CN110016614B

CN110016614B - 深海钻井隔水管用x80热轧钢板及其制备方法

Info

Publication number: CN110016614B
Application number: CN201910334949.8A
Authority: CN
Inventors: 李少坡; 张海; 丁文华; 李战军; 王志勇; 马长文; 白学军; 田士平
Original assignee: Shougang Corp
Current assignee: Shougang Corp
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: CN110016614A

Abstract

本发明提供了一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板及制备方法，化学成份重量百分比为：C：0.056～0.064％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.66～1.77％，P：≤0.009％，S：≤0.002％，Alt：0.02～0.04％，Nb：0.051～0.065％，Ti：0.011～0.017％，Ni：0.10～0.14％，Cr：0.19～0.21％，Cu：0.10～0.14％，Mo：0.10～0.13％，N：≤0.004％，CEPcm：0.17～0.19％，余量为Fe和不可避免杂质元素；首先采用高品质连铸坯，A/B/C/D类非金属夹杂物控制在1.5级以内，钢坯采用低温轧制工艺，中间坯进行加速冷速，钢板轧后进行冷却，获得针状铁素体和少量准多边形铁素体组织。优点在于，高强度、高韧性、各向异性小、强度均匀、抗断裂、抗疲劳、焊接性能优异。

Description

深海钻井隔水管用X80热轧钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于海洋立管技术领域，具体涉及一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板及其制备方法。

背景技术

在石油天然气钻采业中，陆上油气田已逐步进入开采的中后期，勘探开发难度增大，成本升高。海洋油气资源的勘探开发时不我待，越来越重要。海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60％，而大陆坡的深水、超深水域的油气资源也很可观，约占30％。大陆架浅水区的油气资源勘探开发起步较早，目前需要将储量开发延伸至海上深水远景区。深水区域油气资源勘探开发对水上平台、水下钻采设备提出了更高的要求，深水海域油气资源利用也面临着重大的技术难题。围绕着建设海洋强国的目标，国家对海洋的支持力度正在加大。开发深海资源，维护主权利益，海洋工程材料则发挥着关键的作用，但现实的窘境是材料问题已成为我国海洋工程装备发展中的重要瓶颈。

钻井隔水管系统从钻井平台一直延伸到水下防喷器，形成钻井液的循环通道，其主要作用是隔离海水，支撑各种控制管线(主要包括节流和压井管线、钻井液补充管线、液压传输管线等)，吊装水下防喷器，为钻杆、钻具顺利下入井口提供导向。隔水管作为海洋工程结构的一个重要组成结构，其处于风、浪、流、海水腐蚀、深海低温、深水高压等极其恶劣环境下，对材料提出了更高的要求。隔水管需要采用国际标准API Spec 5L和DNV-OS-F101制造以便保证隔水管的安全性。目前深海钻井隔水管技术仅掌握在美国、挪威、日本等国。

深海钻井隔水管受水深、波浪、海流的影响很大，长期服役会造成隔水管的疲劳损伤，现行一般选用API X80钢级，采用直缝埋弧焊钢管，屈服强度为80Kpsi，产品生产技术难度很大，材料要求具备高强度、高韧性、高洁净度、耐疲劳损伤、高强度均匀性、各向异性小、高尺寸精度，以及优良的焊接性能。我国尚无成熟的钢铁品种供东海和南海安全服役，急需研发深海钻井隔水管用钢。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板及其制备方法，该材料具备高强度、高韧性、各向异性小、强度均匀、抗断裂、抗疲劳，以及良好焊接性能，适用于海洋深水石油、天然气钻井工程用立管的建设，大幅降低了钻井立管发生断裂的风险。

本发明第一方面提供了一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板，以质量百分比计，所述钢板化学成份包括：C：0.056～0.064％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.66～1.77％，P：≤0.009％，S：≤0.002％，Alt：0.02～0.04％，Nb：0.051～0.065％，Ti：0.011～0.017％，Ni：0.10～0.14％，Cr：0.19～0.21％，Cu：0.10～0.14％，Mo：0.10～0.13％，N：≤0.004％，余量为Fe和不可避免杂质元素；并且按公式<1>计算CEPcm：0.17～0.19％；

其中，所述公式<1>为：

所述深海钻井隔水管用X80热轧钢板的化学组成及含量配比直接影响产品性能，其中：

C元素通过固溶强化提高材料的强度性能，碳含量的高低对强度性能、低温韧性和焊接性能影响较大。本发明经过大量的试验证明，C含量控制在0.056～0.064％窄范围内，才能得到窄范围的强度性能控制，以及稳定的-30℃的夏比冲击、落锤DWTT、CTOD性能，以及良好的焊接性能。

Mn元素能够显著提高强度性能，Mn含量太低，材料的抗拉强度不够，Mn含量太高，焊接性能、低温韧性降低。因此，本发明经过大量试验得出，Mn控制在1.66～1.77％窄范围，既保证材料的强度水平，又不恶化焊接性能和低温韧性，还能得到均匀的强度性能，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能。

P、S元素是钢中杂质元素，且易偏析，影响连铸坯内部质量，P、S含量越低越好，为了获得良好的低温韧性和焊接性能，本发明进行了大量试验，发现杂质元素控制在P：≤0.009wt％，S：≤0.002wt％，才能得到稳定的-30℃的夏比冲击、落锤DWTT和CTOD性能。

Nb元素有固溶强化和细化晶粒的作用，可以提高强度性能和低温韧性，因此本发明中Nb含量控制在0.051～0.065％窄范围内，可以得到均匀的强度性能，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能。

Ti元素在本发明中进行了大量试验，发现：当Ti含量大于0.017wt％时，颗粒尺寸较大的TiN粒子会影响材料的低温韧性和焊接性能等。因此本发明中Ti含量控制在0.011～0.017wt％窄范围内，可以得到均匀的强度性能，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能和焊接性能。

Ni、Cr、Cu、Mo元素既能提高钢的强度，又能提高钢的低温韧性，最重要的是这些合金元素的添加可以保障焊接性能的稳定性。但过多的合金元素会大幅增加成本。因此，本发明进行了大量试验，发现当控制Ni：0.10～0.14％，Cr：0.19～0.21％，Cu：0.10～0.14％，Mo：0.10～0.13％窄范围内，材料可以得到均匀的强度性能，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能，最重要的是材料的焊接性能优异、稳定，Ni、Cr、Cu、Mo元素的复合添加可以有效保证制管埋弧焊和环缝焊的焊缝、热区夏比冲击功均≥100J，如果不添加或者少添加这些元素，焊接性能会出现较大波动。

碳当量CEPcm是提高材料的强度，保证材料的低温韧性、焊接性能的核心，碳当量CEPcm太高，强度高，但韧性差、焊接差，碳当量CEPcm太低，则强度低。因此，本发明进行了大量试验，发现当碳当量控制在CEPcm：0.17～0.19％窄范围内，强度性能均匀，低温韧性好，尤其是焊接性能优异。

优选的，上述深海钻井隔水管用X80热轧钢板具备如下微观组织结构：以体积百分比计，90～98％针状铁素体组织和2～10％准多边形铁素体组织，铁素体晶粒尺寸1～3μm。

更加优选的，所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板的力学性能优异，具体体现在：

强度均匀：钢板横向屈服强度：555～615MPa，抗拉强度：625～700MPa；钢板纵向屈服强度：555～615MPa，抗拉强度：625～700MPa；钢板头尾屈服强度差值≤40MPa；钢板横向和纵向屈服强度差值≤30MPa；

低温韧性好：钢板横向-30℃夏比冲击功≥400J，冲击剪切面积≥90％；钢板-30℃落锤DWTT试样剪切面积≥85％；钢板-30℃时CTOD值在0.40mm以上；

焊接性能好：埋弧焊和环缝焊的焊缝和热区-10℃夏比冲击功≥100J；

加工性能好：钢板经JCOE或UOE制管后，钢管屈强比≤0.90；

其它优势：钢板不平度≤4mm/m；钢板按Ф1.6mm平底孔探伤检测合格；钢板抗动载疲劳性能优异。

本发明第二方面提供了上述深海钻井隔水管用X80热轧钢板的制备方法，步骤包括：

S1、采用高品质连铸工艺，连铸坯中心偏析控制在C类1.0级以内，A/B/C/D类非金属夹杂物控制在1.5级以内，窄成分控制Pcm：0.17～0.19％；得到满足化学成分要求的铸坯；

S2、将铸坯低温轧制，中间坯待温阶段对中间坯进行加速冷却，平均冷速2～5℃/s，减少待温时间，抑制晶粒长大；

S3、钢板轧后冷却，开冷温度760～780℃，终冷温度为430～450℃，获得针状铁素体和少量准多边形铁素体组织。

本发明采用高品质连铸工艺，连铸坯中心偏析控制在C类1.0级以内，A/B/C/D类非金属夹杂物控制在1.5级以内，窄成分控制Pcm：0.17～0.19％；大量试验表明，这是生产深海钻井隔水管X80热轧钢板的前提，窄的成分控制可以得到均匀的强度性能，良好的中心偏析和夹杂物控制水平可以得到稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能，以及良好的焊接性能、抗动态疲劳性能，以及优异的探伤性能。

进一步的采用低温轧制工艺，中间坯待温阶段，对中间坯进行加速冷却，减少待温时间，抑制晶粒长大；该轧制工艺的优点是：提高生产效率，避免高温待温时间过长；细化晶粒，低温轧制实现更好的细化效果，获得充分压扁硬化的奥氏体晶粒，为后续相变细化晶粒提供更多的形核点；窄的轧制工艺窗口可以得到窄范围的强度性能控制，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能、抗动态疲劳性能。

钢板轧后进行冷却，窄的冷却工艺窗口可以得到特定微观组织结构，得到窄范围的强度性能控制，以及稳定的-30℃的DWTT、CTOD性能、抗动态疲劳性能，以及良好的钢板板形，提高用户制管的尺寸精度。

优选的，所述低温轧制包括粗轧和精轧，粗轧结束温度在980～1020℃，精轧结束温度800～820℃。

优选的，上述方法得到到钢板制管工艺步骤为，步骤S4：将步骤S3所得钢板通过JCOE或UOE扩径焊管生产线制管，扩径率0.40～0.80％。适当的扩径率避免制管过程屈服强度上升过高，可以获得良好的屈强比。

更加优选的，步骤S4中，埋弧焊焊接热输入30～45KJ/cm，环缝焊焊接热输入10～20KJ/cm。合理的焊接热输入，可以保证制管埋弧焊和环缝焊的焊缝、热区夏比冲击功均≥100J。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过对化学成分、生产工艺和显微组织的创新，实现了高强度、窄强度范围控制(头尾屈服强度差≤40MPa)、横纵向屈服强度异性小(≤30MPa)，以及稳定的-30℃的夏比冲击功、落锤DWTT、CTOD性能，以及良好的探伤性能、抗动态疲劳性能。并且钢板在下游用户制管过程中，可加工性和可焊接性优异，钢板经JCOE或UOE制管后屈强比≤0.90，钢管埋弧焊和环缝焊的焊缝、热影响区夏比冲击功均≥100J，降低了深海钻井隔水管发生服役过程断裂的风险，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明深海钻井隔水管用X80连铸坯的中心偏析图(C类0.5级)。

图2为本发明深海钻井隔水管用X80热轧钢板的夹杂物控制示意图(0.5级)。

图3为本发明深海钻井隔水管用X80热轧钢板的金相组织图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

下面将结合五个具体实施例对本发明提供的深海钻井隔水管用X80热轧钢板及其制备方法进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板的制备方法，步骤包括：

1)采用高品质连铸工艺，连铸坯中心偏析控制在C类1.0级以内，A/B/C/D类非金属夹杂物控制在1.5级以内，窄成分控制Pcm：0.17～0.19％；得到满足化学成分要求的铸坯，具体化学成分如表1所示，其中，CE_Pcm按公式<1>计算：

2)采用低温轧制工艺轧制，所述轧制工艺包括粗轧和精轧；中间坯待温阶段，对中间坯进行加速冷却，减少待温时间，抑制晶粒长大；

3)钢板轧后进行冷却，获得细小、均匀的针状铁素体+少量准多边形铁素体的组织；

4)钢板通过JCOE或UOE扩径焊管生产线制管。

在上述工艺过程中涉及到的具体工艺条件如表2所示，所述工艺条件包括中心偏析等级、非金属夹杂物等级、粗轧精轧结束温度、中间坯加速冷却的冷速、钢板冷却的开冷温度和终冷温度、制管的扩径率及焊接热输入条件。

在上述工艺中，关键工艺参数已在表2中列出，制备过程中涉及到的其他工艺参数及细节按照技术人员熟知的常规工艺处理，此处不再赘述。

将上述工艺制备得到的深海钻井隔水管用X80热轧钢板及制备得到的管线进行性能测试，结果如表3所示。

实施例2-5

本发明进一步提供了实施例2-5，实施例2-5分别提供了一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板的制备方法，其具体步骤与实施例1基本一致，通过控制连铸坯中心偏析和非金属夹杂物，然后连铸坯经过粗轧、精轧、冷却等工序，钢板获得细小、均匀的针状铁素体+少量准多边形铁素体的组织。与实施例1的区别在于钢板的化学组份及部分工艺参数，具体如表1和表2所示。

将实施例2-5得到的深海钻井隔水管用X80热轧钢板及制备得到的管线进行性能测试，结果如表3所示，实施例2-5产品的力学性能与实施例1基本一致，具备高强度、高韧性、高洁净度、耐疲劳损伤、高强度均匀性、各向异性小、高尺寸精度，探伤性能好，以及优良的焊接性能。

表1钢板化学成分表(wt％)

表1中化学成分含量均为重量百分比，余量为Fe和不可避免杂质元素。

表2制备工艺参数表

表3产品力学性能表

从表3可见，实施例1～5生产的深海钻井隔水管用X80热轧钢板，均表现出高强度、窄强度范围控制(头尾屈服强度差≤40MPa)、各向异性小(横纵向屈服强度差≤30MPa)，以及稳定的-30℃的夏比冲击功、落锤DWTT、CTOD性能，以及良好的探伤性能、抗动态疲劳性能，并且钢板在下游用户制管过程中，可加工性和可焊接性优异，钢板经JCOE或UOE制管后屈强比≤0.90，钢管埋弧焊和环缝焊的焊缝、热影响区-10℃夏比冲击功均≥100J，降低了深海钻井隔水管发生服役过程断裂的风险。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种深海钻井隔水管用X80热轧钢板，其特征在于：以质量百分比计，所述钢板化学成份包括：C：0.056～0.064％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.66～1.77％，P：≤0.009％，S：≤0.002％，Alt：0.02～0.04％，Nb：0.051～0.065％，Ti：0.011～0.017％，Ni：0.10～0.14％，Cr：0.19～0.21％，Cu：0.10～0.14％，Mo：0.10～0.13％，N：≤0.004％，余量为Fe和不可避免杂质元素；并且按公式<1>计算CEPcm：0.17～0.19％；

其中，所述公式<1>为：

所述深海钻井隔水管用X80热轧钢板的制备方法，步骤包括：

S1、采用连铸工艺，连铸坯中心偏析控制在C类1.0级以内，A/B/C/D类非金属夹杂物均控制在1.5级以内，窄成分控制CEPcm：0.17～0.19％；得到满足化学成分要求的铸坯；

S2、将铸坯低温轧制，中间坯待温阶段对中间坯进行加速冷却，平均冷速2～5℃/s；

S3、钢板轧后冷却，开冷温度760～780℃，终冷温度为430～450℃；

所述钢板微观组织为：以体积百分比计，90～98％针状铁素体组织和2～10％准多边形铁素体组织，铁素体晶粒尺寸1～3μm。

2.如权利要求1所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板，其特征在于：所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板的力学性能为：钢板横向屈服强度：555～615MPa，抗拉强度：625～700MPa；钢板纵向屈服强度：555～615MPa，抗拉强度：625～700MPa；钢板头尾屈服强度差值≤40MPa；钢板横向和纵向屈服强度差值≤30MPa；钢板横向-30℃夏比冲击功≥400J，冲击剪切面积≥90％；钢板-30℃落锤DWTT试样剪切面积≥85％；钢板-30℃时CTOD值在0.40mm以上；钢板不平度≤4mm/m；钢板按Ф1.6mm平底孔探伤检测合格；制管后屈强比≤0.90，焊缝和热区-10℃夏比冲击功≥100J。

3.如权利要求1所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板，其特征在于：所述低温轧制包括粗轧和精轧，粗轧结束温度在980～1020℃，精轧结束温度800～820℃。

4.如权利要求1所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板，其特征在于：还包括步骤S4：将步骤S3所得钢板通过JCOE或UOE扩径焊管生产线制管，扩径率0.40～0.80％。

5.如权利要求4所述的深海钻井隔水管用X80热轧钢板，其特征在于：步骤S4中，埋弧焊焊接热输入30～45KJ/cm，环缝焊焊接热输入10～20KJ/cm。