CN112195396A - 一种兼具抗hic及耐冲刷深海钻探隔水管用x80管线用钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种兼具抗HIC及耐冲刷深海钻探隔水管用X80管线用钢板，其特征在于：其元素组成的重量百分配比为，C：0.06‑0.08％、Mn：0.7‑0.9％、Si：0.30‑0.45％、S：≤0.001％、P：≤0.010％、Nb：0.02‑0.07％、Ti：0.008‑0.03％、V：≤0.06％、Alt：≤0.06％、N:≤0.004％、O：≤0.003％、Mo：≤0.08％、Cr：0.45‑0.65％、Ni：0.20‑0.60％，Cu：0.10‑0.30％、Ca：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。钢板近表面组织为回火上贝氏体，心部组织为针状铁素体。工艺路线：配比备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→真空脱气→连铸→板坯再加热→再结晶区TMCP工艺→控冷。本申请X80管线钢满足低温高韧性、纵横向强度均匀性好、满足双硬度要求，同时还兼具抗HIC与耐冲刷性能。

Description

一种兼具抗HIC及耐冲刷深海钻探隔水管用X80管线用钢板及 其制造方法
技术领域
本发明涉及管线钢，尤其涉及一种作为深海钻探用隔水管的X80级管线钢。
背景技术
目前世界需求的能源中化石能源还占能源结构中的主体地位，近年来世界经济的急速增长极大带动了化石能源需求的急速增长，为满足化石能源的巨大需求，随着多年陆地开采日渐枯竭。能源开采已转向海洋。海洋管线用钢涉及石油钻探和石油输送领域。由于深海的高压力及钻探时洋流等影响因素，通常在钻探时需要采用高钢级较厚规格钢板制成深海钻探用隔水管，钻杆在隔水管内作业，由此保护钻探顺利进行。考虑到海洋洋流等自然条件。隔水管要求具有高强度低温高韧性、纵横向强度均匀性、双硬度及抗疲劳要求，考虑到深海隔水管的服役环境为海洋，具备抗HIC性能、抗冲蚀性能将有益于延长隔水管的使用寿命。
目前，涉及X80管线钢的专利较多，但是涉及深海隔水管应用的X80管线钢的报道还不是很多，具备抗HIC及耐冲刷性能的深海隔水管用钢板更加未涉及。
与传统的管线钢应用不同，深海隔水管用高钢级钢板由于服役于深海且是竖向铺设，需要承受钻探过程中泥沙的冲刷以及洋流的振动。这就要求钢板必须具有高强度低温高韧性，在此基础上进一步要求钢板纵横向强要均匀以及双硬度(维氏硬度+布氏硬度)要求，为延长使用寿命，还需要提高抗HIC性能。由于耐冲刷性能对金相组织的要求与抗HIC性能对金相组织的要求存在冲突，耐冲刷性在某种程度上可视为与耐磨性相似，但又不同于耐磨性，即钻探过程中因泥沙流动对隔水管表面的冲刷，主要与金相组织相关，一般来说，具备细小贝氏体组织的隔水管具备更好的耐泥沙冲刷性。
发明内容
海洋管线用钢涉及石油钻探和石油输送领域。由于深海的高压力及钻探时洋流等影响因素，通常在钻探时需要采用高钢级、厚规格的管线钢钢板来制作深海用隔水管，才能保证钻探顺利进行。考虑到海洋洋流等自然条件，对深海隔水管的考察要求包括：高强度、低温高韧性、纵横向强度均匀性、维氏硬度、布氏硬度。
本发明的目的是要提供一种生产厚度不高于35mm，较适合的生产厚度为15.88—35mm的X80深海钻探隔水管用管线钢板及其制造方法，满足低温高韧性、纵横向强度均匀性好、满足双硬度要求，同时还兼具抗HIC与耐冲刷性能。本申请从成分设计和生产工艺进行设计，最终获得综合性能优异的深海隔水管用X80级管线钢，工艺流程短，成材率高。
本申请X80隔水管用钢板近表面组织为(回火)上贝氏体，心部组织为针状铁素体。
钢板的检测性能满足：横向屈服强度不小于555MPa；横向抗拉强度不小于680MPa，横向屈强比不高于0.84；纵向屈服强度不小于555MPa；纵向抗拉强度不小于670MPa，纵向屈强比不高于0.85；取圆棒样检测的延伸率：≥25％；钢板纵向横向强度均匀；-30℃冲击功≥300J；沿钢板厚度方向近表面、1/4厚度及1/2厚度的维氏硬度为215-250Hv10，钢板边部、沿板宽1/4、沿板宽1/2处上下表面布氏硬度为215-250HB3000；HIC试验标准：NACE TM0284-2004 A溶液下浸泡96小时，裂纹长度率％＝0、裂纹宽度率％＝0、裂纹敏感率％＝0。
本申请的抗HIC深海钻探隔水管用耐冲刷性能X80管线用钢板的成分设计以及生产方法与传统X80钢板的成分设计和传统生产工艺相比，常规元素加入上有些相同，但具有自身特点，在成分设计的基础上生产工艺也略有不同，具体如下：
本发明的一种兼具抗HIC及耐冲刷深海钻探隔水管用X80管线用钢板，所采用的元素组成的重量百分配比为，C：0.06-0.08％、Mn：0.7-0.9％、Si：0.30-0.45％、S：≤0.001％、P：≤0.010％、Nb：0.02-0.07％、Ti：0.008-0.03％、V：≤0.06％、Alt：≤0.06％、N:≤0.004％、O：≤0.003％、Mo：≤0.08％、Cr：0.45-0.65％、Ni：0.20-0.60％，Cu：0.10-0.30％、Ca：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，结合钢板双硬度要求以及低温高韧性要求，同时需要充分考虑到组织转变及第二相粒子析出条件的关系，同时还需考虑焊接性能，特别时考虑到其耐冲刷性，因此将钢中C含量控制在0.06-0.08％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大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，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。但Mn含量过高会导致中心偏析倾向加大，从而有可能因偏析明显的贝氏体偏析带，不利于针状铁素体的形成，从而影响韧性，且这种偏析带也会影响抗HIC性能，本发明中Mn含量设计在0.7-0.9％范围。
Nb：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb(C,N)应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，因此过高的Nb对奥氏体再结晶具有很强的抑制作用，为后续获得纵横向较均匀的奥氏体不利，考虑到C与Nb含量的关系来确定Nb含量范围控制在0.02-0.07％,
V：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合试用时，V主要其析出强化作用，但在快速冷却及一定终冷温度下V的析出受到抑制，本申请专利充分考虑到V的析出机理，将V控制在不高于0.06％。
Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N,在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素。
Mo：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，,同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织，但考虑到其他元素加入，从经济上考虑，Mo含量不高于0.08％。
S、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。
Cu、Ni：可通过固溶强化提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时改善Cu在钢中易引起的热脆性；。
Cr：Cr的加入可提高钢的淬透性，对获得适度的硬度有利，考虑到Cr对形成Δ铁素体的形成，并能弥补因Mn含量降低带来的强度损失，因此将Cr控制在0.45-0.65％。
一种抗HIC深海钻探隔水管用耐冲刷性能X80管线用钢板的工艺路线如下：按照技术方案配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→真空脱气→连铸→板坯再加热→再结晶区TMCP工艺+堆冷。
(1)钢坯：按照元素组成冶炼钢水，以钢水浇铸的铸坯作为热轧钢坯，钢坯厚度150-370mm；(2)再加热：将钢坯再加热，再加热温度：1180～1230℃，让钢坯组织完全奥氏体化，元素充分固溶，尤其确保Nb的碳氮化物固溶，奥氏体晶粒不能过分长大；
(3)未再结晶区轧制：再加热的钢板出炉后经表面除鳞开始轧制，将钢板轧至目标厚度，控制钢板的终轧温度不低于910℃，整个轧制过程均在再结晶区完成，由此获得较等轴奥氏体晶粒；
(4)冷却：轧制结束后立即采用DQ超快冷对钢板进行冷却，直至将钢板表面温度冷却到450-500℃，DQ冷却速度为25-35℃/s，轧后钢板温度较高，采用DQ超快冷快速冷却钢板，让钢板厚度方向产生较大的温差，钢板终轧温度较高，组织为等轴的奥氏体晶粒，在此状态下采用DQ冷却钢板，在钢板表面获得类似于激冷层的细小上贝氏体，而钢板心部冷速较慢，温度仍较高，将获得针状铁素体组织。
随后再通过ACC将钢板冷却到350-400℃，ACC冷却速度为：5-10℃/s，在ACC冷却阶段，冷速相比DQ冷却阶段显著降低，在此过程中，钢板心部热量向表面传递，进行反温，对钢板近表面起到类似回火的作用，“从而形成了表面为极细回火上贝氏体，心部为较细的针状铁素体组织”，前述“回火”在一定程度上缓解了因极冷导致的组织应力，从而有利于抗HIC性能，最终使得钢板表面的形成极细回火上贝氏体，钢板心部因为Mn含量较低而消除了因Mn偏析带来的其他组织，从而主要相变为针状铁素体组织。
最后缓冷到室温。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1)与传统再结晶区和非再结晶区两阶段控轧的管线钢TMCP工艺相比，本申请强化了再结晶区轧制，甚至不采用非再结晶区轧制工艺，即在精轧阶段也采用再结晶轧制。由此获得等轴奥氏体晶粒的终轧组织。
2)考虑到双硬度要求及较低屈强比要求，成分设计上充分考虑几种微合金化元素的作用，Nb、Ti、V、Mo、Cr、Ni等。
3)考虑到要满足维氏硬度和布氏硬度的双硬度要求，尤其地，还要兼顾表面高硬度和低温韧性这两性能的矛盾关系。本申请设计采用分阶段冷却工艺，其中第一阶段采用超快冷工艺，第二阶段则采用慢冷工艺，由此获得表面为回火上贝氏体组织，心部为针状铁素体组织，该组织的钢板实现了钢板表面具有较高硬度而心部具有较高韧性。
附图说明
图1为本发明X80管线钢钢板近表面的典型金相组织；
图2为本发明X80管线钢钢板芯部的典型金相组织。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例涉及抗HIC深海钻探隔水管用耐冲刷性能X80管线用钢板的工艺路线：按照技术方案配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→真空脱气→连铸→板坯再加热→再结晶区TMCP工艺+空冷。
具体如下：
冶炼符合元素成分设计的钢水连铸成板坯，板坯厚度150-370mm。板坯再加热温度：1180～1230℃，之后控轧；粗轧区采用再结晶轧制，控制轧制终止温度为：1080～1120℃，且连续2-3道次单道次压下率≥22％；精轧区仍然采用再结晶区轧制，终轧温度不低于910℃，同时获得所需的成品厚度；精轧结束后，立即采用DQ超快冷对钢板进行快速冷却，钢板表面冷却温度控制在450-500℃；冷却速度控制在25-35℃/s；DQ超快冷结束后，稍后再通过ACC对钢板进行冷却，冷却速度控制5-10℃/s，终冷温度控制在350-400℃随后空冷到室温。
实施例1-3所对应的的化学成分见表1
表1wt％
Figure BDA0002674787350000051
实施例1-3所对应的的轧制工艺见表2
表2
Figure BDA0002674787350000052
Figure BDA0002674787350000061
实施例1-3所对应的主要力学性能见表3，抗HIC性能见表4。
表3
Figure BDA0002674787350000062
表4
Figure BDA0002674787350000063
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种兼具抗HIC及耐冲刷深海钻探隔水管用X80管线用钢板，其特征在于：其元素组成的重量百分配比为，C：0.06-0.08%、Mn：0.7-0.9%、Si：0.30-0.45%、S：≤0.001%、P：≤0.010%、Nb：0.02-0.07%、Ti：0.008-0.03%、V：≤0.06%、Alt：≤0.06%、N: ≤0.004%、O：≤0.003%、Mo：≤0.08%、Cr：0.45-0.65%、Ni：0.20-0.60%，Cu：0.10-0.30%、Ca：≤0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的X80管线用钢板，其特征在于：钢板的检测性能满足：横向屈服强度不小于555MPa；横向抗拉强度不小于680MPa，横向屈强比不高于0.84；纵向屈服强度不小于555MPa；纵向抗拉强度不小于670MPa，纵向屈强比不高于0.85；取圆棒样检测的延伸率：≥25%；钢板纵向横向强度均匀；-30℃冲击功≥300J；沿钢板厚度方向近表面、1/4厚度及1/2厚度的维氏硬度为205-250Hv10，钢板边部、沿板宽1/4、沿板宽1/2处上下表面布氏硬度为205-250HB3000；HIC试验标准：NACE TM0284-2004 A溶液下浸泡96小时，裂纹长度率%=0、裂纹宽度率%=0、裂纹敏感率%=0。
3.根据权利要求1所述的X80管线用钢板，其特征在于：钢板的生产厚度不超过30mm。
4.根据权利要求3所述的X80管线用钢板，其特征在于：钢板的生产厚度为15.88-35mm。
5.一种制造权利要求1-3所述X80管线用钢板的方法，其特征在于：步骤包括
（1）钢坯：按照元素组成冶炼钢水，以钢水浇铸的铸坯作为热轧钢坯；
（2）再加热：将钢坯再加热，再加热温度：1180～1230℃，让钢坯组织完全奥氏体化，元素充分固溶，尤其确保Nb的碳氮化物固溶，奥氏体晶粒不能过分长大；
（3）未再结晶区轧制：再加热的钢板出炉后经表面除鳞开始轧制，将钢板轧至目标厚度，控制钢板的终轧温度不低于910℃，整个轧制过程均在未再结晶区完成，由此获得较等轴奥氏体晶粒；
（4）冷却：轧制结束后立即采用DQ超快冷对钢板进行冷却，直至将钢板表面温度冷却到450-500℃，DQ冷却速度为25-35℃/s，轧后钢板温度较高，采用DQ超快冷快速冷却钢板，让钢板厚度方向产生较大的温差，钢板表面获得类似于激冷层的细小贝氏体，钢板心部获得针状铁素体组织；
随后再通过ACC将钢板冷却到350-400℃，ACC冷却速度为：5-10℃/s，在ACC冷却阶段，冷速相比DQ冷却阶段降低，钢板心部对钢板表面进行反温，起到类似回火的作用，使得钢板表面的回火上贝氏体组织，钢板心部针状铁素体组织；
最后空冷到室温。
6.根据权利要求5所述的X80管线用钢板的制造方法，其特征在于：步骤（1）中，钢水冶炼包括KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼。
7.根据权利要求5所述的X80管线用钢板的制造方法，其特征在于：步骤（3）中，未再结晶区轧制分粗轧和精轧，其中，粗轧阶段的终轧温度为：1080～1120℃，粗轧连续2-3道次单道次压下率≥22%；精轧阶段的终轧温度为：≥910℃，精轧的单道次压下率不低于13%。
CN202010944524.1A 2020-09-10 2020-09-10 一种兼具抗hic及耐冲刷深海钻探隔水管用x80管线用钢板及其制造方法 Pending CN112195396A (zh)

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