CN111893386B

CN111893386B - 基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板及其生产方法

Info

Publication number: CN111893386B
Application number: CN202010765912.3A
Authority: CN
Inventors: 张帅; 任毅; 王爽; 高红
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: CN111893386A

Abstract

本发明提供了一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板及其生产方法，该厚板的成分按重量百分比计如下：C：0.035%～0.065%、Si：0.26%～0.40%、Mn：1.30%～1.49%、P≤0.010%、S≤0.0015%、Nb：0.02%～0.05%、Ti：0.012%～0.030%、Ni：0.06%～0.18%、Cu：0.06%～0.15%、Cr：0.11%～0.29%、Al：0.010%～0.025%、N:0.0010%～0.0040%、Ca：0.0015%～0.0040%、Ca/S≥1.6，余量为铁和不可避免的杂质。生产方法包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却；应用本发明生产的深水管线用厚板的>30mm，横向屈强比不超过0.85；纵向屈服强度430～510MPa，纵向抗拉强度540～630MPa，纵向均匀延伸率U_EL≥10%，纵向屈强比不超过0.84；应变硬化指数n≥0.1。

Description

基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种厚度>30mm的厚壁、低屈强比兼具高均匀变形率、高应变硬化指数、耐腐蚀和高疲劳强度的深水管线用厚板及其生产方法。

背景技术

海洋油气资源是石油天然气资源的重要组成部分，是未来油气资源开采的重要方向。海洋油气资源中很大部分分布于水深1000m甚至2000m以上的深水区域，需要建设专有的深水油气采输系统才能开采，而深水油气输送管线是其重要组成部分。

深水管线在铺设和服役过程中会面临发生塑性变形、承受极高水压和海洋暗流等多种复杂恶劣的条件，要求材料具有高强韧性的同时兼具抗应变、抗压溃、耐腐蚀和耐疲劳等多种综合性能；即要求深水管线用钢板具有厚壁、高强度、高韧性、低屈强比并兼具高均匀变形率、高应变硬化指数、耐腐蚀和高疲劳强度等综合技术特征，而且，满足制作小径厚比直缝埋弧焊管的需要。复杂多样的技术指标要求显著增大了深水管线用钢板的设计和制造难度。

目前，国内外对海洋油气输送管线用钢板有一些研究，经检索发现了部分专利和文献，但其所记载的内容与本发明技术方案所述成分、生产方法、性能、产品类别和尺寸规格等方面存在明显差异。

发明《一种海底管线钢X65MO的生产方法》(公开号：CN109234487A)提供了一种X65级别海底管线钢及生产方法，所述钢板厚度小，采用高温轧制(≥900℃)，屈强比高，超过0.87，抗应变性能不足。

发明《用于超深海的高强度高韧性海底管线钢及其制造方法》(CN104357766A)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，合金含量高。

发明《一种高塑性厚壁深海管线用平板及其生产方法》(CN109957730A)提供了一种厚壁深海管线用钢板，采用Nb(0.04％～0.07％)+轧后弛豫析出相变工艺，合金含量较高，轧后弛豫过程晶粒尺寸容易长大，不利于韧性和抗疲劳性控制。

发明《一种低屈强比X80MO海底管线用钢板及其制造方法》(CN110331343A)提供了一种X80级海底管线钢板及生产方法，成分中加入较多Ni、Nb等元素，成本高；采用高温轧制(≥910℃)微观组织控制困难；要求轧后冷却速度25-35℃/s，对厚规格钢板而言，工艺实现难度大。

文献《深海用36.5mm厚X70钢板及其大口径直缝埋弧焊管的开发》(《机械工程材料》第40卷12期，牛爱军，毕宗岳，牛辉等)公开了厚度36.5mm的深海管线用X70钢板，其成分中Ni(0.25％)、Mo(0.15％)含量高；非再结晶区变形温度高(≥820℃)，变形量小(20％)，不利于组织细化、组织类型控制和综合性能的提高。

综上所述，现有技术对高塑变性和抗压溃性设计的深水管线用厚板的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种深水管线用厚板的厚壁、小径厚比、高强度、高韧性、低屈强比、高均匀变形率、高应变硬化指数、耐腐蚀和高疲劳强度等技术指标匹配难题，提供一种深水管线用厚度>30mm的厚壁、低屈强比兼具高均匀变形率、高应变硬化指数、耐腐蚀和高疲劳强度的基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板及其生产方法。

本发明目的是这样实现的：

本发明所述基于塑变和抗压溃性设计的深水管线用厚板的厚度>30mm、径厚比≤24；成分设计通过低C和低Mn改善材料韧性和耐腐蚀性，利用Si提高强度和应变强化效果，通过Ni、Cu元素提高强化效果和耐腐蚀能力并利用Ni元素提高韧性；利用廉价的Cr提高淬透性、经济性并改善所述厚壁钢板厚度方向组织均匀性；利用Nb元素抑制奥氏体再结晶来降低变形负荷，提高道次变形率，同时，利用Nb抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；配以相应的冶炼、加热、轧制、冷却等生产工艺获得厚壁、低屈强比、高均匀变形率、高应变硬化指数、耐腐蚀和高疲劳强度等综合性能及理想的微观组织。

一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板，该厚板的成分按重量百分比计如下：C：0.035％～0.065％、Si：0.26％～0.40％、Mn：1.30％～1.49％、P≤0.010％、S≤0.0015％、Nb：0.02％～0.05％、Ti：0.012％～0.030％、Ni：0.06％～0.18％、Cu：0.06％～0.15％、Cr：0.11％～0.29％、Al：0.010％～0.025％、N:0.0010％～0.0040％、Ca：0.0015％～0.0040％、Ca/S≥1.6，余量为铁和不可避免的杂质。

所述深水管线用厚板厚度>30mm，横向屈服强度可达到440～520MPa，横向抗拉强度达到550～640MPa，横向屈强比不超过0.85；纵向屈服强度可达到430～510MPa，纵向抗拉强度达到540～630MPa，纵向均匀延伸率U_EL≥10％，纵向屈强比不超过0.84，应变硬化指数n≥0.1。

所述深水管线用厚板显微组织为针状铁素体+细小的多边形铁素体的复合组织，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～30％，所述多边形铁素体平均尺寸小于7μm。

进一步，还含有粒状贝氏体，体积百分比在2％～20％。

本发明成分设计理由如下：

C可以发挥固溶和析出强化作用，特别是在轧制变形或奥氏体相变之前与Nb结合析出，阻碍晶粒长大，细化组织；但是，碳的增加会促进硬相组织形成，对塑性和韧性不利且降低耐腐蚀性；而且，碳的增加使铸坯再加热时碳化物的固溶温度提高，促使晶粒长大，所以，碳含量也不能过高，本发明认为碳控制在0.035％～0.065％较为适宜。

Si可以提高应变硬化率，提升强度；但其含量过高会使组织中M/A增加，贝氏体晶粒尺寸增大，造成韧性和塑性降低，其适宜范围是0.26％～0.40％。

Mn能够提高淬透性，提升厚壁管线钢板的组织均匀性；还可以发挥固溶强化作用，降低奥氏体相变温度，细化晶粒；但是，锰含量过高易诱发偏析和促进含Mn夹杂物形成，恶化厚壁钢板厚度中心韧性，不利于耐腐蚀性和耐疲劳性，本发明认为将锰含量控制在1.30％～1.49％较为适宜。

P、S在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好；其中，P对低温韧性有明显的不利影响，本发明将P控制在≤0.010％，S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化耐腐蚀性能，因此，S≤0.0015％。

Nb本发明中Nb的作用包括(1)固溶强化；(2)析出钉扎，抑制晶粒长大；(3)降低相变温度，细化晶粒；(4)抑制奥氏体再结晶，提高再结晶轧制温度，提升轧制道次变形率和细晶，降低轧制力；但是，铌含量过高会恶化焊缝和热影响区韧性，抑制多边形铁素体形成，不利于本发明微观组织控制，还会增加成本，本发明认为将铌含量控制在0.02％～0.05％较为适宜。

Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性，本发明认为将钛含量控制0.012％～0.030％较为适宜。

Ni、Cu可以提高强度，提升奥氏体稳定性和淬透性，有利于提高厚壁钢板的冷却效果；还能够改善耐腐蚀性能。其中，Ni可以改善低温韧性，降低临界冷却速度，延迟珠光体转变，对本发明所述厚壁管线钢板的组织控制、晶粒细化和均匀化有益，但Ni价格较高，不宜添加过多；Cu含量过高对韧性和焊接性不利，因此，本发明Ni：0.06％～0.18％、Cu：0.06％～0.15％为宜。

Cr能提高奥氏体稳定性和淬透性，降低奥氏体相变温度，对提高厚壁管线钢强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用，而且，Cr元素经济性高，可以替代贵重合金元素，降低成本；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，Cr含量控制在0.11％～0.29％为宜。

Al是脱氧元素，含量过高会促进含Al夹杂物增加，而且对焊接性不利，本发明认为铝含量控制0.010％～0.025％为宜。

N高温下可以与铌、钛形成细小析出物，发挥细晶和析出强化作用，从而提高强韧性，但含量过高使韧性恶化，其含量控制在0.0010％～0.0040％为宜。

Ca和Ca/S能够促进夹杂物变性和球化，有效提高耐腐蚀性和韧性，其中，本发明Ca：0.0015％～0.0040％、Ca/S≥1.6。

本发明技术方案之二是提供一种基于塑变和抗压溃性设计的深水管线用厚板的生产方法，包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却；

(1)连铸、加热：连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯拉速0.6～1.2m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度≤10；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；连铸坯厚度/成品钢板厚度的比值说明本发明可以在总压缩比较小的情况下实现所述的实施效果，降低了对连铸坯的厚度要求。

连铸坯均热段温度1140～1190℃，均热段时间不低于0.3min/mm。连铸坯加热工艺结合合金元素含量特别是铌含量设计，既满足合金固溶需要，又能够防止奥氏体晶粒过分长大，均热段时间可保证坯料温度均匀性。

(2)轧制：粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为990～1040℃，轧制方式采用横纵轧制或直接纵轧方式，其中，纵轧道次4-～7道，纵轧最后4道次的每道次变形率18％～25％且逐道递增，每道次间隔8～20s，在进行最后4道次纵轧前采用喷淋或喷淋+空冷的方式冷却使连铸坯温度下降到1060℃以下，轧制速度1.2～2.0m/s。粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶并且抑制晶粒长大，在纵轧最后阶段采用逐道递增的变形率且保证一定道次间隔可以促进奥氏体发生充分的动态和静态再结晶；喷淋或喷淋+空冷有利于抑制晶粒长大，增加铸坯厚度截面温度梯度，配以较低的轧制速度可促进轧制变形向铸坯厚度中心渗透，细化厚度中心附近组织，对提高厚壁管线钢性能有利。

中间待温坯厚度3.0t～4.5t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～850℃，精轧终轧温度为(Ar3+30℃)～(Ar3-20℃)；

进一步；精轧终轧温度优选范围750～790℃，所述步骤(2)轧制结束后，钢板轧制结束后原始奥氏体晶粒平均高度不超过15μm。

适宜的中间待温坯厚度既可以满足未再结晶区奥氏体变形和形变能的积累，又能保证在原铸坯厚度一定的情况下使粗轧阶段获得足够的变形率，达到晶粒细化目的；低的精轧温度促进奥氏体形变能的积累和Nb、Ti的细小析出相的诱导析出，增加形核位置；精轧终轧温度控制在Ar3临界相变温度附近促进细小的多边形铁素体形成，从而，提高韧性和塑变性。

(3)冷却：轧后钢板进行加速水冷，轧制完成到开始水冷间隔时间5s～25s，开始水冷冷却温度720～760℃，终冷温度430～540℃，水冷冷却时间不低于15s；随后进行热矫直和空冷，在100～300℃进行二次矫直后空冷到室温。钢板开始水冷温度和间隔时间可以控制组织中铁素体比例和尺寸，提高塑性和韧性；适当的终冷温度可以促进针状铁素体形成，获得软硬相结合的针状铁素体+细小的多边形铁素体复合组织并且还可含有少量粒状贝氏体，适宜的二次矫直温度使钢板内部应力有效释放，钢板矫直后不发生变形，有利于改善钢板板形。

钢板最终微观组织以针状铁素体+细小的多边形铁素体的复合组织为主，还可以含有少量粒状贝氏体，其中，多边形铁素体体积百分比在8％～30％，平均尺寸小于7μm；所述粒状贝氏体体积百分比在2％～20％。钢板具有厚壁、低屈强比、高均匀变形率、高应变硬化指数、良好的耐腐蚀性和高疲劳强度等综合技术特征，满足制作深水、穿跨越区等复杂服役环境用小径厚比油气输送管道的要求。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明成分通过低C和低Mn设计提高材料韧性和耐腐蚀性，利用Si提高强度和应变强化效果，通过Ni、Cu元素提高强化效果和耐腐蚀能力并利用Ni元素提高韧性；利用廉价的Cr提高淬透性、经济性并改善所述厚壁钢板厚度方向组织均匀性；利用Nb元素抑制奥氏体再结晶来降低变形负荷，提高道次变形率，同时，利用Nb抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；配以相应的独特生产工艺解决了深水管线用厚板的强韧性、均匀延伸率、应变硬化指数、屈强比、抗压溃性、耐腐蚀性和抗疲劳等技术指标的匹配难题。

(2)本发明结合所述成分设计采用独特的生产工艺获得了理想的微观组织结构，实现了晶粒尺寸的有效控制，提高了厚壁钢板的组织均匀性，获得了良好的产品性能和钢板板形。

(3)本发明所述基于塑变和抗压溃性设计的深水管线用厚板的厚度>30mm，应用本发明厚板生产的管线径厚比≤24，横向屈服强度可达到440～520MPa，横向抗拉强度达到550～640MPa，横向屈强比不超过0.85，-40℃横向冲击功均值≥360J，-20℃横向DWTT剪切面积≥85％；纵向屈服强度可达到430～510MPa，纵向抗拉强度达到540～630MPa，纵向均匀延伸率U_EL≥10％，纵向屈强比不超过0.84；应变硬化指数n≥0.1，疲劳强度≥320MPa，抗HIC腐蚀性能满足经96小时NACE A溶液腐蚀CSR≤1％、CLR≤10％、CTR≤3％，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。

附图说明

图1为本发明实施例5显微组织金相图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却；

(1)连铸、加热：连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯拉速0.6～1.2m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度≤10；连铸坯均热段温度1140～1190℃，均热段时间不低于0.3min/mm；

(2)轧制：粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为990～1040℃，轧制方式采用横纵轧制或直接纵轧方式，其中，纵轧道次4～7道，纵轧最后4道次的每道次变形率18％～25％且逐道递增，每道次间隔8～20s，在进行最后4道次纵轧前采用喷淋或喷淋+空冷的方式冷却使连铸坯温度下降到1060℃以下，轧制速度1.2m/s～2.0m/s；

(3)冷却：轧后钢板进行加速水冷，轧制完成到开始水冷间隔时间5～25s，开始水冷冷却温度720～760℃，终冷温度430～540℃，水冷冷却时间不低于15s；随后进行热矫直和空冷，在100～300℃进行二次矫直后空冷到室温。

进一步；所述精轧终轧温度为750～790℃；

进一步；轧制结束后，原始奥氏体晶粒平均高度不超过15μm。

本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的连铸和加热主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的轧制主要工艺参数见表3。本发明实施例钢的冷却和矫直主要工艺参数见表4。本发明实施例钢的性能见表5。本发明实施例钢显微组织及韧性性能见表6。本发明实施例钢耐腐蚀性能见表7。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti
								1	0.051	0.27	1.39	0.007	0.0010	0.035	0.022
2	0.039	0.31	1.49	0.008	0.0012	0.039	0.018
								3	0.058	0.29	1.38	0.006	0.0010	0.044	0.015
4	0.048	0.33	1.47	0.009	0.0013	0.029	0.024
								5	0.062	0.28	1.41	0.007	0.0011	0.028	0.021
6	0.049	0.36	1.36	0.006	0.0012	0.026	0.025
								实施例	Ni	Cu	Cr	Al	N	Ca	Ca/S
1	0.08	0.09	0.24	0.017	0.0028	0.0018	1.8
								2	0.12	0.10	0.21	0.022	0.0020	0.0031	2.6
3	0.09	0.13	0.17	0.013	0.0024	0.0022	2.2
								4	0.16	0.08	0.19	0.016	0.0018	0.0026	2.0
5	0.07	0.11	0.18	0.019	0.0033	0.0030	2.7
								6	0.15	0.07	0.26	0.020	0.0019	0.0025	2.1

表2本发明实施例钢的连铸和加热主要工艺参数

表3本发明实施例钢的轧制主要工艺参数

注：实施例钢板的Ar3为760-785℃。

表4本发明实施例钢的冷却和矫直主要工艺参数

表5本发明实施例钢的性能

表6本发明实施例钢显微组织及韧性性能

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7本发明实施例钢耐腐蚀性能

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1. 一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板，其特征在于，该厚板的成分按重量百分比计如下：0.035%～0.065%、Si：0.26%～0.40%、Mn：1.30%～1.41%、P≤0.010%、S≤0.0015%、Nb：0.02%～0.035%、Ti：0.012%～0.030%、Ni：0.06%～0.18%、Cu：0.06%～0.15%、Cr：0.11%～0.29%、Al：0.010%～0.025%、N: 0.0010%～0.0040%、Ca：0.0015%～0.0040%、Ca/S≥1.6，余量为铁和不可避免的杂质；

所述深水管线用厚板显微组织为针状铁素体+细小的多边形铁素体的复合组织，其中，多边形铁素体体积百分比在8%～30%，所述多边形铁素体平均尺寸小于7μm；

所述的一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板的生产方法，包括铁转炉冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却；

（1）连铸、加热：连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯拉速0.6～1.2m/min，连铸坯厚度/成品钢板厚度≤10；连铸坯均热段温度1140～1190℃，均热段时间不低于0.3min/mm；

（2）轧制：粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为990～1040℃，轧制方式采用横纵轧制或直接纵轧方式，其中，纵轧道次4-7道，纵轧最后4道次的每道次变形率18%-25%且逐道递增，每道次间隔8～20s，在进行最后4道次纵轧前采用喷淋或喷淋+空冷的方式冷却使连铸坯温度下降到1060℃以下，轧制速度1.2～2.0m/s；

中间待温坯厚度3.0t～4.5t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～850℃，精轧终轧温度为（Ar3+30℃）～（Ar3-20℃）；

（3）冷却：轧后钢板进行加速水冷，轧制完成到开始水冷间隔时间5～25s，开始水冷冷却温度720～760℃，终冷温度430～540℃，水冷冷却时间不低于15s；随后进行热矫直和空冷，在100～300℃进行二次矫直后空冷到室温。

2.根据权利要求1所述的一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板，其特征在于，所述深水管线用厚板厚度>30mm，横向屈服强度可达到440-520MPa，横向抗拉强度达到550-640MPa，横向屈强比不超过0.85；纵向屈服强度可达到430-510MPa，纵向抗拉强度达到540-630MPa，纵向均匀延伸率U_EL≥10%，纵向屈强比不超过0.84，应变硬化指数n≥0.1。

3.根据权利要求1所述的一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板，其特征在于，所述深水管线用厚板显微组织还含有粒状贝氏体，体积百分比在2%～20%。

4.根据权利要求1所述的一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板的生产方法，其特征在于：所述精轧终轧温度为750～790℃。

5.根据权利要求1所述的一种基于塑变和抗压溃性设计深水管线用厚板的生产方法，其特征在于：所述步骤（2）轧制结束后，钢板原始奥氏体晶粒平均高度不超过15μm。