WO2012113118A1 - 一种x100钢级弯管和管件的制备方法 - Google Patents

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冯耀荣
刘迎来
牛靖
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China National Petroleum Corp
CNPC Tubular Goods Research Institute
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China National Petroleum Corp
CNPC Tubular Goods Research Institute
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium

Definitions

  • the object of the present invention is to provide an X100 steel grade elbow and pipe fitting with high strength, high toughness and good splicing performance, suitable for -35 ⁇ -50 °C, thickness of 15-70mm, diameter 508mm- 1422min, the elbow and pipe fittings supporting the construction of oil and gas pipelines, to meet the needs of major oil and gas pipeline construction.
  • the chemical composition In order to ensure the strength, low temperature enthalpy and weldability of the elbow and pipe fittings, the chemical composition must be rationally designed. In order to make the pipe and pipe parts have good process performance, comprehensive mechanical properties Stable, using Mn-Nb-Mo alloy system, and ensuring the material hardenability meets the design requirements during the design of the elbow and the tube parent tube, and reasonable control of C equivalent.
  • the design of the X100 elbow and pipe components in the present invention mainly considers the following aspects: First, the use of low carbon microalloyed steel, in the case of ensuring weldability, the C content is appropriately increased compared with the main pipe.
  • the second is to add a strong carbide forming element such as Mo to improve the hardenability of the material.
  • the third is to make full use of the solid solution strengthening of Ni in steel and the precipitation strengthening of carbonitrides such as Nb, V, Ti, etc., to keep the original austenite grains refined to ensure the steel plate is welded and repeatedly hot processed. After the quenching and tempering heat treatment, the crystal grains are fine.
  • the welding consumables and welding processes must be strictly required.
  • the low temperature toughness of the quilted metal in the welded state is achieved by the fine-grained acicular ferrite containing the Ti-B weld metal.
  • the welded structure is destroyed by further deformation and quenching heat treatment, resulting in a decrease in the toughness of the weld metal.
  • the oxygen content in the quilted metal must be reduced, so that a special welding material (low-oxygen welding material) must be used.
  • the welding pass and heat input are strictly controlled to prevent grain growth and prepare conditions for subsequent hot processing.
  • the steel for X100 elbow and pipe fittings with excellent comprehensive performance according to the present invention and the preparation method thereof are as follows:
  • Nb can be added by mass percentage: 0.035 ⁇ 0.11%; Ti: 0.02 ⁇ 0.06%; V: 0.03 ⁇ 0.07% Or two or more alloying elements, and control Nb + V + Ti 0.15%; or may add 0.18 ⁇ 0.5% Mo, 0.18 ⁇ 1.5% Ni, 0.18 ⁇ 0.60% Cr, 0.15 ⁇ 0.25% Cu, 0.001 to 0.003% of B alloy Element. Simultaneously control Mo/P ⁇ 10 to reduce segregation and temper brittleness.
  • the carbon equivalent is 0.42-0.65%. The specific components can be adjusted depending on the thickness.
  • the steel plate is formed by UO (pressing the steel plate into a U-shaped shape by a press, and then pressing it into an O-shape), or JCO molding (first press the edge of the steel plate into a J-shape with a press, then press it into a U-shape, and then press it into a O-shape.
  • Type pressing the steel plate into a J-shape with a press, then press it into a U-shape, and then press it into a O-shape.
  • RB forming steel plate bending and bending
  • straight seam submerged arc welding the coffin is made of Ti-B fine grain acicular ferrite low oxygen content material, and then expanded by 0.6-1.5% The diameter is made into a straight seam submerged arc welded steel pipe.
  • the welded pipe obtained by the (2) process is heated by 930-1030 °C to make a 10-90° bend, and is sprayed with water inside and outside the pipe to be cooled, and then heated to 600-700° (, 2-3 hours). Tempering, water cooling after tempering (reducing temper brittleness).
  • Electromagnetic mixing (reduction segregation) in continuous casting and continuous casting is used to make thick slabs of about 250 mm, heating Up to about 1200 °C, 1000'C ⁇ 1100 °C rough rolling, 700 °C ⁇ 950 °C finishing rolling, rolling cooling rate 20 ° C ⁇ 30 ° C / s, to a thickness of about 30 mm hot rolled steel.
  • the steel plate is further molded by JCO, and multi-pass straight seam submerged arc welding is used.
  • the welding consumables are made of fine grain acicular ferrite low oxygen content material containing Ti-B, and then expanded by 0.8-1.2% to make straight seam. Submerged arc welded steel pipe.
  • the manifold is heated by 930-1030 °C and made into a 90° elbow. At the same time, it is sprayed with water and cooled inside and outside the tube. Then it is heated to 640 ⁇ 15°C for 2 hours to temper. After tempering, it is water-cooled.
  • Electromagnetic stirring (reduced segregation) in continuous casting and continuous casting is used to make a thick slab of about 250 mm and heated to About 1200 °C, 1000 °C ⁇ 1100 °C rough rolling, 700 ° C ⁇ 950 ° C finishing rolling, rolling cooling rate 25 ° C ⁇ 35 ° C / s, made of a thickness of about 52 mm hot-rolled steel.
  • the steel plate is formed by UO, and the straight seam is submerged arc.
  • the coffin is made of fine grain acicular ferrite with low oxygen content containing Ti-B, and then expanded by 0.8-1.2% to form a straight submerged arc. Connect the steel pipe.
  • the welded pipe is heated by 1100-1200 °C and repeatedly thermomechanically formed into a tee, and then heated to 960 ⁇ 15 ° C, After heating for 1.5 hours, water quenching, heating to 650 ⁇ 15 ° C, tempering for 2.5 hours, tempering and water cooling.
  • X90 tee with thickness of about 52mm and diameter of 1219x1219x1219mm produced by the invention has high strength, good low temperature toughness and splicing, and can meet the requirements of -35 ⁇ - 50°C on-site construction and oil and gas transportation.
  • the performance of each part of the three links is even.
  • the yield strength is 719Mpa
  • the tensile strength is 782Mpa
  • the yield ratio is 0.92
  • the elongation is 27%
  • the Charpy impact toughness of -46 °C reaches Example 3:
  • Alloy composition C: 0.18%; Mn: 1.73%; Si: 0.39%; P: 0.008%; S: 0.005%; Ah 0.04%; Ca: 0.003%; N: 0.006%; Nb: 0.07%; Ti: 0.04 %; V: 0.03%; Mo: 0.38%; Ni: 0.61%; Cr: 0.29%; Cu: 0.19%; B: 0.0027%; The balance is Fe and unavoidable impurities.
  • the carbon equivalent is 0.63%.
  • the invention can produce X100 elbow pipe and pipe fitting with diameter 508 - 1422mm, wherein the curved pipe wall thickness is 15-35mm, the pipe wall thickness is 30-70mm, and has high strength, good low temperature toughness and splicing, which can satisfy -35 ⁇ - 50 °C on-site welding construction and oil and gas transportation requirements, the performance of all parts of the elbow and pipe fittings is uniform. Yield strength 690-840Mpa, tensile strength 760-990 Mpa, yield ratio 0.93, elongation ⁇ 25%, -35 ⁇ - 50°C Charpy impact toughness of 60-250J.

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Description

一种 X100钢级弯管和管件的制备方法 技术领域 本发明涉及一种强度级别达到 X100钢级 ， 韧性优良的弯管和管件 的制备方法， 弯管和管件适用于大口径高压输气管道工程干线和站场管 线的连接。 背景技术 我国大口径高压输气管道建设中，压气站和输配气站场及阀室，需要 大量站场钢管、 弯管和管件。 站场极限温度达到 -30~- 40°C， 有的站场最 低气温低于 -46°C， 厚度达到 50- 70mm。 根据管道工艺设计要求， 部分站 场钢管、 弯管和管件需裸露在寒冷的外部环境下服役， 对材料抗脆性起 裂能力是一个严峻的挑战。 特别选用 X100钢级（屈服强度 690MPa)， 其屈服强度超过了目前低温压力容器钢的最高钢级水平（490MPa)， 低温 脆断的敏感性相对提高。 目前我国还不能生产冲击韧性达到 -30°C及以下 温度平均夏比冲击轫性不低于 50 J、最小值不低于 40J的弯管和管件，特 别是壁厚较大时更是如此， 难于保障 -30Ό以下低温环境管道安全性要 求， 迫切需要兼备高强度和优良低温韧性的弯管和管件用钢及制造工艺。 发明内容 本发明的目的是提供一种具备高强度、高韧性、良好悍接性能的 X100 钢级弯管和管件， 适用于 -35~-50 °C， 厚度达到 15-70mm， 管径 508mm-1422min, 与油气管道建设配套的弯管和管件产品， 满足重大油气 管道工程建设需求。
为了保证弯管和管件的强度、低温轫性、焊接性， 必须对其化学成分 进行合理设计。 为了使弯管和管件具有良好的工艺性能， 综合机械性能 稳定， 采用 Mn-Nb-Mo合金体系， 并在弯管和管件母管成分设计时确保材 料淬透性达到设计要求， 并对 C当量进行合理控制。
本发明中的 X100弯管和管件成分设计主要考虑以下几个方面： 一是 采用低碳微合金钢，在确保可焊性的情况下， C含量与干线管相比适当增 加。 二是填加 Mo等强碳化物形成元素， 提高材料淬透性。三是充分利用 钢中 Ni的固溶强化和微合金化元素 Nb、 V、 Ti等碳氮化物的沉淀强化， 使原奥氏体晶粒保持细化， 以保证钢板在焊接、 多次热加工和淬火、 回 火热处理后晶粒细小。
弯管和管件由于要进行热加工，对焊缝性能有严格要求，所以必须对 焊材及焊接工艺严格要求。 通常焊接状态悍缝金属的低温靭性依靠含 Ti-B焊接金属的细晶粒针状铁素体来达到。 弯管和管件制造过程中， 焊 态组织由于进一步的变形和淬火热处理而破坏，造成焊缝金属韧性下降。 为了改善热处理后焊缝金属的韧性， 必须降低悍缝金属中的氧含量， 所 以必须采用专们的焊接材料（低氧焊材）。 同时， 对焊接道次和热输入量 进行严格控制， 防止晶粒长大， 为后续的热加工准备好条件。
本发明的所述的一种具有优良综合性能的 X100弯管和管件用钢及其 制备方法， 其要点如下：
( 1 )本发明的一种具有优良综合性能的 X100弯管和管件用钢的质 量百分比组成如下：
C: 0.12〜0.20%； Mn: 1.35〜2%； Si: 0.3〜0.5%； P^O.010%; S^O.005%, Ah 0.015〜0.05%； Ca 0.002-0.005%, N^O.007%, 并控制 A N^2: 1，余量为 Fe;或在此基础上可按质量百分比添加 Nb: 0.035〜 0.11%； Ti: 0.02〜0.06%； V： 0.03〜0.07%中的一种或两种以上的合金元 素， 并控制 Nb+V+Ti 0.15%; 或可添加 0.18〜0.5%的 Mo， 0.18〜1.5% 的 Ni, 0.18〜0.60%的 Cr， 0.15〜0.25%的 Cu， 0.001〜0.003%的 B合金 元素。 同时控制 Mo/P≥10， 以减小偏析和回火脆性。 碳当量 0.42-0.65%。 具体成分根据厚度的不同可进行调整。
(2) 上述材料经氧吹转炉熔炼、 煨 Si-Ca丝对钢中夹杂物进行球化 处理， 再转入精炼炉脱8、 P等有害杂质， 之后在真空炉脱 0、 N、 H等 有害气体， 采用连续铸造及连铸过程中的电磁搅拌（减小偏析）制成厚 板坯， 加热至 1200°C， 恒温， 1000°C~1100°C粗轧， 700°C~950°C精轧， 轧后冷却速度 20°C~50°C/s， 制成热轧钢板。钢板经 U-O成型（用压力机 将钢板先压制成 U型、 接着压制成 O型）， 或 J-C-O成型（首先用压力 机将钢板边部压制成 J型、接着压制成 U型、然后压制成 O型）， 或 R-B 成型 （钢板滚压弯曲成型）， 然后进行直缝埋弧焊接， 悍材采用含 Ti-B 的细晶粒针状铁素体低氧含量材料， 然后经 0.6-1.5%扩径， 制成直缝埋 弧焊接钢管。
(3 )经（2)工艺所得焊管经过 930-1030°C感应加热煨制成 10-90° 的弯管， 同时在管子内外喷水冷却， 然后加热至 600-700° ( 、 2-3小时回 火， 回火后水冷（减小回火脆性）。
(4)经（2)工艺所得悍管经过 1050-1200°C加热及多次热机械成型 制成管件， 然后加热至 900-1000°C， 保温 0.5-2小时、 水淬， 后加热至 600-700°C、 2-3小时回火， 回火后水冷 （减小回火脆性）。 具体实施方式 实施例 1 :
合金成分： C: 0.12%； Mn: 1.68%； Si: 0.36%； P: 0.009%； S: 0.003%； Ah 0.03%； Ca: 0.003%； N: 0.007%； Nb: 0.07%； Ti: 0.03%； Mo: 0.25%； Ni: 0.30%； Cr: 0.23%； Cu: 0.17%； B: 0.0015%； 余量为 Fe 和不可避免的杂质。 碳当量 0.47%。 制造工艺： 上述材料经氧吹转炉熔炼、 Ca处理， 炉外精炼和真空脱 气，采用连续铸造及连铸过程中的电磁搅泮（减小偏析）制成约为 250mm 的厚板坯， 加热至约 1200 °C , 1000'C~1100°C粗轧， 700°C~950°C精轧， 轧后冷却速度 20°C~30°C/s， 制成厚度约为 30mm热轧钢板。 钢板再经 J-C-O成型， 采用多道次直缝埋弧焊接， 焊材采用含 Ti-B的细晶粒针状 铁素体低氧含量材料， 然后经 0.8-1.2%扩径， 制成直缝埋弧焊接钢管。 悍管经过 930-1030°C感应加热煨制成 90°的弯管，同时在管子内外强力喷 水冷却， 然后加热至 640±15°C、 2小时回火， 回火后水冷。
性能特点：采用本发明生产的厚度约为 30mm、管径 1219mm的 X90感应 加热弯管， 兼备高强度、 良好低温轫性和悍接性， 可满足 -35〜- 50°C现场 悍接施工和油气输送要求， 弯管各个部位性能均匀。 屈服强度 725Mpa， 抗拉强度 791Mpa， 屈强比 0.92， 伸长率 28%， -46 'C的夏比冲击韧性达到
Figure imgf000005_0001
实施例 2:
合金成分： C: 0.15%； Mn: 1.69%； Si: 0.37%； P: 0.010%； S: 0.004%； Ah 0.03%； Ca: 0.003%； N: 0.007%； Nb: 0.08%； Ti: 0.04%； Mo: 0.29%； Ni: 0.51%； Cr: 0.23%； Cu: 0.25%； B: 0.0025%； 余量为 Fe 和不可避免的杂质。 碳当量 0.56%。
制造工艺： 上述材料经氧吹转炉熔炼、 Ca处理， 炉外精炼和真空脱 气，采用连续铸造及连铸过程中的电磁搅拌（减小偏析）制成约为 250mm 的厚板坯， 加热至约 1200 °C , 1000°C~1100°C粗轧， 700°C~950°C精轧， 轧后冷却速度 25°C~35°C/s， 制成厚度约为 52mm热轧钢板。 钢板再经 U-O成型， 直缝埋弧悍接， 悍材采用含 Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含 量材料， 然后经 0.8-1.2%扩径， 制成直缝埋弧悍接钢管。 焊管经过 1100-1200°C加热及多次热机械成型制成三通， 然后加热至 960±15°C， 保 温 1.5小时、 水淬， 后加热至 650±15°C、 2.5小时回火， 回火后水冷。 性能特点：采用本发明生产的厚度约为 52mm、管径 1219x1219x1219mm 的 X90三通， 兼备高强度、 良好低温韧性和悍接性， 可满足 - 35〜- 50°C现 场悍接施工和油气输送要求， 三通各个部位性能均匀。 屈服强度 719Mpa， 抗拉强度 782Mpa， 屈强比 0.92， 伸长率 27%， -46 °C的夏比冲击韧性达到 实施例 3:
合金成分： C: 0.18%； Mn: 1.73%； Si: 0.39%； P: 0.008%； S: 0.005%； Ah 0.04%； Ca: 0.003%； N: 0.006%； Nb: 0.07%； Ti: 0.04%； V： 0.03%； Mo: 0.38%； Ni: 0.61%； Cr: 0.29%； Cu: 0.19%； B: 0.0027%； 余量 为 Fe和不可避免的杂质。 碳当量 0.63%。
制造工艺： 上述材料经氧吹转炉熔炼、 Ca处理， 炉外精炼和真空脱 气，采用连续铸造及连铸过程中的电磁搅拌（减小偏析）制成约为 250mm 的厚板坯， 加热至约 1200 °C , 1000°C~1100°C粗轧， 700°C~950°C精轧， 轧后冷却速度 25°C~35°C/s， 制成厚度约为 65mm热轧钢板。 钢板再经 J-C-O成型， 直缝埋弧悍接， 悍材采用含 Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧 含量材料， 然后经 0.8-1.2%扩径， 制成直缝埋弧焊接钢管。 焊管经过 1100-1200°C加热及多次热机械成型制成三通， 然后加热至 950±15°C， 保 温 100min、 水淬， 后加热至 660±15° (：、 3小时回火， 回火后水冷。
性能特点：采用本发明生产的厚度约为 65mm、管径 1219x1219x1219mm 的 X100三通， 兼备高强度、 良好低温韧性和焊接性， 可满足 -35〜- 50°C现 场焊接施工和油气输送要求， 三通各个部位性能均匀。 屈服强度 706Mpa， 抗拉强度 788Mpa， 屈强比 0.90， 伸长率 26%， - 46 °C的夏比冲击韧性达到 工业实用性
采用本发明可生产管径 508皿- 1422mm的 X100弯管和管件， 其中弯管壁 厚 15- 35mm， 管件壁厚达到 30- 70mm， 且兼备高强度、 良好低温韧性和悍 接性， 可满足 -35〜- 50°C现场焊接施工和油气输送要求， 弯管和管件各个 部位性能均匀。 屈服强度 690-840Mpa， 抗拉强度 760-990 Mpa, 屈强比 0.93， 伸长率≥25%, - 35〜- 50°C的夏比冲击韧性达到 60-250J。

Claims

1， 一种 X100钢级弯管和管件的制备方法， 其特征在于：
( 1 ) X100弯管和管件用钢的质量百分比组成如下：
C : 0.12〜0.20%； Mn: 1.35〜2%； Si : 0.3〜0.5%； P^O.010%; S^O.005%, A1 : 0.015〜0·05%; Ca 0.002-0.005%, Ν^Ο.007%, A Ν ^2： 1， 余量为 Fe; 或在上述组分基础上按质量百分比添加 Nb: 0.035〜 0.11%； Ti: 0.02〜0.06%； V： 0.03〜0.07%中的一种或两种以上的合金元 素， Nb+V+Ti 0.15%;或添加 0.18〜0.5%的 Mo， Q.18〜1.5%的 Ni， 0.18〜 0.60%的 Cr, 0.15〜0.25%的 Cu, 0,001〜。遍％的 B合金元素， 控制 Mo/P>10, 碳当量 0.42-0.65%;
( 2 )上述材料经氧吹转炉熔炼、 煨 Si-Ca丝对钢中夹杂物进行球化 处理， 再转入精炼炉脱8、 P杂质， 之后在真空炉脱 0、 N、 H气体， 采 用连续铸造及连铸过程中的电磁搅拌制成厚板坯，加热至 1200°C，恒温， 1000°C~1100°C粗轧， 700°C~950°C精轧， 轧后冷却速度 20°C~50°C/s， 制 成热轧钢板； 钢板经 U-O成型， 或 J-C-O成型， 或 R-B成型， 然后进行 直缝埋弧焊接， 焊材采用含 Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料， 然 后经 0.6-1.5%扩径， 制成直缝埋弧焊接钢管；
( 3 )经 （2 )工艺所得悍管经过 930-1030°C感应加热煨制成 10-90° 的弯管， 同时在管子内外喷水冷却， 然后加热至 600-700°C、 2-3小时回 火， 回火后水冷；
(4 )经（2 )工艺所得悍管经过 1050-1200°C加热及多次热机械成型 制成管件， 然后加热至 900-1000°C， 保温 0.5-2小时、 水淬， 后加热至 600-700 2-3小时回火， 回火后水冷。
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