CN110629109B - 一种特大口径厚壁uoe直缝埋弧焊管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管及其制造方法,该焊管的化学成分重量百分比为:0.025%≤C≤0.049%,0.05%≤Si≤0.19%,1.55%≤Mn≤1.95%,P≤0.015%,S≤0.003%,0.10%≤Cr+Mo≤0.35%,0.015%≤Nb≤0.080%,0.005%≤Ti≤0.014%,0.05%≤Ni≤0.40%,0.02%≤Al≤0.04%,0.001%≤Ca≤0.004%,N≤0.008%,O≤0.002%,其余为Fe以及不可避免的杂质。经C、U、O成型及预焊、内焊、外焊、扩径(E成型)等工序,可制造外径为
Description
技术领域
本发明属于低合金热轧厚板及直缝焊管制造领域,具体涉及一种特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管及其制造方法。
背景技术
管道输送具有高效、安全、可靠、经济、单向、连续等诸多优点,已成为目前长距离输送石油天然气等物体的重要输送方式。为提升管道输送能力,在提高管材强度级别的基础上,增加管材规格或提高输送压力,是最为经济高效的途径,但同时对管道低温韧性及焊接性提出高的要求,以保障管道服役安全。
X70、X80钢级是我国当前应用范围最为广泛的高强度管线钢。2004年我国首次大规模采用X70管线钢,成功应用在西气东输管道工程,该工程全线采用1016mm口径埋弧焊管,设计产能为170亿m3/年。2007年以来,我国开始铺设西气东输二线管道工程,4300公里主干线全线采用18.4~27.5mm厚规格X80管线钢管,管道口径达到1219mm,可实现300亿m3/年的输送能力,使我国管道建设进入世界一流水平。随后,1219mm口径厚壁X80管线钢管在西气东输三线等工程得到进一步推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管及其制造方法,制造的厚壁大口径直缝埋弧焊管外径为壁厚为20.0~35.0mm,具有高强度、高韧性和优良焊接性能的匹配,保障管道服役安全,可用于天然气长距离高压输送管道建设。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明在成分上采用超低C、Nb微合金化、Cr/Mo低合金化及微Ti处理固氮改善焊接性的设计,通过钙处理技术控制夹杂物的形态;在钢板热轧方面,通过采用粗轧道次大压下工艺控制,解决钢板宽度增加带来的宽展比过大及道次压下不足问题,并采用控制轧制和加强冷却的工艺技术,以获得最佳的组织,使钢的显微组织以细化贝氏体组织转变产物为特征,获得高强度、高韧性、又能保证焊接所要求的合适碳含量的管线钢板及其焊管。
一种特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管用钢板,其化学成分重量百分比为:0.025%≤C≤0.049%,0.05%≤Si≤0.19%,1.55%≤Mn≤1.95%,P≤0.015%,S≤0.003%,0.10%≤Cr+Mo≤0.35%,0.015%≤Nb≤0.080%,0.005%≤Ti≤0.014%,0.05%≤Ni≤0.40%,0.02%≤Al≤0.04%,0.001%≤Ca≤0.004%,N≤0.008%,O≤0.002%,其余为Fe以及不可避免的杂质。
进一步,本发明所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管用钢板的化学成分中还含有0<Cu≤0.30%,以重量百分比计。
所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管用钢板的横向屈服强度:485~650MPa;横向抗拉强度:570~825MPa;钢板横向冲击功:-20℃下AKv≥280J,FA%>90%;DWTT性能:-15℃下SA%>85%。
本发明所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管用钢板获得的特大口径厚壁直缝埋弧焊管,其化学成分重量百分比为:0.025%≤C≤0.049%,0.05%≤Si≤0.19%,1.55%≤Mn≤1.95%,P≤0.015%,S≤0.003%,0.10%≤Cr+Mo≤0.35%,0.015%≤Nb≤0.080%,0.005%≤Ti≤0.014%,0.05%≤Ni≤0.40%,0.02%≤Al≤0.04%,0.001%≤Ca≤0.004%,N≤0.008%,O≤0.002%,其余为Fe以及不可避免的杂质。
进一步,本发明所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管的化学成分中还含有0<Cu≤0.30%,以重量百分比计。
所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管管体横向屈服强度:485~650MPa;横向抗拉强度:570~825MPa;冲击功:-20℃下AKv≥250J,FA%>90%;焊缝冲击功:-20℃下AKv≥80J;热影响区冲击功:-20℃下AKv≥120J;管体DWTT性能:-10℃下SA%>85%。
在本发明的成分设计中:
碳(C):最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体,起固溶强化的作用,与强碳化物形成元素形成碳化物析出,则起到沉淀强化的作用。但C含量太高,影响Nb的固溶,对钢的韧性和焊接性能不利;C含量太低,降低钢的强度。因此,本发明控制C含量在0.025~0.049%。
硅(Si):固溶强化元素,同时也是钢中的脱氧元素,但Si含量过高会恶化钢材的焊接性能,同时不利于轧制过程中热轧氧化铁皮去除。因此,本发明控制Si含量在0.05~0.19%。
锰(Mn):Mn通过固溶强化提高钢的强度,是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要、经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素,可降低钢的γ→α相变温度,有助于获得细小的相变产物,可提高钢的韧性;Mn含量太低起不到晶粒细化作用;但Mn是易偏析元素,当Mn含量过高时,易在板厚中心偏析,轧制完成后生成硬相马氏体组织,降低材料的低温韧性和抗动态撕裂性能。因此,本发明中Mn含量限定为1.55~1.95%。
铬(Cr)、钼(Mo):均是提高钢的淬透性的重要元素,确保厚规格钢板全厚度的组织及性能均匀性,两者可以同时使用或选择使用,但两者总含量需在合适的范围内。Cr+Mo含量低于0.1%时,钢的淬透性不足,在控扎后加速冷却过程中,由于钢板的厚度较厚,导致钢板表面和芯部的冷速不一致,相变生成不同类型的显微组织,从而恶化钢的性能;Cr+Mo含量高于0.35%时,钢的碳当量会显著上升,会严重恶化焊接性,同时在快速冷却过程中,易生成低温相变组织且MA(Martensite-Austenite)组元的含量显著增加,从而有损钢的低温韧性。因此,本发明中Cr+Mo总含量应限定在0.10~0.35%范围内。
铜(Cu)、镍(Ni):可通过固溶强化作用提高钢的强度,Cu还可改善钢的耐蚀性;Ni为必须添加元素,Ni的加入即可改善Cu在钢中易引起的热脆性,同时能降滑移低层错能,对厚规格管线钢的韧性十分有益;同时Ni还能起到一定的固溶强化效果,提高钢的强度,达到高强度高韧性的效果。因此,本发明控制Cu含量≤0.3%;Ni含量为0.05~0.4%。
铌(Nb):Nb是低碳微合金钢的重要元素之一,热轧过程中固溶的Nb应变诱导析出形成Nb(N,C)粒子,钉扎晶界抑制形变奥氏体的长大并抑制再结晶的发生,经控制轧制和控制冷却使形变奥氏体相变为具有高位错密度的细小的产物。固溶的Nb在冷却终止后以第二相粒子NbC在基体内弥散析出,起到析出强化作用。尤其对于厚规格管线钢而言,太低的Nb含量弥散析出效果不明显,起不到细化晶粒、强化基体作用;Nb含量太高的情况下,由于抑制了钢板芯部再结晶的发生,不利于晶粒细化。因此,本发明中Nb含量限定在0.015~0.080%。
钛(Ti):是一种强烈的碳氮化物形成元素,Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大,在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN可有效抑制奥氏体晶粒长大。另外在焊接过程中,钢中的TiN粒子能显著阻止热影响区晶粒长大,从而改善钢板的焊接性能,同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。因此,本发明中Ti含量控制在0.005~0.014%。
氮(N):在微合金化钢中,适当的氮含量可以通过形成高熔点的TiN粒子,起到抑制再加热过程中板坯晶粒粗化的作用,改善钢的强韧性。但当N含量过高时,时效后高浓度的自由N原子钉扎位错,使屈服强度明显提高,同时有损韧性。因此,本发明中控制N≤0.008%。
硫、磷(S、P):S、P是钢中不可避免的杂质元素,希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制,同时控制P含量在150ppm以下,可保证发明钢具有良好的低温冲击韧性。
钙(Ca):通过Ca处理可以控制硫化物的形态,改善钢板的各向异性,提高低温韧性,为确保最佳效果Ca的控制范围为0.001~0.004%。
铝(Al):是为了脱氧而加入钢中的元素,添加适量的Al有利于细化晶粒,改善钢材的强韧性能,本发明中Al含量控制范围为0.02~0.04%。
本发明所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管用钢板的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼及精炼
按照上述化学成分进行冶炼及精炼,采用转炉或电炉冶炼,精炼包括LF+RH工序;
2)连铸
连铸坯厚度/成品厚度≥10,成品钢板宽度/连铸坯宽度≤2.1;
3)加热
加热温度为1050~1150℃;
4)轧制
中间坯厚3.5t~6t,t为成品钢板厚度;粗轧单道次压下率≥10%;精轧开轧温度≤900℃,精轧终轧温度为740~860℃。
5)冷却
控制冷却速率10~40℃/s,停冷温度为250~450℃。
另外,本发明还提供所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼及精炼
按照上述化学成分进行冶炼及精炼,采用转炉或电炉冶炼,精炼包括LF+RH工序;
2)连铸
连铸坯厚度/成品厚度≥10,成品钢板宽度/连铸坯宽度≤2;
3)加热
加热温度为1050~1150℃;
4)轧制
中间坯厚3.5t~6t,t为成品钢板厚度;粗轧单道次压下率≥10%;精轧开轧温度≤900℃,精轧终轧温度为740~860℃;
5)冷却
控制冷却速率10~40℃/s,停冷温度为250~450℃;
6)成型焊接
采用C成型+U成型+O成型+焊接将钢板焊接成钢管,对钢管全长进行扩径以满足钢管的最终管型要求,控制O成型工艺的压缩率为0.16~0.22%,扩径的扩径率为0.7~1.2%。
上述步骤(2)中控制连铸坯厚度/成品厚度≥10,成品钢板宽度/连铸坯宽度≤2.1:板坯纵向轧制时的累积压下量越大越有利于钢板芯部组织充分变形,从而达到晶粒细化的目的。当连铸坯厚度/成品厚度<10,累积变形不充分,使得钢板表面和芯部组织出现较大差异,有损钢的韧性;同样当成品钢板宽度/连铸坯宽度>2.1倍时,由于宽展压下大,导致有效的纵向压下量减少,从而导致钢板芯部组织粗化,有损韧性。
本发明上述钢板的制造工艺中控制步骤(3)板坯加热温度为1050~1150℃:对于本发明钢成分体系,加热温度低于1050℃时,合金元素Nb无法完全固溶,无法发挥晶粒细化和析出强化的效果,且Cr、Mo等元素无法完全固溶,无法发挥提升淬透性和相变控制的效果;若加热温度高于1150℃,再热奥氏体晶粒显著粗化,部分晶粒出现异常长大,使得后续轧制过程中由于组织遗传效益导致相变后晶粒粗大和不均匀,从而降低钢的低温韧性。
上述步骤(4)中粗轧单道次压下量需≥10%:粗轧单道次压下量低于10%,则无法保证钢的芯部变形奥氏体发生完全再结晶,导致相变后产生混晶组织,恶化钢的低温韧性。
本发明上述步骤(5)控制冷却速率10~40℃/s:冷却速率低于10℃/s时,相变产生珠光体+铁素体为主的显微组织,钢的强度、韧性均下降;冷却速率大于40℃/s时,易出现硬相下贝氏体或马氏体组织,钢的韧性显著下降。
本发明在轧制结束后快速进入冷却,停冷温度控制为250~450℃:这是由于本发明钢采用相对低的合金设计方案,因此需要将停冷温度控制在450℃以下,通过获得中低温贝氏体相变组织从而获得高的强度,但停冷温度不得低于250℃,否则会相变产生下贝氏体或马氏体,恶化钢的低温韧性。
本发明焊管制造过程中控制O成型压缩率在0.16~0.22%之间:O成型压缩率低于0.16%时,由于钢管压缩形变量过低,成型后钢板回弹导致开口过大,滚笼预焊后残余应力较大,易产生焊接缺陷;压缩率高于0.22%时,由于压缩变形较大,焊缝坡口接触部位易发生变形破坏,从而影响后续焊接性能。
本发明焊管制造过程中对钢管全长进行扩径,以满足钢管的最终管型要求,提高钢管的尺寸精度,并改善钢管的内应力均匀分布状态。控制扩径率范围为0.7~1.2%,扩径率小于0.7%时,成型后回弹导致椭圆度较大,无法满足使用要求;扩径率大于1.2%时,由于加工硬化显著,会导致钢管管体屈服强度显著上升、屈强比超标。
本发明针对特大口径壁厚20.0~35.0mm的直缝埋弧焊管,在成分设计采用C-Mn-Nb-Mo成分体系,并严格限制连铸坯尺寸;经C、U、O成型及预焊、内焊、外焊、扩径(E成型)等工序,可制造具有高强度高韧性的超大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管,制造的焊管可用于长输天然气管道建设。
经检测,本发明制造的原材料管线钢板的力学性如下能:
钢板横向屈服强度:485~650MPa;
钢板横向抗拉强度:570~825MPa;
钢板横向冲击功:-20℃下AKv≥280J,FA%大于90%;
钢板DWTT性能:-15℃下SA%(剪切面积百分比)大于85%。
本发明生产的厚壁超大口径焊管具有优良的力学性能:
管体横向屈服强度:485~650MPa;
管体横向抗拉强度:570~825MPa;
管体冲击功:-20℃下AKv≥250J,FA%大于90%;
焊缝冲击功:-20℃下AKv≥80J;
热影响区冲击功:-20℃下AKv≥120J;
管体DWTT性能:-10℃下SA%大于85%。
本发明生产的厚壁超大口UOE焊管具有优异的几何尺寸:
壁厚:20~35mm;
椭圆度(=最大外径-最小外径):≤6mm。
本发明的有益效果:
本发明在化学成分方面主要以C、Mn、Nb合金为主,添加少量的Cr、Mo等贵合金元素,并控制Cr+Mo总含量在0.10~0.35%范围内,以提高钢的淬透性及低温韧性,可以达到485MPa及更高钢级管线管的强韧性要求,合金成本较低。
本发明采用宽厚板TMCP轧制工艺生产原材料钢板,可以灵活控制钢板宽度及厚度,同时提高成材率及生产效率。
对于1422mm规格超大口径厚壁焊管制造,本发明通过合理控制UOE成型参数得到良好的管型精度,具体是通过采用低的O成型压缩率和低的E扩径成型扩径率,减少钢管制造过程中的拉伸、压缩塑性变形损伤,从而在保证钢管管型的基础上,减少加工硬化,并提升钢管的低温韧性。
本发明可以生产厚规格、大宽度的管线钢板,以满足1422mm超大口径厚壁UOE焊管的生产需求,同时解决了高强度、高韧性匹配问题,具有优异的力学性能,可用于300亿m3/年以上特大输量天然气管道或海底管道建设,具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
按照本发明的成分工艺要求,设计5种不同的化学成分、轧制及制管工艺,以制造不同壁厚规格的1422mm口径厚壁UOE焊管,其中30mm以下壁厚规格采用300mm厚度的连铸坯,30mm及以上壁厚规格采用360mm连铸坯,铸坯宽度均为2300mm。具体化学成分见表1、工艺路径见表2,制成的超大口径厚壁焊管力学性能及管型尺寸见表3,其中管体横向拉伸采用圆棒拉伸试样、冲击功采用全尺寸夏比冲击试样(10×10×55mm)、DWTT采用全板厚试样。
本发明实施例钢管成型焊接工艺如下:
(1)引弧板焊接:在钢板四个角部焊接引弧钢板,主要用于焊接时引弧作用。焊接开始和结束是,焊接电流不稳定易产生焊接缺陷,因此通过采用引弧板,确保钢管部分的焊接过程稳定,保证焊接质量。
(2)铣边、坡口尺寸:上坡口高度为6~13mm,钝边高度为6~10mm,上坡口角度均为32°~42°,下坡口角度均为32°~47°。通过合理的坡口尺寸设计,有利于保证后续的焊接速度和稳定性,避免产生焊穿或未焊透缺陷;同时得到良好的焊缝形貌,从而提高焊接质量。
(3)C成型:又称弯边成型,在弯边成型机上,将钢板的边部通过弯边装置弯曲成所需的形状,确保O成型过程中板边的直边段最小。
(4)U成型:在U成型机上,将预弯边的钢板经一次压制成“U”型,在实际生产中,根据具体需要进行适当调整。
(5)O成型:在O成型机上,将U成型后的钢板经一次压制成“O”型,O成型压缩率控制在0.16~0.22%之间。
(6)钢管高压水冲洗和烘干:将成型后为焊接开缝钢管的内外表面进行高压水冲洗,主要用于去除氧化铁皮、油脂、灰尘等污染;冲洗完成后立即进烘干炉进行烘干处理,烘干温度为100℃~300℃,防止再次锈蚀污染,确保后续的焊接质量。
(7)预焊:对O成型后的开缝钢管,使其对边精确对其、定位,并采用CO2或Ar+CO2保护焊进行连续预焊焊接,以保证后续内焊、外焊过程中电弧稳定,确保最终的焊接质量。
(8)内焊:采用四丝埋弧焊工艺进行钢管内焊焊接,第1丝为直流反接,第2、3、4丝为交流,焊丝直径均为4mm。第1丝电流为1100~1300A,电压为30~35V;第2丝电流为600~950A,电压为31~37V;第3丝电流为500~700A、电压为33~39V;第4丝电流为400~600A、电压为35~41V。焊接速度均为1.3~1.9m/min。内焊焊剂均需在250~450℃范围内进行烘干,烘干时间大于等于2小时。
(9)外焊:采用四丝埋弧焊工艺进行钢管内焊焊接,第1丝为直流反接,第2、3、4丝为交流,焊丝直径均为4mm。第1丝电流为1150~1350A,电压为31~367V;第2丝电流为650~1000A,电压为33~39V;第3丝电流为550~750A、电压为35~41V;第4丝电流为400~600A、电压为36~42V。焊接速度均为1.2~1.8m/min。内焊焊剂均需在250~450℃范围内进行烘干,烘干时间大于等于2小时。
(10)焊缝超声探伤:采用超声探伤方法,检测焊后裂纹、分层、未焊透等焊缝缺陷。
(11)焊缝X射线探伤:采用X射线探伤方法,检测焊后气泡、夹杂等点状焊缝缺陷。
(12)扩径(E成型):对钢管全长进行扩径,以满足钢管的最终管型要求,提高钢管的尺寸精度,并改善钢管的内应力均匀分布状态。扩径率范围为0.7~1.2%。
(13)焊缝超声探伤:采用超声探伤方法,检测扩径后裂纹、分层、未焊透等焊缝缺陷。
(14)焊缝X射线检查:采用X射线探伤方法,检测扩径后气泡、夹杂等点状焊缝缺陷。
(15)倒棱:对钢管两端进行平头、倒棱处理,为施工现场对焊带来便利。
(16)管端分层超声探伤:对倒棱后的钢管端部进行超声探伤检验,防止分层缺陷;
(17)管端磁粉探伤:对倒棱后的钢管端部进行磁粉探伤检验,防止分层缺陷;
(18)上保护环:对管端进行保护,确保钢管现场施工过程中的对焊质量。
由表3可知,本发明制造的焊管具有优良的力学性能:管体横向屈服强度:485~650MPa;管体横向抗拉强度:570~825MPa;管体冲击功:-20℃下AKv≥250J,FA%大于90%;焊缝冲击功:-20℃下AKv≥80J;热影响区冲击功:-20℃下AKv≥120J;管体DWTT性能:-10℃下SA%大于85%。
Claims (4)
1.一种特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管,其化学成分重量百分比为:0.025%≤C≤0.049%,0.05%≤Si≤0.19%,1.55%≤Mn≤1.95%,P≤0.015%,S≤0.003%,0.10%≤Cr+Mo≤0.35%,0.015%≤Nb≤0.080%,0.005%≤Ti≤0.014%,0.05%≤Ni≤0.40%,0.02%≤Al≤0.04%,0.001%≤Ca≤0.004%,N≤0.008%,O≤0.002%,其余为Fe以及不可避免的杂质;
所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管管体横向屈服强度:485~650MPa;横向抗拉强度:570~825MPa;冲击功:-20℃下AKv≥250J,FA%>90%;焊缝冲击功:-20℃下AKv≥80J;热影响区冲击功:-20℃下AKv≥120J;管体DWTT性能:-10℃下SA%>85%;
2.如权利要求1所述的特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管,其特征在于,所述特大口径厚壁UOE直缝埋弧焊管的化学成分中还含有0<Cu≤0.30%,以重量百分比计。
3.如权利要求1或2所述的特大口径厚壁UOE 直缝埋弧焊管的制造方法,包括如下步骤:
1)冶炼、精炼
按照权利要求1或2所述化学成分进行冶炼、精炼;
2)连铸
连铸坯厚度/成品厚度≥10,成品钢板宽度/连铸坯宽度≤2;
3)加热:加热温度为1050~1150℃;
4)轧制
中间坯厚3.5t~6t,t为成品钢板厚度;粗轧单道次压下量≥10%;
精轧开轧温度≤900℃,精轧终轧温度为740~860℃;
5)冷却:控制冷却速率为10~40℃/s,停冷温度为250~450℃;
6)成型焊接
采用C成型+U成型+O成型+焊接将钢板焊接成钢管,对钢管全长进行扩径以满足钢管的最终管型要求,其中,控制O成型工艺的压缩率为0.16~0.22%,扩径工艺的扩径率为0.7~1.2%。
4.如权利要求3所述的特大口径厚壁UOE 直缝埋弧焊管的制造方法,其特征在于,步骤4)中,精轧开轧温度≤900℃,精轧终轧温度为740~860℃。
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