CN114836683B - 一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板及其制造方法 - Google Patents

一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板，化学成分wt％为C 0.03‑0.055，Si 0.20‑0.30，Mn 1.50‑1.70，Al 0.02‑0.04，Nb 0.035‑0.055，Ti0.01‑0.02，Cr≤0.20，Ni+Mo 0.20‑0.35，S≤0.0008％，Ca/S≥2，余量为Fe及不可避免的杂质。产品抗拉强度≥650MPa，‑60℃冲击功≥300J，‑30℃DWTT剪切面积≥85％，屈强比≤0.75，按照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％。钢板采用钢水冶炼—板坯连铸—铸坯加热—二阶段控制轧制—二阶段控制冷却—离线热处理，获得具有多边形铁素体+针状铁素体组织的管线钢钢板。

Description

一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢 板及其制造方法
技术领域
本申请属于冶金技术领域，涉及一种适用于湿硫化氢环境下的高强度高韧性低屈强比管线钢板的制造方法。
背景技术
在输送含有湿硫化氢介质的石油或天然气时，通常采用具有良好抗HIC性能的管线钢板。在抗HIC管线钢领域，目前行业批量应用的最高等级为450MPa级管线钢，随着强度的升高，会带来钢板屈强比升高、HIC稳定性变差的技术难题，制约着高等级抗HIC管线钢的产业化，也是该领域存在的主要技术难题之一。
专利公告号CN112195396A提出了一种兼具抗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，具有高强度和抗HIC的特性，但是屈强比分布在0.82-0.85之间，不满足低屈强比(≤0.75)的要求。专利公告号CN111996448A提出了一种高加载应力下抗SSCC性能优良L485MS管线钢及其制造方法，采用TMCP工艺获得高强度高抗HIC、SSC性能管线钢板，但是屈强比分布在0.80-0.84之间，不同时满足低屈强比高抗HIC性能的要求。专利公告号CN110846553A提出一种富H2S环境用低屈强比抗腐蚀管线钢钢带及其生产方法，采用热连轧控轧控冷工艺生产抗HIC低屈强比管线钢，屈强比范围在0.87以下，远达不到0.75以下。专利公告号CN110106439A提出了一种海洋立管用X65热轧钢板及其制备方法，钢板横向屈服强度：450～550MPa，抗拉强度：535～650MPa；钢板纵向屈服强度：440～550MPa，抗拉强度：535～650MPa，断后伸长率A50≥30％，屈强比≤0.89，具有良好抗HIC性能，但屈强比的控制仍未达到≤0.75的要求。专利公告号CN107326261A提出了一种低屈强比薄规格高强抗酸管线钢热轧卷板及其制造方法，屈强比控制在≤0.90的范围。专利公告号CN110964991B提出了一种兼具抗HIC和抗大变形的管线钢及其制造方法，通过控轧控冷工艺得到单相贝氏体高强管线钢，实现了抗HIC性能和低屈强比的性能要求，但低温韧性富余少。
从现有低屈强比高强韧抗HIC管线钢的角度看，能够同时满足抗HIC性能的低屈强比高强度高韧性管线钢钢板的产品还较少。
发明内容
本申请的目的是提供一种适用于湿硫化氢环境下的高强度高韧性低屈强比管线钢板及其制造方法。目标钢板的抗拉强度≥650MPa，-60℃冲击功≥300J，-30℃DWTT剪切面积≥85％，屈强比≤0.75，按照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％。
本申请解决上述问题所采用的技术方案为：一种适用于湿硫化氢环境下的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板的化学成分wt％为C 0.03-0.055，Si 0.20-0.30，Mn 1.50-1.70，Al 0.02-0.04，Nb 0.035-0.055，Ti 0.01-0.02，Cr≤0.20，Ni+Mo 0.20-0.35，S≤0.0008％，Ca/S≥2，余量为Fe及不可避免的杂质；所述钢板具有多边形铁素体+针状铁素体的热处理组织。
本申请中所含有所有关键组分的作用及其含量选择理由具体说明如下：
C：钢中影响HIC性能和相变参数的关键元素，过高会导致中心偏析严重，HIC裂纹开裂率显著提升，过低则强化效果不足，需要通过其它合金元素弥补强度上的损失，经济性下降；本专利中，根据工艺设计，在高冷速下仍达到细小的铁素体组织，C含量选择范围为0.030-0.055％。
Si：主要脱氧元素，能起到固溶强化作用，过高则会则会恶化管线钢的塑、韧性；本申请Si含量选择范围为0.20-0.30％。
Mn：主要固溶强化元素，以固溶强化形式提高钢的强度和韧性，弥补由于低碳导致的强度损失，有利于屈强比的控制；同时，也是连铸过程中的主要偏析元素，过高时会形成中心偏析硬化带，导致HIC性能下降；传统抗HIC管线钢，Mn含量一般控制在≤1.2％的范围内，但是会带来强化效果弱、屈强比高的问题；如果提升Mn含量，必须要解决由于Mn偏析带来的HIC性能下降的问题。本申请中重点在平衡对HIC影响的影响和对降低屈强比的贡献，结合后续工艺，Mn的合理选择范围为1.50-1.70％；
Al：主要脱氧元素和细晶元素，并通过形成AlN起到细化晶粒的作用。本申请Al含量的选择范围为0.02-0.04％。
Nb、Ti：管线钢中最重要的细晶元素，粗轧阶段Nb可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，显著细化原奥氏体晶粒度；精轧阶段在未再结晶区轧制的时形成细小的Nb(C，N)、TiN析出相，细化铁素体晶粒；综合考虑，本申请Nb含量的选择范围为0.035-0.055％、Ti含量的选择范围为0.01-0.02％。
Ni、Mo:Ni是奥氏体无限固溶元素，通过固溶强化提高钢的强度和韧性，本专利主要利用其固溶强化作用,Ni的选择范围在0.10-0.20％；Mo是强碳化物形成元素，可显著推迟珠光体转变，有利于得到贝氏体组织，本申请专利中Mo的选择范围在0.10-0.20％。Ni+Mo的综合范围在0.20-0.35％。
S：钢中的主要杂质元素，与Mn作用形成MnS夹杂，显著降低抗HIC性能，本申请专利中为保证具有良好的抗HIC性能，严格限定S含量，S≤0.0008％；同时Ca/S要求≥2。
本申请的另一目的是提供上述管线钢钢板的制造方法，包括
步骤一、钢水冶炼。
步骤二、铸坯浇铸。
步骤三、铸坯加热：使组织完全奥氏体化，合金元素充分固溶，以获得更为均匀的原奥氏体晶粒度。
步骤四、轧制：采取二阶段轧制工艺，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1050-1150℃，累计综合压下率≥60％，第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820-900℃，终轧温度800-840℃，累计道次压下率≥65％；通过两阶段轧制充分进行晶粒细化。
步骤五、冷却：分两阶段进行冷却，第一阶段为空冷阶段，空冷结束温度为680±5℃；通过轧后空冷，得到部分铁素体组织。第二阶段为加速冷速阶段，终冷温度500-550℃，冷速15-20℃/s；通过二阶段的快速冷却，得到贝氏体+铁素体的双相组织。
步骤六：钢板冷却至室温。
步骤七、离线热处理：加热温度830℃±10℃，进行亚临界奥氏体化处理，保温1.2min/mm×钢板厚度mm，之后快速冷却到室温，冷速10-15℃/s。通过对铁素体+贝氏体双相组织进行重新部分奥氏体化，利用双相界面更多的奥氏体形核点，得到均匀细小的原奥氏体晶粒，同时可以改善由于Mn含量高导致的中心硬化带组织，提高抗HIC性能；然后在冷却过程汇中控制合理的冷却速度，得到以多边形铁素体+针状铁素体的热处理组织。
优选地，步骤一钢水冶炼是将钢水经转炉顶底吹炼、LF+RH精炼，再精炼过程中对钢水硫化物钙处理，以调节S≤0.0008％，Ca/S≥2。
优选地，步骤二铸坯浇铸采用连铸工艺，连铸坯厚度150-370mm。当然更大厚度的连铸坯也可以，连铸坯厚度越大，压下率越大，对轧制和加热的要求越高，会造成成本过大。企业人员可根据实际生产厚度来选择铸坯厚度。
优选地，步骤三铸坯加热工艺：150mm铸坯加热炉在炉时间170-200min，370mm铸坯加热炉在炉时间380-410min，均热段保温温度1150-1220℃，保温时间≥30min。
与现有技术相比，本申请的优点在于：本申请打破了传统低碳低Mn的设计思路，利用控轧控冷+热处理相结合的生产工艺，克服Mn含量偏高导致的HIC性能下降的技术难题，同时发挥Mn的固溶强化作用，解决了高强度管线钢屈强比偏高的问题，通过合理控制相变过程，得到细小弥散的多边形铁素体+针状铁素体组织，得到适用于湿硫化氢环境下的高强度高韧性低屈强比管线钢板。
附图说明
图1为本申请实施例2的25.4mm厚钢板的显微组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申
实施例1-3：
根据本申请的化学成分范围及制造方法，经转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—板坯连铸—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—控制轧制—冷却—离线热处理等工艺步骤，制造具有良好抗HIC性能的低屈强比高强度高韧性管线钢板。钢板的生产厚度为10-40mm。
各实施例加热、轧制和冷却阶段的具体工艺为：将连铸坯加热至1150-1220℃，加热总时间为190min(实施例1)/394min(实施例2)和401min(实施例3)，均热段保温时间为32min(实施例1)55min(实施例2)和60min(实施例3)，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行控制轧制，粗轧阶段开轧温度为1050-1080℃(实施例1)/1080-1100℃(实施例2和实施例3)，累计综合压下率为66.7％(实施例1)/75.9％(实施例2)和67.5％(实施例3)；精轧待温厚度分别为50mm(实施例1)/89mm(实施例2)和120mm(实施例3)，精轧开轧温度分别为880-890℃(实施例1)/840-850℃(实施例2)和820-830℃(实施例3)，精轧累计道次压下率分别为70％(实施例1)/71.4％(实施例2)和66.7％(实施例3)；轧后进入冷却阶段，第一阶段空冷结束温度在675-685℃(实施例1-3)，第二阶段加速冷却阶段终冷平均温度分别为546℃(实施例1)/538℃(实施例2)和510℃(实施例3)，得到厚度分别为15mm(实施例1)/25.4mm(实施例2)和40mm(实施例3)的热轧钢板；然后加热至830℃±5℃、保温18min(实施例1)/31min(实施例2)和48min(实施例3)，然后快速冷却至室温，平均冷速分别为14℃/s(实施例1)/12℃/s(实施例2)和11℃/s(实施例3)。
各实施例制得的钢板化学成分见表1，钢板的力学性能见表2和表3，钢板的显微组织如图1所示。
表1各实施例钢板的化学成分(wt.％)
实例 C Si Mn Cr S Al Nb Ti Ca/S Ni+Mo
1 0.033 0.24 1.55 0.15 0.0007 0.023 0.048 0.015 2.4 0.24
2 0.034 0.23 1.58 0.17 0.0004 0.027 0.050 0.017 2.9 0.28
3 0.041 0.23 1.64 0.16 0.0005 0.022 0.052 0.015 2.8 0.33
表2各实施例钢板的力学性能
表3各实施例钢板的抗HIC性能
除上述实施例外，本申请还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分wt%为C 0.03-0.055，Si 0.20-0.30，Mn 1.50-1.70，Al 0.02-0.04，Nb0.035-0.055，Ti 0.01-0.02，Cr ≤0.20，Ni+Mo 0.20-0.35，S≤0.0008%，Ca/S≥2，余量为Fe及不可避免的杂质；所述钢板具有多边形铁素体+针状铁素体的热处理组织；所述钢板的制造方法，包括：
步骤一、钢水冶炼；
步骤二、铸坯浇铸；
步骤三、铸坯加热：使组织完全奥氏体化，合金元素充分固溶；
步骤四、轧制：采取二阶段轧制工艺，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1050-1150℃，累计综合压下率≥60%，第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820-900℃，终轧温度800-840℃，累计道次压下率≥65%；
步骤五、冷却：分两阶段进行冷却，第一阶段为空冷阶段，空冷结束温度为680±5℃；第二阶段为加速冷速阶段，终冷温度500-550℃，冷速15-20℃/s；
步骤六：钢板冷却至室温；
步骤七、离线热处理：加热温度830℃±10℃，保温1.2min/mm×钢板厚度mm，之后快速冷却到室温，冷速10-15℃/s。
2.根据权利要求1所述的适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板，其特征在于：钢板的抗拉强度≥650MPa，-60℃冲击功≥300J，-30℃DWTT剪切面积≥85%，屈强比≤0.75，按照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%。
3.一种制备根据权利要求1所述适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板的方法，其特征在于：包括
步骤一、钢水冶炼；
步骤二、铸坯浇铸；
步骤三、铸坯加热：使组织完全奥氏体化，合金元素充分固溶；
步骤四、轧制：采取二阶段轧制工艺，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1050-1150℃，累计综合压下率≥60%，第二阶段为精轧阶段，开轧温度为820-900℃，终轧温度800-840℃，累计道次压下率≥65%；
步骤五、冷却：分两阶段进行冷却，第一阶段为空冷阶段，空冷结束温度为680±5℃；第二阶段为加速冷速阶段，终冷温度500-550℃，冷速15-20℃/s；
步骤六：钢板冷却至室温；
步骤七、离线热处理：加热温度830℃±10℃，保温1.2min/mm×钢板厚度mm，之后快速冷却到室温，冷速10-15℃/s。
4.根据权利要求3所述的适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板的制备方法，其特征在于：步骤一钢水冶炼是将钢水经转炉顶底吹炼、LF+RH精炼、对钢水硫化物钙处理，以调节S≤0.0008%，Ca/S≥2。
5.根据权利要求3所述的适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板的制备方法，其特征在于：步骤二铸坯浇铸采用连铸工艺，连铸坯厚度150-370mm。
6.根据权利要求3所述的适用于湿硫化氢环境的高强度高韧性低屈强比管线钢钢板的制备方法，其特征在于：步骤三铸坯加热工艺：150mm铸坯加热炉在炉时间170-200min，370mm铸坯加热炉在炉时间380-410min，均热段保温温度1150-1220℃，保温时间≥30min。
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