CN112760464A - 一种正火型低屈强比uoe焊管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正火型低屈强比UOE焊管，其化学元素质量百分比为：C：0.14～0.18％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.20～1.50％、Cu≤0.15％、Ni≤0.15％、Cr≤0.15％、Nb：0.010～0.030％、Ti：0.005～0.020％、Ca：0.001～0.005％、Al：0.020～0.050％、B≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。此外，本发明还公开了上述的正火型低屈强比UOE焊管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和连铸；(2)钢板轧制；(3)UOE制管；(4)整管正火；(5)精整：控制扩径率为0.6～2％。

Description

一种正火型低屈强比UOE焊管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢管及其制造方法,尤其涉及一种焊管及其制造方法。
背景技术
由于石油炼化行业用高温蒸汽输送管道需要在高温下长时服役，因而，对材料的组织均匀性有较高要求，通常选用正火态、调制态等热处理型的无缝钢管，上述无缝钢管具有良好的组织性能均匀性，然而，无缝钢管受限于口径规格，无法满足部分工程的大输量需求，只能通过增加管道数量来实现，导致成本上升。
例如：公开号为CN105821335A，公开日为2016年8月3日，名称为“一种焊接性优良的低成本超低温正火型管线钢及其生产方法”的中国专利文献公开来了一种超低温正火型管线钢。在该专利文献所公开的技术方案中，其采用了较低含量的C，且添加了V。
又例如：公开号为CN104862612A，公开日为2015年8月26日，名称为“一种460MPa级耐低温正火钢、钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种460MPa级耐低温正火钢。在该专利文献所公开的技术方案中，其实际生产的产品为无缝钢管，而非焊管，且该专利文献所公开的技术方案在成分设计上添加了较多的合金例如了Cu、Ni、Cr、Mo、V。
再例如：公开号为CN102719737A，公开号日为2012年10月10日，名称为“屈服强度460MPa级正火高强韧钢板及其制造方法”的中国专利文献公开了一种屈服强度460MPa级正火高强韧钢板。在该专利文献所公开的技术方案中，其化学成分中含有较高的V和N，因而采用VN细晶和析出强化的设计思路。
基于此，期望获得一种正火型低屈强比焊管，其可以满足高温蒸汽输送对组织性能均匀性的要求，并且该正火型低屈强比焊管可以增加口径，进而提高输送效率，且其成本显著低于无缝钢管，更具有经济效益。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种正火型低屈强比UOE焊管，该正火型低区强比UOE焊管以C、Mn为主，并且添加少量的Cu、Ni、Cr以及Nb合金元素，使得该正火型低屈强比UOE焊管具有较好的经济性，且可以在满足强度的同时具有较好的可焊性。
为了实现上述目的，本发明提出了一种正火型低屈强比UOE焊管，其化学元素质量百分比为：
C：0.14～0.18％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.20～1.50％、Cu≤0.15％、Ni≤0.15％、Cr≤0.15％、Nb：0.010～0.030％、Ti：0.005～0.020％、Ca：0.001～0.005％、Al：0.020～0.050％、B≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，C为最基本的强化元素。C溶解在钢中，一方面起到固溶强化的作用，而另一方面，在正火钢中，C元素是珠光体形成的必要元素，可以提高抗拉强度，获得低屈强比。但质量百分比过高的会在焊接过程中形成尺寸较大的碳化物，不利于焊接。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将C的质量百分比控制在0.14～0.18％。
Si：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Si是固溶强化元素，同时也是钢中的脱氧元素，但Si的质量百分比过高会恶化钢材的焊接性能，亦会导致钢板表面形成较多红铁皮。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Si的质量百分比控制在0.15～0.30％。
Mn：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Mn是最有效、最经济的固溶强化元素之一，其可以有效提高正火钢的强度，但Mn是易偏析元素，会导致钢板中心生成低韧性的硬相组织，降低韧性。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管将Mn的质量百分比控制在1.20～1.50％。
Cu：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Cu是固溶强化元素，有助于抵抗焊接热影响区的软化，还可提高钢的耐蚀性，但Cu的熔点较低，Cu的质量百分比过高时，容易在热轧钢板表面形成脆性裂纹，同时为提高经济性。基于此，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管将Cu的质量百分比控制在Cu≤0.15％。
Ni：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Ni是固溶强化元素，其起的主要作用是与Cu元素形成颗粒状复合相，避免“铜裂”现象的发生，但Ni元素价格昂贵。因此，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管将Ni的质量百分比控制在Ni≤0.15％。
Cr：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Cr是提高钢的淬透性的重要元素，在提高强度的同时，有助于提高厚规格钢板厚度方向的组织均匀性，但当Cr的质量百分比过高，会导致强度过高以及韧性下降。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Cr的质量百分比控制在Cr≤0.15％。
Nb：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Nb在粗轧过程中可起到拖拽奥氏体晶界的作用，有助于抑制再结晶奥氏体的长大，可细化原始奥氏体，此外，精轧过程应变诱导析出的Nb(N,C)粒子，具有析出强化作用，还可促进多边形铁素体形核，达到细化晶粒的效果。而Nb的质量百分比过高时，受C、Nb溶度积的限制，在板坯加热过程中Nb无法完全溶解。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Nb的质量百分比控制在0.010～0.030％，。
Ti：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Ti是一种强烈的碳氮化物形成元素，可以起到固定间隙N原子的作用，TiN具有较高的热稳定性，能够在板坯加热和粗轧再结晶过程中阻止奥氏体晶粒的长大，此外，TiN还能在焊接过程中阻止热影响区晶粒长大，提高钢的焊接性能。由于微量的Ti即可达到效果。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Ti的质量百分比控制在0.005～0.020％。
Ca：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，添加微量的Ca控制硫化物的形态，避免长条状MnS的形成，但质量百分比过高的Ca也会出现CaS、CaO的团聚。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Ca的质量百分比控制在0.001～0.005％。
Al：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，Al是为了脱氧而加入钢中的元素，可以添加适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将Al的质量百分比控制在0.020～0.050％。
B：在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，B是强淬透性元素，能够提高强度，但易在晶界析出导致材料的塑性、韧性下降。基于此，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中将B的质量百分比控制在B≤0.0005％。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，在其他不可避免的杂质中：P≤0.018％，S≤0.003％，N≤0.006％，O≤0.005％。
上述方案中，考虑到少量的N虽然可以与Ti形成高熔点的TiN粒子，起到抑制再加热过程中奥氏体晶粒粗化的作用。但当N的质量百分比过高时，间隙N原子会钉扎位错，使屈服强度和屈强比明显上升，并有损塑性和韧性。基于此，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管将N的质量百分比控制在N≤0.0060％。
此外，考虑到O在钢中会形成氧化物夹杂，因此，可以优选地可以将O的质量百分比控制在O≤0.0050％。
另外，S、P也是钢中不可避免的杂质元素。S易形成MnS夹杂物，经轧制后呈长条形，P是易于偏析的元素，两种元素均会降低钢的韧性。因此，在本发明所述的技术方案中，控制P、S的质量百分比在S≤0.003％，P≤0.018％。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，其微观组织为尺寸均匀的多边形铁素体+珠光体。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，其中铁素体的相比例为50～80％。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，其外径为711～1016mm。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管，其屈服强度为290～450MPa，抗拉强度为415～655MPa，且屈强比≤0.80。
进一步地，在本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管中，正火型低屈强比UOE焊管的管体、焊缝、热影响区的冲击韧性均满足-10℃冲击功≥100J。
相应地，本发明的另一目的在于提供上述的正火型低屈强比UOE焊管的制造方法，通过该制造方法可以获得正火型低屈强比UOE焊管低屈强比、高韧性，且该正火型低屈强比UOE焊管的外径可以达到711～1016mm的大口径。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的正火型低屈强比UOE焊管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)钢板轧制；
(3)UOE制管；
(4)整管正火：控制正火温度为860～920℃，保温时间为1.0～3.0min/mm×壁厚；
(5)精整：控制扩径率为0.6～2％。
在本发明所述的技术方案中，本案发明人通过研究发现现有技术中以TMCP钢板为原材料制成UOE焊管会遭遇以下两个难点：其一，钢管经正火处理后，其强度显著低于TMCP态钢板的强度，需要通过增加C或合金元素的含量来保证强度，但这会影响钢板的可焊性；其二，当制造大口径焊管时受自重的影响，在正火过程中，管型会发生变化，尤其是椭圆度会增加，需要后续进行精整，该过程会引入较大的冷变形，因而，会对管材要求较低的低屈强比。
而本发明所述的制造方法则通过合理控制合金成分，使得钢板在制造为焊管时可以直接整管正火，通过精整后，获得所需要的正火型低屈强比UOE焊管。其中，控制正火温度为860～920℃，是为了：既要保证充分奥氏体化，又要避免晶粒过大，并且可以在在管段放置十字支撑架，以减轻管型变化。保温时间可以根据实际壁厚确定，其控制在1.0～3.0min/mm×壁厚。而考虑到整管正火后的钢管，尺寸会发生较大变化，直度和椭圆度无法满足尺寸精度要求，因而需要精整，以进行全长扩径，扩径率控制在0.6％～2％是因为：当扩径率小于0.6％时，成型后回弹较大，尺寸难以满足要求；而扩径率大于2％时，过大的冷变形会导致屈服强度和屈强比上升，塑性余量下降。
需要说明的是，扩径率＝(扩径后钢管外径-扩径前钢管外径)/扩径前钢管外径×100％。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制板坯加热温度为1110～1180℃，粗轧温度为960～1080℃，精轧温度为770～850℃，且控制精轧总压下率为70～80％。
上述方案中，由于在板坯加热的过程中，加热温度是影响原始奥氏体晶粒尺寸的重要因素，为了使得本案的正火型低屈强比UOE焊管最终性能较优，因而，控制其范围在1110～1180℃。
此外，考虑到精轧在未再结晶区轧制，轧制变形可在奥氏体中积累应变储能和变形带，有助于相变形核，精轧温度越低，应变积累越不易发生回复，但应在Ar3点以上，因此，在本发明所述的技术方案中，精轧温度范围为770～850℃，同时控制精轧总压下率≥70％，以获得足够的应变累积。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，轧后控制冷却，其中冷却速度为15～40℃/s，停冷温度为400～550℃。
上述方案中，控制冷却是因为：轧后冷却是形变奥氏体的相变过程，适当的冷却速度和停冷温度有助于铁素体形核，以获得细化的组织，因此，优选地可以控制冷却速度控制范围为15～40℃/s，停冷温度控制范围为400～550℃。
本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管由于主要以C、Mn为主，添加很少量的Cu、Ni、Cr、Nb合金元素，不含Mo，因此，具有较好的经济性。
此外，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管组织均匀，满足强度要求的同时，具有低强度比。另外，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管冲击韧性高，非常适用于生产大口径例如外径为711～1016mm的大口径正火型钢管。
本发明所述的制造方法除了也同样具有上述的优点以及有益效果外，其可以在进行整管正火后，使得最终获得的UOE焊管具有较好的性能，尤其是可以在满足强度的同时具有低屈强比，非常有利于生产制造大口径钢管。
附图说明
图1为实施例2的正火型低屈强比UOE焊管的典型金相组织。
具体实施方式
下面将结合说明书附图以及具体的实施例对本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
实施例1-6的正火型低屈强比UOE焊管采用以下步骤制得：
(1)冶炼和连铸：其中，冶炼可以采用转炉冶炼，LF+RH精炼，随后进行连铸，连铸板坯厚度/成品厚度≥10。
(2)钢板轧制：控制板坯加热温度为1110～1180℃，粗轧温度区间为960～1080℃，精轧温度区间为770～850℃，且控制精轧总压下率为70～80％，轧后控制冷却，其中冷却速度为15～40℃/s，停冷温度为400～550℃。
(3)UOE制管。
(4)整管正火：控制正火温度为860～920℃，保温时间为1.0～3.0min/mm×壁厚。
(5)精整：控制扩径率为0.6～2％。
在一些实施方式中，UOE制管包括以下步骤：
(3a)引弧板焊接：在钢板四个角部焊接引弧板，在焊接时起引弧作用。
(3b)铣边、坡口尺寸：上坡口角度为32°～42°，下坡口角度为32°～47°，这是因为：通过合理的坡口尺寸设计，可以有利于得到良好的焊缝形貌，保证焊接质量。
(3c)C成型：即预弯边，将钢板的边部通过弯边装置弯曲成所需的形状，满足后续O成型的曲率要求。
(3d)U成型：根据成品钢管口径，将预弯边的钢板压制成U型。
(3e)O成型：采用与成品钢管口径匹配的模具，将U成型后的钢板压制成O型，O成型压缩率控制在0.16～0.22％之间，这是因为：O成型压缩率低于0.16％时，钢管压缩形变量过低，成型回弹会导致开口过大，而压缩率高于0.22％时，板边坡口接触部位易产生形变破坏，影响后续焊接。具体地，O成型压缩率＝(π×(预焊后外径-壁厚)-铣边后宽度)/铣边后宽度×100％。
(3f)高压水冲洗和烘干：对O成型后的开缝钢管的内外表面进行高压水冲洗，去除氧化铁皮、油脂、灰尘等污染，随后进入烘干炉，烘干温度为100℃～300℃。
(3g)预焊：采用CO2或Ar+CO2气体保护焊对O成型后的开缝钢管进行预焊焊接，以保证后续内焊、外焊过程中电弧稳定。
(3h)内焊：根据壁厚，采用3丝或4丝埋弧焊工艺进行钢管内焊，第1丝为直流反接，第2、3、4丝为交流，焊丝直径可以为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。焊接速度为1.3～1.9m/min。内焊焊剂需在250～450℃范围内进行烘干，烘干时间≥2小时。
(3i)外焊：根据壁厚，采用3丝或4丝埋弧焊工艺进行钢管外焊，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。焊接速度为1.2～1.8m/min。外焊焊剂需在250～450℃范围内进行烘干，烘干时间≥2小时。
表1列出了实施例1-6的正火型低屈强比UOE焊管的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、O以及N以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002240522810000081
表2列出了实施例1-6的正火型低屈强比UOE焊管的具体工艺参数。
表2.
Figure BDA0002240522810000082
Figure BDA0002240522810000091
注：粗轧与精轧包括多个道次，有一定持续时间，因此温度控制在温度区间内完成。
对本案实施例1-6的正火型低屈强比UOE焊管进行测试，其中拉伸性能采用圆棒试样，冲击试验采用全尺寸夏比冲击试样(10×10×55mm)。
表3列出了实施例1-6的正火型低屈强比UOE焊管的测试结果。
表3.
Figure BDA0002240522810000092
Figure BDA0002240522810000101
由表3可以看出，本案各实施例的正火型低屈强比UOE焊管的屈服强度为290～450MPa，抗拉强度为415～655MPa，且屈强比≤0.80，并且正火型低屈强比UOE焊管的管体、焊缝、热影响区的冲击韧性均满足-10℃冲击功≥100J。
此外，结合表2可以看出，本案各个实施例的正火型低屈强比UOE焊管的外径为711～1016mm。
图1为实施例2的正火型低屈强比UOE焊管的典型金相组织。
如图1所示，实施例2的正火型低屈强比UOE焊管的微观组织为尺寸均匀的多边形铁素体+珠光体，其中铁素体的相比例为50～80％。
综上所述可以看出，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管由于主要以C、Mn为主，添加很少量的Cu、Ni、Cr、Nb合金元素，不含Mo，因此，具有较好的经济性。
此外，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管组织均匀，满足强度要求的同时，具有低强度比。另外，本发明所述的正火型低屈强比UOE焊管冲击韧性高，非常适用于生产大口径例如外径为711～1016mm的大口径正火型钢管。
本发明所述的制造方法除了也同样具有上述的优点以及有益效果外，其可以在进行整管正火后，使得最终获得的UOE焊管具有较好的性能，尤其是可以在满足强度的同时具有低屈强比，非常有利于生产制造大口径钢管。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.14～0.18％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.20～1.50％、Cu≤0.15％、Ni≤0.15％、Cr≤0.15％、Nb：0.010～0.030％、Ti：0.005～0.020％、Ca：0.001～0.005％、Al：0.020～0.050％、B≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：P≤0.018％，S≤0.003％，N≤0.006％，O≤0.005％。
3.如权利要求1所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，其微观组织为尺寸均匀的多边形铁素体+珠光体。
4.如权利要求3所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，其中铁素体的相比例为50～80％。
5.如权利要求1所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，其外径为711～1016mm。
6.如权利要求1所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，其屈服强度为290～450MPa，抗拉强度为415～655MPa，且屈强比≤0.80。
7.如权利要求1或6所述的正火型低屈强比UOE焊管，其特征在于，所述正火型低屈强比UOE焊管的管体、焊缝、热影响区的冲击韧性均满足-10℃冲击功≥100J。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的正火型低屈强比UOE焊管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)钢板轧制；
(3)UOE制管；
(4)整管正火：控制正火温度为860～920℃，保温时间为1.0～3.0min/mm×壁厚；
(5)精整：控制扩径率为0.6～2％。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，控制板坯加热温度为1110～1180℃，粗轧温度为960～1080℃，精轧温度为770～850℃，且控制精轧总压下率70～80％。
10.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，轧后控制冷却，其中冷却速度为15～40℃/s，停冷温度为400～550℃。
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