CN110331333A - X80管线用大直径无缝钢管的管坯及其生产方法 - Google Patents

Abstract

X80管线用大直径无缝钢管的管坯及其生产方法，属于冶金工业的无缝钢管制造技术领域，将转炉铁水和废钢混合进行电炉冶炼，取得粗钢水；再将硅钛合金包芯线加入到钢水中进行硅钛氧化物反应；再将钢水进行造渣、脱硫，然后调整C、S含量，调整Si、Ti含量，取得精炼后的钢水；将精炼后的钢水通过浇注、拉伸，形成连铸圆管坯。该连铸圆管坯可用于生产天然气输送管线用大直径无缝钢管，其焊接性能好，低温韧性和抗腐蚀能性能优良。

Description

X80管线用大直径无缝钢管的管坯及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金工业的无缝钢管制造技术领域，特别涉及用于加工X80 钢级大直径无缝钢管的管形坯料的生产工艺。

技术背景

X80是高强度管线钢的美国石油学会分类型号，其最小屈服值为555 MPa。

随着我国天然气增长需求，管道建设领域内提高管道输送效率，降低能耗，减少投资和运营费用，长距离输送管线向高压、大口径、厚壁发展已成趋势。

例如现有在某些天然气输送管线上使用了规格为X80的大直径直缝焊管，其制造工艺为用宽幅钢板焊接成型，但现有的5米宽轧机已不能满足轧制要求，同时由于纵向焊缝的存在，在低温环境下（-45℃）焊缝的冲击性能不能满足要求，需要在整条管线外采用电阻丝缠绕，通过对电阻丝加热的方法提高管线的表面温度，这种运行方式增加了运行成本及维护管理的难度。另外为了满足地质条件差及人口密集的四类地区的要求，钢管的壁厚要增加到35mm以上，对于钢板的轧制及钢管的焊接成型具有一定的难度，到目前还没有解决，并且随着管道输送压力的提高，对钢管的耐压性能也进一步提高。

人们试图采用无缝钢管来替代以上有缝钢管，因为无缝钢线在形成管线时由于没有纵向直焊缝，只有对接环焊缝，因此其耐爆破止裂性能好，安全性高。但是对于输气主干线来说，为了提高输送量和安全性，提高用钢等级和设计安全系数是一个有效办法，然而1000mm以上直径的无缝管线还是个没有解决的难题，同时还存在制造成本的因素。

另外，已有的生产大直径无缝钢管的方法是对小直径坯料采用顶杆式扩管，过程是：将锥形顶头固定在顶杆上，将毛管套在顶杆外面，通过中频感应线圈对毛管的一端进行加热，当毛管的温度达到工艺要求时，启动工作油缸推动毛管通过顶头实现减壁、扩径，这种方法生产的钢管容易表面裂纹、管体开裂、壁厚不均，其内表面存在麻坑、管体发生弯曲变形，另外由于多次局部加热还会引起组织晶粒粗大而导致管体强度下降等质量缺陷。同时，其生产效率低，自动化程度低，不利于大规模高效生产。

发明内容

为解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种可用于生产X80管线用大直径无缝钢管的管坯，以使通过对该管坯进行加工形成的无缝钢管可以满足天然气长距离、高压力、大输送量、耐低温和安全性的需求。

本发明之X80管线用大直径无缝钢管的管坯的化学成分及重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质；管坯每米弯曲度≤6mm，总弯曲度不大于总长度的0.6%。

本发明改变了传统的钢管通过加入合金成分如Cr、Mo、V、Nb等贵重稀有金属来提高合金材料的强度的方法。本发明管坯采用较低的碳含量，通过加入微量的Ni等合金元素来提高低温冲击韧性，采用氧化物冶金法可显著提高合金材料的强度和低温韧性，以利于后续的无缝钢管的生产加工工艺。

本发明的第二目的是提出X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法。

本发明包括以下步骤：

1）将转炉铁水和废钢混合进行电炉冶炼后，取得粗钢水；

2）精炼炉中，将硅钛合金包芯线加入到粗钢水中进行硅钛氧化物反应；在所述硅钛氧化物反应过程中，保持钢水中氧含量为30～80ppm；

3）将钢水进行造渣、脱硫，然后调整C、S含量，调整Si、Ti含量，取得精炼后的钢水；所述精炼后的钢水中各成分的重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质；

4）将精炼后的钢水通过浇注、拉伸，形成直径为600～900mm的连铸圆管坯。

本发明在生产工艺中采用了氧化物（硅钛氧化物）——合金包芯线进行精炼钢水，控制夹杂物形貌、数量和分布。通过炼钢生产工艺过程的精细控制，能够使钢中夹杂物粉碎、细化而呈弥散分布的高熔点氧化物、硫化物或化学结构多样化的复合夹杂物，由于这类弥散分布的微细夹杂物粒子，在高温下能够有效钉扎和阻止奥氏体晶粒长大，改变奥氏体的固相转变行为，在后续的冷却相变过程中，能够诱导生成具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体或多位向贝氏体组织，这类多位向贝氏体的生成时间大约在4s左右，区别于同一结晶方位的普通类型贝氏体，这类多位向贝氏体具有细小的板条间隙及宽度，板条间呈大角度分布，在三维空间上形成交叉互锁的细密组织，这种组织具有很强的抵抗裂纹传播能力，因此可以同时提高合金管坯的强度、韧性和焊接性能。

本发明采用氧化物冶金控制夹杂物的形貌、数量和分布，可显著提高连铸管坯的强度、低温韧性，能满足API 5L PSL2级的X80 钢级要求。

对本工艺制成的管坯进行锯切下料、加热、穿孔、热轧、均整、定径、热处理、对钢管端部尺寸进行精整后，取得可用于天然气输送管线用的大直径无缝钢管，其焊接性能好，低温韧性和抗腐蚀能性能优良。

进一步地，本发明所述转炉铁水和废钢的混合质量比为4∶1。废钢重复使用或含有较多量的Sn、As、Pb等不易去除的有害元素，造成一些有害元素在钢中富集，使钢水质量下降。转炉铁水比控制在80%左右较为合适，转炉铁水增加电炉精炼的物理热和化学热，提高热效率，同时稀释钢液中的有害金属杂质元素含量。

在以上步骤1）中，还加入硅铁合金、硅锰合金，以及由石灰和碳粉组成的泡沫渣料，用于碱化调整粗钢水中P含量，使其含量≤0.010%。

所述合金包芯线中含硅10 wt %～20 wt %，含钛10 wt %～20 wt %。硅钛合金包芯线氧化物冶金法是近终型连铸改善夹杂物形态的重要手段，在X80级试验钢中采用氧化物冶金新工艺生成的氧化物MO₂（SiO₂,TiO₂），其熔点超过1750℃，其晶格常数和晶面距离与MnS非常相近，因此在高温变形过程中形成的长条形MnS夹杂物非常容易附着于MO₂粒子周围而呈球状分布。这种采用氧化物冶金新工艺生成的球状硫化锰复合夹杂物较传统钙处理生成的夹杂物具有更好的耐氢致裂纹（HIC）能力；高温下细小稳定的氧化物MO₂能够使钢中夹杂物粉碎、细化而呈弥散分布的高熔点氧化物、硫化物或化学结构多样化的复合夹杂物，由于这类弥散分布的微细夹杂物粒子，在高温下能够有效钉扎和阻止奥氏体晶粒长大，改变奥氏体的固相转变行为，在后续的冷却相变过程中，能够诱导生成具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体或多位向贝氏体组织，因此可以同时提高钢材的强度、韧性和焊接性能。因此，采用氧化物冶金新工艺能提高X80级大口径管线钢无缝管的耐氢腐蚀性能，同时还有望降低管道焊接过程中因氢渗透诱导的冷裂纹敏感倾向，大幅度提高管线钢的焊接性能，实现X80管线钢无缝管的大线能量或焊前免预热焊接。

所述合金包芯线和粗钢水的投料质量比为2～3∶1200。该质量比例保证包芯线中的硅钛正好与氧含量为30～80ppm完全反应完成，形成的夹杂物数量和形貌能均匀分布。

在步骤2）过程中，将钢水温度提升到1680～1780℃。喂线过程中，钢水温度提高，氧化物冶金发生反应，吸热，有利于调节氧含量在30～80ppm，同时短时间内生成的硅钛氧化夹杂物。

在步骤2）过程中，向钢水中通入搅拌速度为200～400L/min的氩气。该氩气的搅拌速度，可以快速促进硅钛氧化夹杂物的生成、细化和弥散分布，同时用来控制氧含量在30～80ppm范围内，有利于控制硅钛氧化夹杂物的数量。

为了取得目标钢水中各成分的含量，在造渣、脱硫后，先调整钢水中C、S含量，再调整钢水中Si、Ti含量。

调整钢水中C、S含量的方法是加入碳化硅、铝豆和Al线，或加入硅铁粉、铝豆和Al线。使钢水中C含量为0.08～0.12%，S含量为0～0.005%。

调整钢水中Si、Ti含量的方法是加入硅铁粉和钛铁粉。使钢水中Si含量为0.17～0.25%，Ti含量为0.005～0.020%。

C是铁水成为钢的必要元素，易与微合金元素形成M₂₃C₆复合碳化物，达到钢的析出强化和固溶强化目的；但是，如果C含量增加，对于管线钢的焊接性能恶化有明显作用，为保证现场焊接性能的碳当量和考虑连铸大圆坯的偏析问题，所以控制C质量分数在0.08～0.12%。

P和S一般在钢中是有害元素，增加钢的冷脆性，降低韧性，并且对焊接性能和耐蚀性能也不利，所以考虑尽可能控制P、S含量。但一味降低P、S含量，钢铁的冶炼成本会大幅增加，从性价比考虑，故设置P含量≤0.010%，S含量≤0.005%，并且P和S合计含量≤0.012%。

Cu ：0.16～0.20％，Ni ：0.18～0.22％，由于X80使用是压缩天然气，该天然气不可避免含水、H₂S等易引起腐蚀和氢致开裂的腐蚀性气体，加入Cu可以提高合金钢的强度和耐腐蚀性，Ni可以提高低温韧性，在碳当量CE计算公式中 (Cu+Ni)/15，当量相较于其他合金元素，对碳当量影响最小，故同时加入Cu、Ni在提高X80管线钢提高厚壁管线强度、耐腐蚀性、低温韧性和淬透性的同时，不影响现场焊接性能。

Ti是本X80钢的最为关键元素，在硅钛合金包芯线加入过程中，Ti元素与钢水中可以保持的30～80ppm游离氧快速发生氧化反应，形成圆形或椭圆形的TiO₂，而取代方形或菱形的尖锐的TiN，这样的氧化物在浇铸过程中钉扎在晶界处，在高温下能够有效钉扎和阻止奥氏体晶粒长大，改变奥氏体的固相转变行为，在后续的冷却相变过程中，能够诱导生成具有大角度晶粒取向的细密状针状铁素体或多位向贝氏体组织，因此可以同时提高钢材的强度、韧性和焊接性能。

Ti在精炼炉和真空炉中有一定的烧损，为保证TiO₂夹杂物的数量和弥散度，在精炼后期补Ti到0.025～0.030%，最终成品的Ti含量控制到0.005～0.020%，

在所述步骤4）中，拉伸速度为0.15米/分钟。对于直径为600～900mm的连铸圆钢坯，因为其截面较大，从表面凝固至中心的传热效果差，那么表面张力和固液界面的压应力共同作用，会导致铸坯裂纹产生。浇筑时保证液相线上过热度20℃～30℃，控制拉速在0.15米/分钟，可以有效控制冷却水量和各冷却段的均匀性，保证大截面的冷却均匀性，降低各段凝固不均造成的热应力集中而产生中间裂纹。

附图说明

图1为X80钢连铸圆管坯的夹杂物形貌和尺寸的500倍显微放大图。

图2为X80钢Ф1422mm×38.5mm成品管的500倍显微组织放大图。

具体实施方式

一、X80合金精炼水的准备：

1、采用80 wt %转炉铁水和20 wt %废钢进行电炉冶炼，向混合钢水中加入硅铁合金、硅锰合金，以及石灰和碳粉组成的泡沫渣料，保持炉渣的碱度为2～3，取得120吨粗钢水，并且粗钢水中P含量不超过0.006%。

2、精炼炉中，将粗钢水的温度升至1680～1700℃，或者以200～400L/min的搅拌速度将氩气通入粗钢水中，加大粗钢水的溶氧量，取得氧含量为30～80ppm的钢水。

3、采用硅钛氧化物冶金法，将硅钛合金包芯线加入到氧含量为30～80ppm的钢水。

以上合金包芯线的直径为13±1mm ，喂料速度为200～300m/min。可保证1分钟内包芯线投料完成，快速与钢水中的游离氧完成反应，而不形成其他氧化夹杂物。

另外，氧化物冶金过程中若发现钢水中氧含量低于25ppm时，可提高钢水温度到1680～1700℃或加大氩气搅拌速度至200～400L/min，将氧含量调整保持在30～80ppm范围内。

4、在步骤3的合金包芯线加完后，以氩气搅拌5分钟后，按正常钢包精炼炉（LF炉）造渣、脱硫，然后调整C、S成分至目标值，再调整Si、Ti成分至目标值，取得精炼后的钢水。

调整C的具体方法有两种：一种是：若C含量低于0.08%，则加入碳化硅和铝豆进行扩散脱氧，使钢水中C含量达到0.08%。另一种是：若C含量高于0.10%，则加入硅铁粉和铝豆进行扩散脱氧，使钢水中C含量降低到0.08%。

调整S的具体方法也有两种：一种是：加入碳化硅和铝豆进行扩散脱氧，同时喂入Al线沉淀脱氧，使钢水中S含量为0.003%。另一种是：加入硅铁粉和铝豆进行扩散脱氧，同时喂入Al线沉淀脱氧，使钢水中S含量为0.003%。

调整Si的具体方法：加入硅铁粉，使钢水中Si含量达到0.21%。

调整Ti的具体方法：加入钛铁粉，使钢水中Ti含量达到0.015%。

5、取以上精炼后的钢水进行成份分析，各元素含量如表1所示。

表1化学成分表 （单位：wt%）

从以上元素的含量可见，钢水成份符合X80钢标准要求。

二、连铸圆管坯生产工艺：

将以上精炼后的钢水浇铸成实心的外径为φ800mm的连铸圆管坯。

其中连铸过程控制电磁搅拌，拉速在0.15米/分钟。

对连铸圆管坯料的夹杂物形貌和尺寸控制情况采用ASTM E45-2013《钢中夹杂物含量的测定—标准检验法》和GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定--标准评级图显微检验法》进行检验。

图1反映出连铸圆管坯料的夹杂物形貌和尺寸控制情况。夹杂物形貌控制为圆形或椭圆形，最大直径为9.64µm，最小直径为0.1µm，均匀弥散分布，分布数量500～10000个/mm²。

另外，在连铸圆管坯的氧含量为30～80ppm。

管坯每米弯曲度≤6mm，总弯曲度不大于总长度的0.6%。

三、无缝管线管生产工艺：

1、以锯床对连铸圆坯材料进行锯切下料，下料长度：3850±10mm。

2、管坯用深孔钻床打定心孔，定心孔直径为100mm。

3、管坯进入环形炉加热，加热至温度达到1220±20℃。

4、管坯用Ф900穿孔机行穿孔，轧制到外径为Ф960mm，壁厚为52.5 mm，长度为12740mm。

尺寸公差：直径D：±10mm；壁厚S：±4mm；长度L：±100mm。

5、利用余热进行对穿孔后的毛管进行轧制，取得荒管。

荒管的外径为Ф1300 mm，壁厚为46mm。

6、利用余热对荒管进行均整轧制，轧制到荒管的外径为Ф1550 mm，壁厚为41mm。

7、在Ф1422定径机上利用余热对荒管进行定径轧制，得到外径为Ф1432 mm，壁厚为39mm的半制品。

8、采用在线淬火热处理，温度控制在850℃以上，以水为淬火液对半制品Ф进行双面淬火，淬火后，进行回火，回火温度630～680℃。

热处理后取无缝钢管试样环加工样品后按照API 5L进行性能试验，晶粒度8～9级，组织为针状铁素体+贝氏体，晶粒内弥散分布碳化物颗粒，其余各性能参数如表2所示。

表2

9、在距离管端100mm范围内对无缝钢管进行外径、壁厚和椭圆度的精整工艺，管端直径公差为±2mm，壁厚公差为±2mm，椭圆度≤0.6%D，精整总变形率≤1.5%。

10、对无缝钢管进行矫直，并对内外表面进行打磨。

内磨工艺要求：打磨后不得有折叠、裂纹、划痕、结疤、麻坑、凹凸缺陷及黑皮存在。

经过以上工艺，取得了X80合金钢材、外径为Ф1422mm，厚度为38.5mm的无缝钢管。

经检测，无缝钢管的屈服强度580～680MPa，抗拉强度680～800MPa，屈强比≤0.93，夏比V 型-46℃横向全尺寸冲击功≥ 175J，落锤撕裂性能：最小剪切面积≥ 85%，硬度≤280HV10。

11、从图2的成品无缝钢管的500倍显微组织放大图可见：X80的显微组织为晶粒度粒度8～9级，组织为多边形针状铁素体+多位向贝氏体，晶粒内弥散分布碳化物颗粒。

这也说明了本发明提供的X80钢管坯可用于生产X80管线用大直径无缝钢管，并且无缝钢管可以满足天然气长距离、高压力、大输送量、耐低温和安全性的需求，并且使用时无须在管线外缠绕对钢管进行加热的电阻丝，可以大大节省该输送管线的运营成本。

Claims (10)

1.X80管线用大直径无缝钢管的管坯，其特征在于所述管坯的化学成分及重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质；管坯每米弯曲度≤6mm，总弯曲度不大于总长度的0.6%。

2.如权利要求1所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将转炉铁水和废钢混合进行电炉冶炼后，取得粗钢水；

2）精炼炉中，将硅钛合金包芯线加入到粗钢水中进行硅钛氧化物反应；在所述硅钛氧化物反应过程中，保持钢水中氧含量为30～80ppm；

3）将钢水进行造渣、脱硫，然后调整C、S含量，调整Si、Ti含量，取得精炼后的钢水；所述精炼后的钢水中各成分的重量百分比为C：0.08～0.12%、Si：0.17～0.25%、Mn：1.45～1.55%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cr：0～0.15%、Ni：0.18～0.22%、Cu：0.16～0.20%、V：0～0.03%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质；

4）将精炼后的钢水通过浇注、拉伸，形成直径为600～900mm的连铸圆管坯。

3.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于所述转炉铁水和废钢的混合质量比为4∶1。

4.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在电炉冶炼时，还加入硅铁合金、硅锰合金，以及由石灰和碳粉组成的泡沫渣料，取得P含量为0～0.010%的粗钢水。

5.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于所述硅钛合金包芯线中含硅10 wt %～20 wt %，含钛10 wt %～20 wt %；所述硅钛合金包芯线和粗钢水的投料质量比为2～3∶1200。

6.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在步骤2）中，将钢水温度提升到1680～1700℃。

7.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在步骤2）中，向钢水中通入搅拌速度为200～400L/min的氩气。

8.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在步骤3）中，调整钢水中C、S含量的方法是加入碳化硅、铝豆和Al线，或加入硅铁粉、铝豆和Al线。

9.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在步骤3）中，调整钢水中Si、Ti含量的方法是加入硅铁粉和钛铁粉。

10.根据权利要求2所述X80管线用大直径无缝钢管的管坯的生产方法，其特征在于在所述步骤4）中，拉伸速度为0.15米/分钟。