CN1840727A - 管道用钢 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种管道用钢，本发明的管道用钢不但在常温及高温中具有优异的强度和韧性，而且不必添加价格昂贵的合金元素。本发明的管道用钢含有：C：0.04～0.16％，Si：0.5％以下，Mn：0.8～1.7％，P：0.015％以下，S：0.003％以下，Ti：0.04％以下，Al：0.001～0.07％，N：0.01％以下，同时满足Al×(N－Ti/3.4)≤0.00015，将其组织构成为含有奥氏体平均粒径为30～200μm的马氏体或贝氏体的组织，或者其经过回火的组织。本发明可降低管道用钢的生产成本并适合用作油田以及天然气田等环境恶劣的深层油田输流线。

Description

管道用钢
技术领域
本发明是关于具有高强度和韧性，以及优良的高温强度的高张力管道用钢。
背景技术
作为管道用钢不仅要求具有高强度，还要具有优异的韧性。特别是油田以及天然气田开发过程中随着向恶劣环境的移动，甚至要求具有可耐200℃左右高温这样优异的高温强度。
近年来，由于考虑到将来石油，天然气资源趋于枯竭，油田以及天然气田的开发向那些环境更恶劣的如深层油田进行开拓，生产流体也随之变为高温高压状态。
另外，海底油田开发正处于一个开发高潮。从减少设备投资和维持费用的角度考虑，对于一些小规模油田不单独拥有处理生产流体的设备，而主流方式是将生产流体通过被称为输流线的海底管道输送到邻近的油田的处理设备进行集中处理。深层油田采用如此方式的话，由于流过输流线的是高达200℃左右的高温高压流体，所以要求使用的管道具有达到200℃的优良的高温强度。作为此要求的解决方案，特开昭56-166324号公告中公开了一种将含有在特定组成的C，Si，Mn，Al中添加Mo或V的任意一种或二种元素的无缝钢管，经热轧制管后，立即直接淬火再回火的方法。但是此方法必须添加价格昂贵的Mo，V合金元素，另外进行直接淬火会使奥氏体结晶粒变大，母体的韧性降低，因而不适用于寒冷地区。
此外，在特开平2-50917号公报中也公开了一种添加Cr，V必须元素的特定组成的钢的圆坯锭，经曼内斯曼制管方式制成的无缝钢管，在850～1000℃加热后淬火，随后在500～700℃回火的方法，因其必须添加Cr，V合金元素，依然价格昂贵。
发明内容
本发明是提供一种不必添加价格昂贵的合金元素，且在常温及高温中具有优异的强度和韧性的管道用钢。
本发明者为了解决上述课题经过反复研究的得到了以下的发现并据此完成了本发明：
(1)为了得到不需要添加价格昂贵的合金元素而又能在常温及高温中具有优异的强度和韧性的组织的管道用钢，可以将其组织构成为含有奥氏体平均粒径为30～200μm的马氏体或贝氏体的组织，或者其经过回火的组织。
(2)虽然，一般情况下，如此大的奥氏体平均粒径的组织会使韧性较差，但通过控制Al，Ti，N的添加量，即使不形成细粒组织也同样地得到优良的韧性。
本发明所提供的是以下所述管道用钢。
(1)一种管道用钢，其特征是：含有：以质量％为基准，C：0.04～0.16％，Si：0.5％以下，Mn：0.8～1.7％，P：0.015％以下，S：0.003％以下，Ti：0.04％以下，Al：0.001～0.07％，N：0.01％以下，同时满足Al×(N-Ti/3.4)≤0.00015…(1)，
由含有奥氏体平均粒径为30～200μm的马氏体或贝氏体的组织，或者以上材料的回火组织所形成的管道用钢。
(2)上述(1)中所述的管道用钢，除上述成份以外，还含有：以质量％为基准，Cr：0.6％以下，Mo：0.3％以下，Cu：0.4％以下，Ni：0.4％以下，Nb：0.01％以下，V：0.08％以下，B：0.001％以下中的一种或多种元素。
(3)上述(1)或(2)中所述的管道用钢，还含有：以质量％为基准，Ca：0.005％以下。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的高张力管道用钢的实施方式。
首先说明本发明中所限定的化学组成的理由。本说明书中的「％」在没有特别注明情况下定义为「质量％」。
C：是用于提高钢的强度必须添加的元素。为确保在常温及高温下的必要强度需添加0.04％以上。另一方面当其含量超过0.16％时，母材及焊接部的热影响部分将会发生韧性降低现象，为此含量定为0.04～0.16％。并且优选0.06％～0.13％。
Si：其主要以脱氧为目的而添加，还有助于提高常温及高温下的强度。当超过0.5％时，母材及焊接部的热影响部分将会发生韧性降低现象，为此含量定为0.5％以下，并优选0.35％以下。
Mn：为确保钢的强度和韧性的有效元素，低于0.8％时不能达到预期效果。另一方面当超过1.7％时，母材会降低韧性，为此含量定为0.8～1.7％。
P：钢中所存在的杂质，会使母材韧性降低的元素，因此其含量为越少越好，为0.015％以下，更好为0.012％以下。
S：和P相同，是钢中所存在的杂质，会使母材韧性降低的元素。因此其含量为越少越好，为0.003％以下，更好为0.001％以下。
Ti：通常与钢中的N和C结合后以TiN，TiC形式所存在。因它们在母材为粗粒组织的情况下会使韧性恶化，所以从这个角度来看，尽可能不添加为好。一方面，没有以TiN的形式被固定的N与Al结合产生AlN而使母材的韧性降低。另外，当TiN过量存在时，由于锁定效果会使奥氏体晶粒细粒化，从而使钢的淬硬性降低而达不到充分的强度。因此，首先，Ti的添加量因被控制在满足上述式(1)，其次即使满足式(1)，其含量一旦超过0.04％时，也会降低韧性，所以其上限被设定为0.04％。
Al：其主要以脱氧为目的而添加，低于0.001％使得脱氧不足将导致钢质劣化。但是当含量超过0.07％后，脱氧效果几乎不变，反而会因增加了夹杂物而使韧性减低。所以，Al的含量被定为0.001～0.07％，优选0.01～0.05％。然而，即使在上述范围内，Al与钢中的N结合产生的AlN过量存在的情况下，由于锁定效果会使奥氏体晶粒细粒化，从而使钢的淬硬性降低而达不到充分的强度，而且，过量的AlN在这样的粗粒组织中又会使母材的韧性降低，因此，Al的杭两应被控制为满足式(1)。
N：钢中所存在的杂质，与Ti结合产生TiN，没有以TiN的形式为固定的N会与Al结合产生AlN，从而由于锁定效果使奥氏体晶粒细粒化，降低钢的淬硬性达不到充分的强度，同时，在粗粒组织还会使得韧性降低，因而要求N的含量尽量低，上限为0.01％，并且满足式(1)。
其次，对于Al，N和Ti控制式的限定理由进行说明。如上所述，Al和Ti与钢中的N结合产生AlN和TiN，它们都会由于锁定效果而导致奥氏体晶粒细粒化，从而降低钢的淬硬性以至达不到充分的强度。与此同时，AlN和TiN还会在粗粒组织中降低韧性。因此，除了逐一限制这些元素的含量之外，还需将式(1)所得值控制在0.00015以下，才能得到高强度和高韧性。
接下来对所望添加的元素Cr，Mo，Cu，Ni，Nb，V，B及Ca的添加理由加以说明。这些元素均为改善钢的强度而添加的元素。通过在基本成份中根据需要添加一种或几种以上的元素，能进一步提高强度和韧性。
Cr：为了提高淬硬性得到高强度而添加的元素。此元素的添加能实现在常温及高温下的高强度化。但当添加超过0.6％时，会引起焊接部分韧性劣化，因而被控制在0.6％以下。
Mo：与Cr相同，是为了提高淬硬性得到高强度而添加的元素。该元素的添加能实现在常温及高温下的高强度化。但当添加超过0.3％时，会引起焊接部分韧性劣化，因而被控制在0.3％以下。
Cu：在高强度化的同时提高耐腐蚀。但过量添加会增加材料成本，而且会引起现场焊接性的劣化，因而被控制在0.4％以下。
Ni：能够在韧性不劣化情况下实现高强度化。但过量添加会增加材料成本，而且引起现场焊接性的劣化，因而被控制在0.4％以下。
Nb：能通过提高析出使得强度提高。但添加量超过0.01％时会引起韧性劣化，因而被控制在0.01％以下。
V：能通过提高析出使得常温及高温下的强度提高。但添加量超过0.08％时，会引起韧性劣化，因而被控制在0.08％以下。
B：通过微量添加提高淬硬性来达到强度改善，但添加量超过0.001％时，会引起母材及焊接热影响部位的韧性降低，因而被控制在0.001％以下。
Ca：与钢中的S起反应后产生硫化物。因不会产生滚轧方向延伸，压延后依然保持球状。因此，能够抑制以如MnS那样的延伸夹杂物的顶端为起始点的氢致裂缝的发生。但过量添加会影响钢的纯洁性及母材的韧性劣化，因而被控制在0.005％以下。
再接下来，对组织限定的理由加以说明。通过将本发明的管道用钢管的组织构成为含有奥氏体平均粒径为30μm以上的马氏体或贝氏体的组织，或者其经回火的组织，能够使其即使不添加Cr，Mo，V合金元素也能够得到优良的常温和高温强度。但是，当奥氏体平均粒径超过200μm时，即使控制成分也无法提高韧性。因此，本发明所要求的组织限制在含有奥氏体平均粒径为30～200μm的马氏体或贝氏体的组织，或者它们的回火后形成的组织。
本发明的管道用钢，只要具有本发明中所规定的组成及组织，对其制造方法无特别限制。
下面，结合实施例对本发明的作用效果进一步加以说明，但这些实施例对本发明没有任何限制。
实施例
表1中表示的化学成份的钢在真空熔解炉中熔解后，制成50kg圆形钢锭。此钢锭在表2中显示的条件下，进行热轧及热处理。
对所得到的各钢板从与轧制方向垂直的方向上，取得JIS Z2202V型缺口的夏比冲击试样片以及JIS Z2201圆棒拉伸试样片，并对每个试样进行夏比冲击试验以及常温/高温拉伸试验。另外，高温拉伸试验是以平行部径6mm，标点距离30mm的圆棒试样片，按JIS G0567标准实施。
以上试验结果在表2中列出。表2中还列出本发明例的试样编号1～17在常温以及200℃为止的温度范围内有500MPa以上的拉伸强度，以及-70℃以下的断口转变温度。
相对与本发明的实施例，比较例的试样编号为18～29的化学成份超出本发明的范围，因而显示强度较低韧性较差的结果。
比较例30号，31号的化学成份虽然在本发明的范围内，但奥氏体平均粒径超出本发明范围，也同样显示强度较低或者韧性较差的结果。
比较例32号的化学成份虽然在本发明的定义范围内，但经过压延后的热处理是正火，不产生含马氏体或贝氏体的组织，因而显示强度降低。
发明的效果
根据本发明，不必使用高价的合金元素，也能得到常温及高温下具有良好的强度和韧性的管道用钢，具有在低成本的条件下实现高效率生产的优点。
                                                                                          表1
  分类   钢记号                                                                             化学成分(质量％)
  C   Si   Mn   P   S   Ti   Al   N   表达式(1)                                       其它
  Cr   Mo   Cu   Ni   Nb   V   B   Ca
  本发明   A   0.07   0.27   1.38   0.011   0.001   0.006   0.036   0.0039   0.00008   -   -   -   -   -   -   -   -
  B   0.16   0.25   1.24   0.013   0.001   0.007   0.038   0.0037   0.00006   -   -   -   -   -   -   -   -
  C   0.08   0.46   1.35   0.015   0.001   0.008   0.041   0.0040   0.00007   -   -   -   -   -   -   -   -
  D   0.11   0.30   0.83   0.010   0.001   0.009   0.033   0.0038   0.00004   -   -   -   -   -   -   -   -
  E   0.07   0.28   1.64   0.010   0.001   0.008   0.033   0.0038   0.00005   -   -   -   -   -   -   -   -
  F   0.07   0.30   1.43   0.010   0.003   0.008   0.033   0.0038   0.00005   -   -   -   -   -   -   -   -
  G   0.07   0.27   1.37   0.011   0.002   0.034   0.062   0.0081   -0.00012   -   -   -   -   -   -   -   -
  H   0.06   0.25   1.25   0.012   0.001   0.007   0.033   0.0036   0.00005   0.52   -   -   -   -   -   -   -
  I   0.05   0.25   1.31   0.012   0.001   0.010   0.033   0.0036   0.00002   -   0.25   -   -   -   -   -   -
  J   0.06   0.26   1.24   0.013   0.001   0.006   0.036   0.0035   0.00006   0.16   -   -   -   -   0.06   -   -
  K   0.07   0.26   1.25   0.015   0.001   0.008   0.038   0.0036   0.00005   -   -   0.29   0.25   -   -   -   -
  L   0.06   0.27   1.26   0.011   0.002   0.008   0.035   0.0033   0.00003   -   -   -   -   0.007   -   -   -
  M   0.12   0.26   1.32   0.014   0.001   0.008   0.034   0.0040   0.00006   -   -   -   -   -   -   0.0007   -
  N   0.06   0.27   1.36   0.015   0.001   0.006   0.039   0.0052   0.00013   -   -   -   -   -   -   -   0.0035
  比较例   O   0.02   0.25   1.30   0.010   0.001   0.006   0.033   0.0038   0.00007   -   -   -   -   -   -   -   -
  P   0.23   0.27   1.32   0.012   0.001   0.007   0.037   0.0046   0.00009   -   -   -   -   -   -   -   -
  Q   0.07   0.67   1.29   0.013   0.001   0.006   0.035   0.0036   0.00006   -   -   -   -   -   -   -   -
  R   0.07   0.25   0.71   0.011   0.001   0.006   0.036   0.0031   0.00005   -   -   -   -   -   -   -   -
  S   0.06   0.27   1.85   0.011   0.001   0.007   0.037   0.0037   0.00006   -   -   -   -   -   -   -   -
  T   0.06   0.21   1.35   0.021   0.001   0.005   0.040   0.0028   0.00005   -   -   -   -   -   -   -   -
  U   0.08   0.23   1.31   0.013   0.006   0.006   0.038   0.0037   0.00007 -   - -   - -   - -   -
  V   0.05   0.24   1.32   0.011   0.001   0.051   0.041   0.0039   -0.00046   -   -   -   -   -   -   -   -
  W   0.06   0.22   1.28   0.010   0.002   0.007   0.0004   0.0042   0.00000   -   -   -   -   -   -   -   -
  X   0.07   0.25   1.33   0.013   0.001   0.008   0.082   0.0054   0.00025   -   -   -   -   -   -   -   -
  Y   0.06   0.24   1.30   0.012   0.001   0.007   0.037   0.0118   0.00036   -   -   -   -   -   -   -   -
  Z   0.05   0.22   1.26   0.012   0.001   0.005   0.053   0.0063   0.00026   -   -   -   -   -   -   -   -
                                                                        表2
  分类   试料编号   钢记号   加热温度℃   压延结束温度℃   压延后钢板厚度mm 压延后热处理   回火温度℃   奥氏体平均粒径μm         常温强度       200℃下的强度   断口转变临界温度℃
  屈服强度MPa   拉伸强度MPa   屈服强度MPa   拉伸强度MPa
  本发明   1   A   1250   1050   25.4   水淬   -   66   591   643   573   612   -72
  2   A   1250   1050   25.4   水淬   650   70   473   559   451   534   -86
  3   A   1250   1150   25.4   水淬   650   92   520   604   497   577   -78
  4   A   1250   950   25.4   水淬   650   54   449   537   429   513   -91
  5   B   1250   1050   25.4   水淬   650   72   519   629   485   591   -70
  6   C   1250   1050   25.4   水淬   650   66   475   558   449   529   -84
  7   D   1250   1050   25.4   水淬   650   62   407   528   391   504   -90
  8   E   1250   1050   25.4   水淬   650   67   529   594   508   567   -74
  9   F   1250   1050   25.4   水淬   650   68   476   547   456   522   -82
  10   G   1250   1050   25.4   水淬   650   65   511   574   491   549   -80
  11   H   1250   1050   25.4   水淬   650   69   513   570   491   544   -70
  12   I   1250   1050   25.4   水淬   650   71   494   564   465   531   -76
  13   J   1250   1050   25.4   水淬   650   61   543   609   515   584   -75
  14   K   1250   1050   25.4   水淬   650   66   500   582   478   553   -83
  15   L   1250   1050   25.4   水淬   650   47   490   567   466   536   -73
  16   M   1250   1050   25.4   水淬   650   68   503   603   475   573   -71
  17   N   1250   1050   25.4   水淬   650   39   444   526   422   505   -101
  比较例   18   O   1250   1050   25.4   水淬   650   62   391   447   366   418   -112
  19   P   1250   1050   25.4   水淬   650   59   628   701   587   659   -41
  20   Q   1250   1050   25.4   水淬   650   66   468   550   437   513   -59
  21   R   1250   1050   25.4   水淬   650   65   346   455   321   423   -98
  22   S   1250   1050   25.4   水淬   650   67   573   637   539   600   -49
  23   T   1250   1050   25.4   水淬   650   67   471   551   438   513   -52
  24   U   1250   1050   25.4   水淬   650   63   464   555   431   518   -51
  25   V   1250   1050   25.4   水淬   650   35   719   757   674   709   -39
  26   W   1250   1050   25.4   水淬   650   77   456   546   426   511   -45
  27   X   1250   1050   25.4   水淬   650   21   327   413   314   396   -35
  28   Y   1250   1050   25.4   水淬   650   17   249   364   239   350   -48
  29   Z   1250   1050   25.4   水淬   650   20   305   397   293   381   -44
  30   A   1250   800   25.4   水淬   650   12   345   419   330   398   -90
  31   A   1250   1200   25.4   水淬   650   263   756   839   709   790   5
  32   A   1250   1050   25.4   正火   650   67   260   336   239   305   -94

Claims (3)

1.一种管道用钢，其特征在于：含有：以质量％为基准，C：0.04～0.16％，Si：0.5％以下，Mn：0.8～1.7％，P：0.015％以下，S：0.003％以下，Ti：0.04％以下，Al：0.001～0.07％，N：0.01％以下，同时满足Al×(N-Ti/3.4)≤0.00015…(1)，
且由含有奥氏体平均粒径为30～200μm的马氏体或贝氏体的组织，或其回火后的组织所形成。
2.如权利要求1所述的管道用钢，其特征在于：还含有：以质量％为基准，Cr：0.6％以下，Mo：0.3％以下，Cu：0.4％以下，Ni：0.4％以下，Nb：0.01％以下，V：0.08％以下，B：0.001％以下中的一种或多种元素。
3.如权利要求1或2所述的管道用钢，其特征在于：还含有：以质量％为基准，Ca：0.005％以下。
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CN113584264A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 江苏徐工工程机械研究院有限公司 一种低碳合金钢及销轴及其制备方法

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