CN111534748B - 一种海底输送管用热轧钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种海底输送管用热轧钢板及其制备方法，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.03～0.05％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.40～1.60％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.02～0.04％，Ti：0.010～0.020％，Ni：0.40～0.50％，Cr：0.15～0.25％，Mo：0.10～0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素，本发明通过对化学成分、生产工艺和显微组织的创新，制备得到的热轧钢板各项力学性能优异，以及良好的焊接性能，降低了海底输送管在海洋风浪、洋流、海底地震、断层、海床塌陷的影响下，发生变形断裂失效的风险，具有良好的应用前景。

Description

一种海底输送管用热轧钢板及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种海底输送管用热轧钢板及其制备方法。
背景技术
海底输送管是海洋油气田开发中油气传输的主要方式，用于把海底的油气资源通过管道输送到生产平台或陆地处理厂，随着海底管道向深海发展，管道承受的外部压力问题逐渐突出，为了防止管道发生压溃事故，深海管道需要应用大厚径比(t/D)钢管，而大t/D钢管使DWTT性能面临更大的考验。此外，海底管道在铺设过程中，尤其在使用铺管船铺设时，将承受很大的压缩、拉伸或者弯曲变形，管道会发生一定的塑性变形。同时，海洋环境中的浪、流等可能引起塑性变形，造成钢管的变形屈曲。
为适应海底管道的安装要求和服役环境，与陆地管线钢相比，海底管线的要求更高：化学成分规定更严格，硫、磷等元素含量及碳当量要求更低。在力学性能方面，对屈服强度和抗拉强度的范围，屈强比、均匀延伸率，以及应变强化指数等要求更高。
在海底管道工程建设时期，海底环境异常复杂，海底地震、海床塌陷等地质活动，会使管道局部发生较大的塑性变形，导致管道断裂失效。因此，为了应对海底地震、断层、海床塌陷等地质活动问题，急需开发大壁厚、高应变的海底输送管用热轧钢板产品。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的方案。
本发明实施例提供一种海底输送管用热轧钢板及其制备方法。
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.03～0.05％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.40～1.60％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.02～0.04％，Ti：0.010～0.020％，Ni：0.40～0.50％，Cr：0.15～0.25％，Mo：0.10～0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
优选地，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.031％，Si：0.21％，Mn：1.45％，Al：0.03％，Nb：0.035％，Ti：0.015％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.15％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
优选地，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.035％，Si：0.20％，Mn：1.46％，Al：0.03％，Nb：0.036％，Ti：0.012％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.12％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
优选地，所述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为20～40％。
优选地，所述热轧钢板的力学性能如下：
屈服强度：470～520MPa，抗拉强度：630～670MPa，屈强比0.70～0.78，均匀延伸率Agt：8～10％，应变强化指数n：0.10～0.13；钢板-40℃夏比冲击功≥400J，冲击剪切面积≥90％，-20℃落锤剪切面积≥85％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热升温至1050～1100℃，并在此温度下保温处理25～30min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行5～10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度880～900℃，轧2～3道次后待温，第二阶段开轧温度830～840℃，轧2～3道次后待温，第三阶段开轧温度780～800℃，终轧温度750～780℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度730～750℃，终冷温度610～630℃；第二阶段开冷温度600～610℃，终冷温度为250～300℃，自然冷却至室温即可。
优选地，S1中加热炉的升温速度为20～24℃/min。
优选地，S4中第一阶段冷却速度为25～30℃/S，第二阶段冷却速度为10～15℃/S。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中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、屈强比、低温韧性影响较大，本发明经过大量的试验证明，C含量控制在0.03～0.05％窄范围内，才能得到窄范围的强度性能控制、低屈强比，以及稳定的-40℃的夏比冲击性能，以及-20℃的落锤性能。
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1.40～1.60％窄范围，既保证材料的抗拉强度，又不恶化焊接性能和低温韧性，获得较低的屈强比性能、优异的均匀延伸率和应变强化指数，以及稳定的低温冲击和落锤韧性。
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：≤0.008wt％，S：≤0.001wt％，才能得到稳定的-40℃的夏比冲击性能和-20℃的落锤性能。
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，但影响铁素体的相变温度，因此本发明中Nb含量控制在0.02～0.04％窄范围内，对于获得细晶铁素体有利，保证获得较低的屈强比性能，优异的均匀延伸率和应变强化指数，以及稳定的-40℃夏比冲击性能和-20℃的落锤性能。
本发明中进行了大量试验发现：当Ti含量大于0.020wt％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0.010～0.020wt％窄范围内，可以得到较高的强度和较低的屈强比性能，以及稳定的-40℃夏比冲击性能和焊接性能。
Ni元素是奥氏体稳定性元素，能降低γ→α转变温度，能有效提高管线钢的低温韧性。Ni可通过固溶强化作用提高钢的强度，弥补厚规格钢材中因厚度的增加引起的强度下降。最重要的是添加Ni合金，可以进一步提高钢的强度和低温韧性。本发明进行了大量试验，发现当Ni含量控制在0.40～0.50％范围内，-40℃夏比冲击性能、-20℃的落锤性能、屈强比和均匀延伸率最佳。
Mo元素增加淬透性，改善大壁厚钢板厚度方向的组织均匀性，可以提高强度和低温韧性，同时对针状铁素体的相变控制有利，获得好的屈强比。本发明进行了大量试验，发现当Mo含量控制在0.10～0.20％范围内，-40℃夏比冲击性能、-20℃的落锤性能、屈强比、均匀延伸率和应变强化指数性能最佳。
Cr元素能提高钢的抗拉强度，降低屈强比，但过多的Cr元素会影响焊接性能。因此，本发明进行了大量试验，发现当控制Cr：0.15～0.25％范围内，材料可以得到较高的抗拉强度和低屈强比性能，优异的均匀延伸率和应变强化指数，以及稳定的-40℃夏比冲击性能和落锤性能，最重要的是材料的焊接性能优异，用户焊接性能不会出现较大波动。
本发明通过对化学成分、生产工艺和显微组织的创新，实现了窄强度范围(屈服强度：470～520MPa，抗拉强度：630～670MPa)、低屈强比控制(0.70～0.78)、高韧性(-40℃夏比冲击功≥400J，冲击剪切面积≥90％，-20℃落锤剪切面积≥85％)，高均匀延伸率(Agt：8～10％)、高应变强化指数n：(0.10～0.13)，以及良好的焊接性能，降低了海底输送管在海洋风浪、洋流、海底地震、断层、海床塌陷的影响下，发生变形断裂失效的风险，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1制备的热轧钢板的金相组织图；
图2为本发明实施例1制备的热轧钢板的扫描组织图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
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。
实施例1：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.031％，Si：0.21％，Mn：1.45％，Al：0.03％，Nb：0.035％，Ti：0.015％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.15％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为22.6％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为20℃/min，加热升温至1080℃，并在此温度下保温处理30min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度890℃，轧2道次后待温，第二阶段开轧温度833℃，轧2道次后待温，第三阶段开轧温度795℃，终轧温度770℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度745℃，终冷温度625℃，第一阶段冷却速度为26℃/S；第二阶段开冷温度608℃，终冷温度为260℃，第二阶段冷却速度为12℃/S，自然冷却至室温即可。
实施例2：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.035％，Si：0.20％，Mn：1.46％，Al：0.03％，Nb：0.036％，Ti：0.012％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.12％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为35.8％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为20℃/min，加热升温至1100℃，并在此温度下保温处理28min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度895℃，轧3道次后待温，第二阶段开轧温度835℃，轧3道次后待温，第三阶段开轧温度790℃，终轧温度765℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度735℃，终冷温度623℃，第一阶段冷却速度为26℃/S；第二阶段开冷温度606℃，终冷温度为270℃，第二阶段冷却速度为10℃/S，自然冷却至室温即可。
实施例3：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.035％，Si：0.21％，Mn：1.49％，Al：0.03％，Nb：0.037％，Ti：0.015％，Ni：0.44％，Cr：0.23％，Mo：0.13％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为40％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为24℃/min，加热升温至1100℃，并在此温度下保温处理25min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度890℃，轧2道次后待温，第二阶段开轧温度835℃，轧2道次后待温，第三阶段开轧温度795℃，终轧温度765℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度740℃，终冷温度628℃，第一阶段冷却速度为27℃/S；第二阶段开冷温度603℃，终冷温度为280℃，第二阶段冷却速度为10℃/S，自然冷却至室温即可。
实施例4：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.040％，Si：0.20％，Mn：1.50％，Al：0.03％，Nb：0.035％，Ti：0.013％，Ni：0.42％，Cr：0.21％，Mo：0.12％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为26.6％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为22℃/min，加热升温至1050℃，并在此温度下保温处理30min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行5道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度895℃，轧2道次后待温，第二阶段开轧温度838℃，轧2道次后待温，第三阶段开轧温度795℃，终轧温度770℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度745℃，终冷温度615℃，第一阶段冷却速度为30℃/S；第二阶段开冷温度608℃，终冷温度为260℃，第二阶段冷却速度为12℃/S，自然冷却至室温即可。
实施例5：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.042％，Si：0.23％，Mn：1.55％，Al：0.03％，Nb：0.031％，Ti：0.012％，Ni：0.45％，Cr：0.20％，Mo：0.15％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为35％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为20℃/min，加热升温至1050℃，并在此温度下保温处理25min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行5道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度890℃，轧2道次后待温，第二阶段开轧温度835℃，轧2道次后待温，第三阶段开轧温度795℃，终轧温度775℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度740℃，终冷温度622℃，第一阶段冷却速度为28℃/S；第二阶段开冷温度603℃，终冷温度为290℃，第二阶段冷却速度为10℃/S，自然冷却至室温即可。
实施例6：
一种海底输送管用热轧钢板，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.05％，Si：0.18％，Mn：1.40％，Al：0.04％，Nb：0.02％，Ti：0.010％，Ni：0.44％，Cr：0.25％，Mo：0.19％，P：0.004％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为40％。
上述海底输送管用热轧钢板的制备方法如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热炉的升温速度为24℃/min，加热升温至1100℃，并在此温度下保温处理30min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度900℃，轧3道次后待温，第二阶段开轧温度840℃，轧3道次后待温，第三阶段开轧温度800℃，终轧温度780℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度750℃，终冷温度630℃，第一阶段冷却速度为30℃/S；第二阶段开冷温度610℃，终冷温度为300℃，第二阶段冷却速度为15℃/S，自然冷却至室温即可。
性能测试：
将本发明实施例1-6制备得到的热轧钢板进行性能测试，测试结果如下表1所示：
表1：
Figure BDA0002486341880000091
Figure BDA0002486341880000101
由上表1可知，本发明制备得到的热轧钢板各项力学性能优异，可以用于制备海底输送管。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
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 (5)

1.一种海底输送管用热轧钢板，其特征在于，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.03～0.05％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.40～1.60％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.02～0.04％，Ti：0.010～0.020％，Ni：0.40～0.50％，Cr：0.15～0.25％，Mo：0.10～0.20％，P：≤0.008％，S：≤0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素；
所述热轧钢板由细晶铁素体和针状铁素体组成，其中，细晶铁素体所占比例为20～40％；
所述热轧钢板的力学性能如下：
屈服强度：470～520MPa，抗拉强度：630～670MPa，屈强比0.70～0.78，均匀延伸率Agt：8～10％，应变强化指数n：0.10～0.13；钢板-40℃夏比冲击功≥400J，冲击剪切面积≥90％，-20℃落锤剪切面积≥85％；
所述的海底输送管用热轧钢板的制备方法具体如下：
S1：将经过冶炼熔融的合格钢水由连铸机铸造成钢胚，钢胚送入加热炉中，加热升温至1050～1100℃，并在此温度下保温处理25～30min；
S2：把加热后的钢坯在粗轧机上进行5～10道次轧制；
S3：粗轧后的钢坯送入精轧机中精轧，精轧分三阶段进行，第一阶段开轧温度880～900℃，轧2～3道次后待温，第二阶段开轧温度830～840℃，轧2～3道次后待温，第三阶段开轧温度780～800℃，终轧温度750～780℃；
S4：精轧后的钢坯进行冷却，冷却分两阶段进行，第一阶段开冷温度730～750℃，终冷温度610～630℃；第二阶段开冷温度600～610℃，终冷温度为250～300℃，自然冷却至室温即可。
2.根据权利要求1所述的海底输送管用热轧钢板，其特征在于，以质量百分比计，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.031％，Si：0.21％，Mn：1.45％，Al：0.03％，Nb：0.035％，Ti：0.015％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.15％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
3.根据权利要求1所述的海底输送管用热轧钢板，其特征在于，所述热轧钢板化学成份包括：C：0.035％，Si：0.20％，Mn：1.46％，Al：0.03％，Nb：0.036％，Ti：0.012％，Ni：0.43％，Cr：0.20％，Mo：0.12％，P：0.007％，S：0.001％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
4.根据权利要求1所述的海底输送管用热轧钢板，其特征在于，S1中加热炉的升温速度为20～24℃/min。
5.根据权利要求1所述的海底输送管用热轧钢板，其特征在于，S4中第一阶段冷却速度为25～30℃/S，第二阶段冷却速度为10～15℃/S。
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