低裂紋敏感性高韌性x120管線鋼及其製造方法

2023-09-13 01:17:15 1

專利名稱：：低裂紋敏感性高韌性x120管線鋼及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及石油天然氣管道用鋼及生產方法，具體屬於低裂紋敏感性高韌性的X120級管線鋼及其生產方法。
背景技術：
：為節省管線工程的建設投資、降低運輸費用，採用高強度等級的管線鋼更加經濟合理。隨著管道輸送壓力的提高，對管道用鋼可靠性的要求也越來越高，即要求具有高強度、高的低溫止裂韌性以及良好的焊接性能。目前X70、X80管線鋼已丌始大規模應用於各石油天然氣輸送管道工程中，但其管線建設和運行成本較高。人們為了進一歩降低管線建設和運行成本，研發X100和X120級管線鋼，則成為目前國內外管線鋼領域的開發熱點。隨著X80級管線鋼被逐漸應用在石油天然氣輸送管道工程中，XIOO、X120級管線的前期開發工作在日本、德國、韓國、加拿大、中國等國陸續展開。1993年美國埃克森美孚石油公司與R本新日鐵和住友金屬合作首先開始X120管線鋼的開發工作，並於2004年採用新曰鐵生產的外徑914mm、壁厚16mm的X120鋼管建設了世界上首條1.6km長的X120管線示範段。目前國外埃克森美孚石油公司、日本住友金屬、新日鐵和韓國浦項分別申請了X120級管線鋼的專利，國內僅有寶山鋼鐵公司於2006年底宣布X120管線鋼試製成功，於2007年與華北石油鋼管廠合作，完成了制管評價，並分別申請了X120管線鋼和X120管線鋼所制直縫埋弧焊管的專利。國內外目前僅有的幾家具備X120級管線鋼試生產能力的廠家在X120鋼的化學成分設計上多採用低碳/超低C一高Mn—Nb(V)—Ti系，同時添加高Mo(0.20.8%)、Cr(0.31.0%)、Ni(0.52.5%)和Cu、B等合金元素，成本很高，對碳當量Ceq和Pcm值沒有明確要求(新日鐵、NKK、P0SC0、IPSC0、寶鋼)或要求較高(埃克森美孚石油公司Ceq《0.7，Pcm《0.35;JFE:Ceq》0.32;住友金屬0.27《Pcm《0.30),裂紋敏感性較高，且生產工藝上多採用低溫開軋、低溫終軋或兩相區終軋、軋後加速冷卻(冷卻速度2232'C/s),高溫回火或熱軋態交貨，生產工藝對設備能力和控制精度非常嚴格，不利於大規模生產控制。現有X120級管線鋼的試製生產工藝採用高Mo、Cr、Ni合金設計，不僅成本高，且由於合金含量加入高，裂紋敏感性較高，衝擊韌性難以達到很高水平，且採用低溫開軋、低溫終軋或兩相區軋制，對設備能力要求非常苛刻、軋後冷卻速度控制精度要求高，不利於大規模生產。
發明內容本發明的目的在於為了解決X120級管線鋼合金成分設計高、生產工藝控制要求嚴格不利於大規模生產的問題，提供一種加入合金含量少、成本低、生產工藝簡單、鋼板的裂紋敏感性低、具有超高強度和高韌性、並宜於大規模生產的低裂紋敏感性高韌性X120級管線鋼及其生產方法。實現上述目的的技術方案低裂紋敏感性高韌性X120級管線鋼及其製造方法，其特徵在於該鋼採用的成分設計(wt%)為C:0.020.08，Mn:1.52.0，SiS0.5,P:《0.018，S:《0.0020，Ti:Ti:0.010.02，Nb:0.040.11，V《0.08，B《0.0030，Als:0.010.04，Mo:0.10.40，Ni:O.30.5，Cu《0.40，Cr《0.30,其餘為Fe及不可避免的夾雜；並要滿足以下公式(1)Mo+Ni+Cu+Cr《1.4(2)Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B《0.23生產權低裂紋敏感性高韌性X120級管線鋼的方法，其歩驟1)進行冶煉鐵水脫硫一轉爐頂底複合吹煉一鋼包爐處理一真空(S卜Ca)處理一澆注成板坯；2)將連鑄坯加熱至1100125(TC;3)進行粗軋控制粗軋結束溫度在10001100°C;4)進行精軋控制精軋結束溫度在80090(TC;5)鋼板停留1060秒；6)進行冷卻冷卻速度控制在103(TC/秒，終冷溫度控制在《45(TC。本發明的低裂紋敏感性高韌性X120管線鋼各合金成分的作用機理如下本發明的碳(C)含量(wt%)為0.020.08。低的碳含量可以保證鋼具有高的韌性、塑性、優良的焊接性能和抗HIC及抗SSC能力。低碳還可以減少偏析。但要保證良好的耐高溫熱加工性能和較高的淬透性，碳含量不能太低。本發明的錳(Mn)含量(wt%)為1.52.1。高Mn促進貝氏體組織形核，高的Mn/C比可提高屈服強度和衝擊韌性，降低析出碳化物的尺寸，促進沉澱強化效應。錳還可提高鋼的淬透性，避免過熱時的晶粒長大。本發明的鈮(Nb)含量(wt%)為0.040.11。微量的鈮能顯著細化晶粒，提高晶粒粗化溫度，另可提高鋼的淬透性和回火穩定性。鈮在控軋過程中，通過抑制再結晶和阻止晶粒長大，可細化奧氏體晶粒尺寸，同時提高鋼板再結晶溫度，降低乳機負荷。在軋後冷卻過程中，NbC和NbN微小質點析出，可起沉澱強化的作用。鈮與C、N元素形成穩定性高且呈顆粒狀均勻分布的碳、氮化物，能有效地阻止奧氏體晶粒的長大，使材料能夠在較寬的溫度範圍內進行熱加工和焊接。本發明的釩(V)含量(wt%)為00.08。釩在軋後冷卻過程中，VC和VN微小質點析出，可起沉澱強化的作用。釩的碳、氮化物彌散分布，能有效地阻止奧氏體晶粒的長大。本發明的鉬(Mo)含量(wt%)為00.40。鉬降低Y—a轉變溫度，抑制多邊形鐵素體和珠光體形核，在較寬的溫度和冷速範圍內促進貝氏體組織的形成，從而保證良好的強韌性。本發明的鎳(Ni)含量(wt%)為00.5，提高控軋鋼的低溫韌性，還可通過適量加入提高鋼的淬透性和強度。本發明的磷(P)含量(wt%)為《0.018、硫(S)含量《0.002。為了保證鋼板的韌性，需要鋼具有較高的純淨度和均質度。而P、S均是影響性能的有害元素，P高易導致偏析，從而影響鋼板組織均勻性；S常以錳的硫化物形態存在，這種硫化物夾雜對鋼的衝擊韌性，特別是橫向韌性是十分不利的，並造成性能的各向異性和增大氫致開裂的敏感性。本發明的矽(Si)含量(wt%)為00.50。少量的Si能起到固溶強化和提高鋼抗拉強度的作用，但矽含量過高會顯著降低鋼的面縮率和衝擊韌性。本發明的鈦(Ti)含量Ut%)為0.010.02。加入微量的Ti，可細化品粒，提高鋼的屈服強度和韌性，還可以在高溫下與N結合，形成TiN質點，有利於焊接時熱影響區的晶粒控制，改善焊接熱影響區的韌性。本發明的酸溶鋁(Als)含量(wt%)為0.010.04，起到脫氧作用，減少鋼中氧含量；形成A1N，細化晶粒。本發明中適量添加Cu、O、B等合金元素，提高鋼的強度和淬透性。本發明的Mo+Ni+Cu+Cr《1.4X，保證較低的合金成本和碳當量。本發明的碳當量(Pcm)《0.23。低的碳當量可以保證高鋼級管線鋼具有很低的裂紋敏感性和良好的焊接性能，有利於現場焊接。為保證微合金化元素的充分固溶，同時避免加熱溫度過高導致奧氏體晶粒過分長大，因此，將鑄坯加熱溫度控制在11001250°C;通過在再結晶區和未再結晶區兩階段進行粗軋和精軋，目的使奧氏體晶粒細小，且獲得足夠多的變形帶、位錯累積等相變優先形核位置；4)軋制過程中採用使鋼板停留1060秒，為使微合金化元素充分析出，提高組織基體強度，促進貝氏體相變形核；5)軋後採用冷卻速度控制為103(TC/秒，並使終冷溫度控制在《45(TC，其為使相變起始點降低，獲得細小、均勻的相變組織，同時應避免因冷速過大導致大量馬氏體組織的形成。本發明與現有技術相比，其特點在於1)本專利技術生產的X120級管線鋼採用較低的Mo、Ni、Cu、Cr設計，可以很大程度上降低鋼的合金成本；2)軋制過程中採用鋼板停留時間，讓微合金化元素得以充分析出，可以有效地細化相變組織、同時提高組織均勻性和鋼的強度；3)整個生產工藝要求適中，利於X120級管線鋼的大規模生產。其力學性能經試驗表明，RP。.2855910MPa，Rm9901180MPa，-20°CKV》231J，Pcra《0.20，其滿足了石油天然氣管道工程用X120級管線鋼的需求。具體實施例方式下面對本發明作進一歩闡述實施例的的成分及重量百分比見表l;生產工藝1)進行冶煉鐵水脫硫一轉爐頂底複合吹煉一鋼包爐處理一真空(Si-Ca)處理一澆注成板坯；2)將連鑄坯加熱至1100125(TC;3)進行粗軋控制粗軋結束溫度在1(X)oii(xrc;4)進行精軋:控制精軋結束溫度在80090(TC;5)鋼板停留1060秒；6)進行冷卻冷卻速度控制在103(TC/秒，終冷溫度控制在《45(TC。具體工藝參數見表2;實施例的力學性能經檢測後的結果見表3。表1實施例15的化學成分(wt%)tableseeoriginaldocumentpage8表2實施例15軋制工藝參數tableseeoriginaldocumentpage8>表3實施例15性能檢測結果tableseeoriginaldocumentpage8注拉伸、夏比衝擊試樣均為橫向取樣。權利要求1、低裂紋敏感性高韌性X120級管線鋼及其製造方法，其特徵在於該鋼採用的成分設計為(wt％)C0.02～0.08，Mn1.5～2.1，Si≤0.5，P≤0.018，S≤0.0020，Ti0.01～0.02，Nb0.04～0.11，V≤0.08，B≤0.0030，Als0.01～0.04，Mo0.1～0.40，Ni0.3～0.5，Cu≤0.40，Cr≤0.30，其餘為Fe及不可避免的夾雜；並要滿足公式(1)、Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4(2)、Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.232、生產權利要求1所述低裂紋敏感性高韌性X120級管線鋼的方法，其歩驟1)進行冶煉鐵水脫硫一轉爐頂底複合吹煉一鋼包爐處理一真空(Si-Ca)處理一澆注成板坯；2)將連鑄坯加熱至11001250°C;3)進行粗軋控制粗軋結束溫度在10001100°C;4)進行精軋控制精軋結束溫度在80090(TC;5)鋼板停留1060秒；6)進行冷卻冷卻速度控制在1030'C/秒，終冷溫度控制在《450。C。全文摘要本發明公開了一種低裂紋敏感性高韌性的X120級管線鋼及生產方法。其成分設計(wt％)C0.02～0.08，Mn1.5～2.1，Si≤0.5，P≤0.018，S≤0.0020，Ti0.01～0.02，Nb0.04～0.11，V≤0.08，B≤0.0030，Als0.01～0.04，Mo0.1～0.40，Ni0.3～0.5，Cu≤0.40，Cr≤0.30，其餘為Fe及不可避免的夾雜；並滿足公式Mo+Ni+Cu+Cr≤1.4及Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23；其步驟冶煉；將連鑄坯加熱至1100～1250℃；粗軋並控制結束溫度在1000～1100℃；精軋並控制結束溫度在800～900℃；鋼板停留10～60秒；冷卻，終冷溫度為≤450℃。本發明加入合金含量少、成本低、鋼板的裂紋敏感性低、並宜於大規模生產。文檔編號C22C38/58GK101649425SQ20091006390公開日2010年2月17日申請日期2009年9月8日優先權日2009年9月8日發明者靜劉,徐進橋,董中波,娟賈,琳鄭,斌郭申請人:武漢鋼鐵(集團)公司;武漢科技大學