张备，杨剑锋，王波)，文中主要介绍了厚度28.6～31.8mm的X65、X70海底管线钢，产品的厚度较小，屈强比高。

综上所述，现有技术对厚壁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现有技术的不足，解决深海厚壁管线钢塑变性、落锤性能、组织均匀性、抗腐蚀性能等控制问题，提供一种深海油气输送用厚度≥33mm的X65、X70级高塑性、高韧性、低屈强比、耐腐蚀的深海管线平板及其生产方法。

本发明的高塑性厚壁深海管线用平板的成分设计以低C、低Mn为基础，重点利用Cr、Cu元素部分或全部替代贵重的Mo、Ni、V等元素，配以相应的冶炼、轧制、热矫、冷却等生产工艺获得深海管线钢所需的性能。具体的技术方案是：

一种高塑性厚壁深海管线用厚板，其化学成分按重量百分比为：

C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.36％～1.65％、Nb：0.04％～0.07％、Ti：0.008％～0.025％、Cu：0.11％～0.24％、Cr：0.10％～0.20％、Als：0.015％～0.040％、N：0.0021％～0.0049％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Ca：0.0015％～0.0045％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：2.8～5.4、Ca/S≥1.5，余量为铁和不可避免的杂质。

另外，本发明所述一种高塑性厚壁深海管线用平板其成分中还可以含有Ni、Mo元素中的一种或两种，其中Ni≤0.14％、Mo≤0.15％、(Mo+Ni+Cr+Cu)：0.31％～0.50％。

本发明所述一种高塑性厚壁深海管线用平板的碳当量CE_IIW控制在0.345％～0.390％，CE_Pcm控制在0.135％～0.165％，其中，CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/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：

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，对保证强度有利，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料塑性和韧性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明将碳含量控制在0.030％～0.055％。

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，本发明将Si含量范围控制在0.16％～0.30％。

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，锰含量过高易诱发偏析且不利于焊接，本发明将锰含量控制在1.36％～1.65％。

Nb：有明显的固溶和析出强化作用，对于本发明所述高塑性厚壁深海管线用平板而言，Nb在精轧、热矫直至开始加速冷却前形成碳氮化物析出钉扎能够有效细化晶粒，改善强韧性，但是，Nb含量过高会使生产成本明显增加，本发明将铌含量控制在0.04％～0.07％。

Ti、Ti/N：钛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，本发明将钛含量控制在0.008％～0.025％；Ti/N控制在2.8～5.4能够促进氮化钛析出，有效减少和控制游离氮元素量。

Cu：能起到固溶强化作用，对于本发明所述高塑性厚壁深海管线用平板而言，从精轧结束到开始加速冷却之间的长弛豫过程会造成组织软化，Cu的存在可以减少组织软化引起的强度损失，同时，Cu还可以提高耐蚀性，本发明将铜含量控制在0.11％～0.24％。

Cr：能提高奥氏体稳定性和淬透性，降低奥氏体相变温度，还有固溶强化作用，可以弥补Mo、Ni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；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，本发明将Cr含量控制在0.10％～0.20％。

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，本发明将酸溶铝的含量控制在0.015％～0.040％。

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，本发明将Ni含量控制在0.14％以下。

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，本发明将Mo含量控制在0.15％以下。

Mo+Ni+Cr+Cu：Mo+Ni+Cr+Cu总含量控制在0.31％～0.50％，一方面，可以有效保证强化效果，使钢板性能达到技术要求；另一方面，可以降低合金成本，控制碳当量CE_IIW和CE_Pcm，保证焊接性能。

P、S、O、H、N：作为有害元素P、S、O、H的含量越低越好；N含量控制在0.0021％～0.0049％可保证析出效果，同时，又避免过分影响钢板性能。本发明将P、S、O、H、N的含量分别控制为P≤0.010％、S≤0.0015％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、N：0.0021％～0.0049％。

Ca、Ca/S：Ca可促使夹杂物的变性，改善韧性，本发明将钙含量控制在0.0015％～0.0045％；Ca/S≥1.5可满足夹杂物变性要求，Ca含量过高会促进CaO-CaS的生成，反而对韧性不利。本发明将Ca/S的值控制在≥1.5。

本发明将碳当量CE_IIW控制在0.345％～0.390％，CE_Pcm控制在0.135％～0.165％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的可焊性。

本发明还公开了一种高塑性厚壁深海管线用平板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热矫、冷却；钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于10min，连铸坯浇注过热度12～25℃，连铸坯拉速0.8～1.4m/min，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，改善钢水成分和温度均匀性；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；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、加热段2、均热段，预热段加热温度400～800℃，加热段1加热温度1010～1180℃，加热段2加热温度1180～1220℃，均热段加热温度1170～1200℃；预热段加热时间不低于40min，加热段1和2段加热时间0.5～1.0min/mm，均热段加热时间50～80min，加热总时间1.0～1.5min/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。

粗轧开轧温度为1100～1150℃，粗轧终轧温度为1050～1090℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形率不小于51％，粗轧轧制速度1.5～2.5m/s；其中，粗轧纵轧最后2道次每道次变形率≥20％且2道次间的间隔时间≤15s；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，粗轧轧制速度的控制可以促进轧制变形向厚度中心的渗透，细化厚度中心晶粒；中间待温坯厚度2.6t～3.4t(t为成品钢板厚度)，精轧开轧温度为850～890℃，精轧终轧温度为800～830℃，精轧轧制速度2.5～4.0m/s；精轧阶段促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置，轧制速度的控制有利于改善钢板心部组织。

轧后钢板先进行热矫直再进行加速水冷，从轧制结束到开始冷却的弛豫时间40～120s，开始水冷冷却温度710～760℃，终冷温度350～430℃，下上冷却水量比1.5～2.5，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.2～0.7℃/s。钢板加速冷却前矫直可以提高钢板平直度，改善加速水冷均匀性，冷却前的弛豫过程可以促进多边形铁素体形成，提高塑性和韧性，水冷工艺可以促进硬相组织形成，满足钢板强度要求。

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30％～90％，使钢板具有良好的塑性和韧性、均匀的横纵向强度、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。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明以低C、低Mn为基础，充分利用Cr、Cu元素保证材料性能的同时，部分或全部替代贵重的Mo、Ni、V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)本发明利用钢板轧后热矫+弛豫+水冷的工艺，有效提高产品塑韧性，获得理想的微观组织结构，即以铁素体+贝氏体组织为主。铁素体可以使钢板获得良好的塑性和韧性，尤其是具有较高的均匀延伸率和优异的低温韧性；贝氏体组织可以保证钢板具体一定的强度；铁素体+贝氏体双相组织的搭配还可以满足低屈强比的需要。

(5)本发明生产的高塑性厚壁深海管线用平板的厚度≥33mm，横纵均匀延伸率U_EL≥12％，横向和纵向屈服强度可达到450～520MPa，横向和纵向抗拉强度达到565～650MPa，横纵向延伸率A_50mm≥50％，横纵向屈强比不超过0.82，-30℃横向冲击功≥350J，-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，铁素体体积百分比在30％～90％，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及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为实施例4的金相组织。包括铁素体+贝氏体双相组织。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明实施例钢的化学成分见表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；本发明实施例钢的拉伸性能见表6；本发明实施例钢的微观组织比例及韧性见表7；本发明实施例钢的耐腐蚀性能见表8。

表1本发明实施例钢的化学成分wt％

注：钢中H≤0.00015％、O≤0.0020％

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本发明实施例钢的轧制工艺

注：t为成品钢板厚度。

表5本发明实施例钢的冷却工艺

表6本发明实施例钢的拉伸性能

表7本发明实施例钢的微观组织比例及韧性

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本发明实施例钢的抗腐蚀性能

注：抗HIC试验溶液为NACE A溶液，腐蚀时间96小时。

由表可得，根据本发明生产的管线用平板，其横纵均匀延伸率U_EL＞13％，横向屈服强度≥470MPa，纵向屈服强度≥460MPa，横向抗拉强度≥590MPa，纵向抗拉强度≥580MPa，横纵向延伸率A_50mm≥60％，横纵向屈强比不超过0.82，-30℃横向冲击功平均值＞400J，-15℃横向DWTT剪切面积平均值≥88％，抗HIC腐蚀性能满足经96小时NACE A溶液腐蚀CSR、CLR、CTR均为0，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及10倍放大观察下无可视裂纹，具有良好的塑性、低温韧性、均匀的横纵向强度、低屈强比以及耐腐蚀性。

Claims (2)

1.一种高塑性厚壁深海管线用平板的生产方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.030％～0.055％、Si：0.16％～0.30％、Mn：1.36％～1.54％、Nb：0.05％～0.07％、Ti：0.008％～0.025％、Cu：0.11％～0.24％、Cr：0.10％～0.17％、Als：0.015％～0.040％、N：0.0021％～0.0049％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Ca：0.0015％～0.0045％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：2.8～5.4、Ca/S≥1.5，另外，钢中还含有Ni≤0.14％、Mo≤0.15％，且Mo+Ni+Cr+Cu控制在0.31％～0.50％，其余为Fe和不可避免的杂质；钢的碳当量CE_IIW控制在0.345％～0.390％，CE_Pcm控制在0.135％～0.165％，其中，CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+(Ni+Cu)/15，CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；

钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热矫、冷却；其中：

钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间≥10min，连铸坯浇注过热度12～25℃，连铸坯拉速为0.8～1.4m/min，连铸坯与成品钢板的厚度比控制在6.1～8.6；

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、加热段2、均热段，预热段加热温度400～800℃，加热段1加热温度1010～1180℃，加热段2加热温度1180～1220℃，均热段加热温度1170～1200℃；预热段加热时间不低于40min，加热段1和2段加热时间为0.5～1.0min/mm，均热段加热时间为50～80min，加热总时间为1.0～1.5min/mm；

粗轧开轧温度为1100～1150℃，粗轧终轧温度为1050～1090℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形率≥51％，粗轧轧制速度为1.5～2.5m/s；其中，粗轧纵轧最后2道次每道次变形率≥20％且2道次间的间隔时间≤15s；中间待温坯厚度2.6t～3.4t，其中t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为850～890℃，精轧终轧温度为800～830℃，精轧轧制速度2.5～4.0m/s；

轧后钢板先进行热矫直再进行加速水冷，从轧制结束到开始冷却的弛豫时间40～120s，开始水冷冷却温度710～760℃，终冷温度350～430℃，下上冷却水量比1.5～2.5，之后堆垛缓冷，缓冷冷速0.2～0.7℃/s。

2.如权利要求1所述的高塑性厚壁深海管线用平板的生产方法，其特征在于，钢板的厚度≥33mm。

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