高強高韌x70厚壁無縫管線鋼及製造方法

2023-04-26 17:06:21 2

專利名稱：：高強高韌x70厚壁無縫管線鋼及製造方法
技術領域：
：本發明屬於冶金工業的無縫鋼管制造技術，涉及一種適用於具有高強度和高韌性X70厚壁無縫管線鋼及其製造方法。
背景技術：
：隨著近海和深海油田的開發，大規格和厚壁管線的需求量正逐歩增加。為了使得更遠更深的油氣輸送到海岸，相應的管線要求長度更長和壁厚更大，因此管線不僅僅要求良好焊接性能，高的強度和高的韌性，也需要高的抗擠毀性能。達到高的的抗擠毀性能要求，一方面通過增加鋼級來提高，另外一種方式就是提高壁厚來達到，對於管線而言，提高鋼級不僅僅涉及到裂紋擴展的問題，還涉及可焊接性能的要求，因此，基於以上因素考慮，提高壁厚來滿足深海對抗擠毀性能的要求不失為明智之舉。能源需求刺激著石油天然氣管線建設快速發展。為提高管道輸送效率，降低能耗，減少投資和運營費用，長距離輸送管線向高壓、大口徑、厚壁發展已成趨勢。同時，從管線安全性和焊接施工等方面考慮，對管線用鋼的強度、韌性、焊接性和抗腐蝕性等性能不斷提出了更高、更嚴格要求。目前針對API5L管線的設計製造方面的專利有X52，X60，X65，X70，X80，X100等鋼級，但是這些專利基本都是針對的壁厚小於20mm的薄壁管線而言，而針對壁厚大於20mm，鋼級高於X60的厚壁無縫管線專利還沒有見到。冶金技術的進步和微合金化管線鋼的發展，使生產具有高強度、高韌性、良好焊接性的厚壁管線鋼成為可能，但是同時要滿足大壁厚、高鋼級、優良的焊接性能卻有較大難度。如果採用調質處理，由於管線鋼的碳當量的限制，加上壁厚超過20mm，一般而言對於壁厚大於20mm的管線鋼都稱為厚壁管線，淬火時冷卻能力有限，很難保證心部組織與外表面一致，由此帶來性能不合，衝擊性能不好以及焊接性能不好等諸多問題，此外，由於厚壁管線大都是大外徑，因此連鑄和軋制工藝相對困難。並且對於厚橫管線，由於單根管重量往往超過倒稜機的設計範圍，因此坡口加工一直也是難以解決的重要問題。隨著海洋管線向越來越深的發展趨勢，壁厚大於20mm的厚壁高鋼級管線鋼的需求量正逐漸增加。
發明內容為解決上述技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種高強高韌X70厚壁無縫管線鋼及製造方法，滿足開採深海油田的需要。通過該方法製造的無縫管線管能達到API5L的X70鋼級。為實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種高強高韌X70厚壁無縫管線鋼，鋼種組成元素的重量配比為C:0.040.12%，Si:0.170.35%，Mn:1.201.60%，P，015%，S^O.010%,Mo:0.100.30%，Al:0.0050.045%，Nb:0.020.06%，V:0.020.10%，Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，Ti:0,0100.030%，Cr:$0,200%，CE^0.43，Pcm^0.22，其餘為鐵，雜質元素微量。還提供軋制高強高韌X70厚壁無縫管線鋼的製造方法。本發明的有益效果是使用該工藝方法具體表現在1)採用微合金鋼設計，適合壁厚36mm以下的厚壁管線的生產，管體整體組織均勻，為均勻的貝氏體組織，碳當量低，焊接性能良好，低溫衝擊性能良好，完全可以滿足深海或者其他寒冷天氣對厚壁管線的要求；2)連鑄、穿孔和軋制工藝制定的合理，最大限度地提高了管線的機械性能；3)採用內噴外淋式淬火方式，大大提高水淬時對鋼的淬透性，4)採用車絲機加工坡口，尺寸精度滿足API5L要求，解決了倒稜機加工厚壁管困難的問題。具體實施例方式結合實施例對本發明的高強高韌X70厚壁無縫管線鋼及製造方法加以說明。木發明的高強高韌X70厚壁無縫管線鋼，鋼種組成元素的重量配比為C:0.040.12%，Si:0.170,35%，Mn:1.201.60%，P$0.015%，S^O.010%，Mo:0.100.30%，Al:0.0050.045%，Nb:0.020.06%，V:0.02O.腦，Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，Ti:0.0100.030%，Cn$0.20%)，CE^O.43,Pcm^).22，其餘為鐵，雜質元素微量。對主要組成成分選取理由如下碳是傳統的強化元素，具有成本低、調控敏感性好的優點。但含量偏高也有對鋼的焊接性能、力學性能及抗氫致裂紋(HIC)性能產生負面影響的缺點。此外碳和鋼的強度匹配關係也尤為重要，因含碳量的高低與鋼的強度成正比關係，但鋼的衝擊韌性則明顯降低，滿足不了對鋼高強度高韌性的要求。良好的焊接性能是輸氣管線所必需具備的性能，碳低則相應的焊接性能良好。綜合考慮各方面的因素，碳含量控制在0.12%以下。錳在鋼中以固溶強化作用為主。多年的科研和生產實踐表明，在微合金結構鋼中錳含量多少和強度成正比關係，其衝擊韌性下降率較小，還不影響其脆性轉變溫度。美國石油協會標準API規定X70管線鋼錳含量不大於1.65%,以彌補碳含量降低造成的強度損失。根據管線鋼技術要求，本設計的管線鋼錳含量確定為1.201.60%。鈮是本鋼中重要微合金化元素。其提高強度的機理是細晶強化和沉澱強化，細化晶粒，提高強度但不降低改善鋼的低溫衝擊韌性，通過析出物的釘扎作用，阻止奧氏體在軋制過程的晶粒長大。但鈮降低鋼的高溫熱塑性從而增加了含鈮鋼鑄坯的熱裂傾向。根據試製鋼種的需要，鈮含量控制在0.0200.060%範圍。鈦鈦可產生強烈的沉澱強化及中等程度的晶粒細化作用。鈦的化學活性很強，易與鋼中的C、N、O、S形成化合物。為了降低鋼中固溶氮含量，通常採用微鈦處理固定鋼中的氮。TiN可有效阻止奧氏體晶粒在加熱過程中的長大，起直接強化作用。在含Nb鋼中加入微量的鈦，可改善含Nb鋼的熱塑性，使產生裂紋的敏感性減小。本鋼種研究採用微鈦處理，鈦含量控制在0.0100.030%。釩釩在軋制過程中應變誘導析出的V(C,N)可阻止形變奧氏體的再結晶，並可阻止再結晶奧氏體晶粒的粗化，但這種作用隨鋼中氮含量的降低而減弱，普通氮含量的釩微合金鋼在80(TC以下溫度會產生較為明顯的沉澱強化作用。釩最重要的作用是在鐵素體中大量沉澱析出而產生強烈的沉澱強化效果，即使在正火鋼材中這一作用也十分明顯。為此本鋼種設計V的含量為0.020.10%。鉬是本鋼的主要合金元素，擴大奧氏體相區，推遲奧氏體向鐵素體相變時析出鐵素體形成，促進貝氏體的形成的主要元素，對控制相變組織起到重要作用，在向鋼中加入0.100.30X的Mo後，即使在較慢的冷卻速度下也可以獲得明顯的貝氏體組織，同時由於相變向低溫方向轉變，可以使得組織進一步細化。銅鎳Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，由於厚壁管線的使用環境主要在海洋使用，加入銅可以提高合金鋼的強度和耐腐蝕性，為了避免由於銅的偏聚引起的熱脆現象，加入相應比例的Ni來減小Cu的偏聚。此外，為了控制鋼種的夾雜物，還進行了鈣處理，為了提高鋼的抗腐蝕性能和低溫韌性，控制S^0.010X，P，015%，成品氮小於100ppm，成品氧小於30ppm，成品氫小於2ppm。軋制高強高韌X70厚壁無縫管線鋼的製造方法，其步驟包括有①配料冶煉、連鑄按上述鋼種組成元素重量成分為C:0.04~0.12%，Si:0.170.35%，Mn:1.201.60%，PS0.015%，SS0.0100/^，Mo:0.100.30%，Al:0.0050.045%，Nb:0.020.06%，V:0.020.10%，Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，Ti:0.0100.030%，Cr:$0.20%，CE，43，Pcm￡0.22，其餘為鐵，雜質元素微量。配料後經電爐或轉爐煉鋼，經LF精煉完後的鋼水經過VD真空除氣，餵入Ca絲進行鈣處理，隨後餵入Ti絲，隨後上連鑄平臺進行連鑄。②軋制檢驗合格後的定尺連鑄坯在環形加熱爐內加熱，加熱爐爐溫控制為12501290°C，穿孔溫度控制為12001250°C，終軋溫度850950°C，冷卻，鋸切。③管加工採用內噴外淋工藝調質，淬火後再回火的熱處理工藝，淬火溫度為920°C940°C，淬火介質為水，回火溫度在66071(TC，採用空冷；所述厚壁無縫管線管的力學性能達到的指標如下屈服強度$483MPa抗拉強度$565MPa屈強比$0.90夏比V型衝擊韌性-46°0縱向全尺寸夏比衝擊功^160>1，-46"橫向全尺寸夏比衝擊功215(11，單個剪切面積280%，平均^90%，延伸率$20%晶粒度8.5。以0>273.10x36.00mmX70管線為例1、配料冶煉、連鑄按上述鋼種組成元素重量成分為C:0.04~0.12%，Si:0.170.35%，Mn:1.201.600%，P^O.015%,S$0.010%，Mo:0.100.30%，Al:0.0050.045%，Nb:0.020.06%，V:0.020.10%，Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，Ti:0.0100.030%，Cr:，20%)，CE^O.43,Pcm^0.22，其餘為鐵，雜質元素微量。實際控制合金成分如下表1:LF精煉完後的鋼水經過VD真空除氣，餵入Ca絲進行鈣處理，隨後餵入Ti絲，隨後上連鑄平臺進行連鑄，連鑄圓坯直徑O310mm。表1化學成分complextableseeoriginaldocumentpage9其中ltt:CE=0.376，Pcm=0.191，2#:CE=0.387，Pcm二0.201，②軋制檢驗合格後的定尺連鑄坯在環形加熱爐內加熱，加熱爐爐溫控制為12601280°C，穿孔溫度控制為12001230°C，終軋溫度920940°C，然後冷床冷卻，鋸切。③管加工採用內噴外淋式工藝熱處理，淬火後再回火的熱處理工藝，淬火溫度為930。C940。C，淬火介質為水，回火溫度690710。C，採用空冷；最終產品性能測試結果如下表表20273."36mm成品性能complextableseeoriginaldocumentpage9其中平均斷口剪切比為95%，單個剪切面積最小90%，硬度為HVIO的數值。晶粒度為8.5級。採用車絲機加工坡口，有效解決了倒稜機坡口加工能力不足的問題，測試結果表明坡口精度完全滿足API5L要求。取成品管進行橫向和縱向系列衝擊該鋼種具有優良的低溫衝擊性能，橫向FATT約為-65。C，相應衝擊功為175J，縱向FATT約為-68。C，相應衝擊功為225J。可以滿足一般海底的低溫要求。本發明的管線鋼性能完全滿足X70鋼級要求，內中外硬度均勻，組織均勻，為均勻的貝氏體組織。根據本發明進行的實施實例，可以預計本發明在設備條件允許的情況下，生產操作較易進行，具有一定的推廣應用的可能性。尤其近年來油價上漲較快，深海鑽井油田的加速開發，極大的促進了厚壁管線的發展。由於海底鑽井的深度更深和海底使用環境的嚴酷性要求，厚壁管線對鋼材的性能提出了更嚴格的要求，在保證輸送安全性的前提下，還要求更好的低溫韌性和抗擠毀性能。因此，本發明的具有組織均勻，性能良好，焊接性能良好，低溫衝擊良好的厚壁X70無縫鋼管具有較大的應用前景。權利要求1、一種高強高韌X70厚壁無縫管線鋼，厚壁管線是指壁厚大於20mm的管線鋼，此鋼種最大壁厚可以達到36mm。其特徵是該鋼種的組成元素的重量配比為C0.04～0.12％，Si0.17～0.35％，Mn1.20～1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Mo0.10～0.30％，Al0.005～0.045％，Nb0.02～0.06％，V0.02～0.10％，Cu0.10～0.25％，Ni0.10～0.30％，Ti0.010～0.030％，Cr≤0.20％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其餘為鐵，雜質元素微量。2、權利要求1所述的高強高韌X70厚壁無縫管線鋼的製造方法，包括以下歩驟①按上述鋼種組成元素重量成分配料冶煉，電爐或轉爐煉鋼，經LF精煉完後的鋼水經過VD真空除氣，餵入Ca絲進行鈣處理，隨後餵入Ti絲，隨後上連鑄平臺進行連鑄；②軋制檢驗合格後的定尺連鑄坯在環形加熱爐內加熱，加熱爐爐溫控制為12501290°C，穿孔溫度控制為12001250°C，終軋溫度850950°C;③管加工採用內噴外淋工藝調質，淬火後再回火的熱處理工藝，淬火溫度為920°C940°C，淬火介質為水，回火溫度在66071℃，採用空冷；所述厚壁無縫管線管的力學性能達到的指標如下屈服強度≥483MPa抗拉強度≥565MPa屈強比≤0.90夏比V型衝擊韌性-46°C縱向全尺寸夏比衝擊功160≥J，-46。C橫向全尺寸夏比衝擊功≥150J，單個剪切面積≥80。％，平均≥90%，延伸率≥20%，晶粒度8.5級。全文摘要本發明提供一種高強高韌X70厚壁無縫管線鋼，該鋼種的組成元素的重量配比為C0.04～0.12％，Si0.17～0.35％，Mn1.20～1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Mo0.10～0.30％，Al0.005～0.045％，Nb0.02～0.06％，V0.02～0.10％，Cu0.10～0.25％，Ni0.10～0.30％，Ti0.010～0.030％，Cr≤0.20％，CE≤0.43，Pcm≤0.22，其餘為鐵，雜質元素微量。還提供一種軋制該無縫管線鋼的製造方法。有益效果是採用微合金鋼種，適合壁厚36mm以下的厚壁管線的生產，管體整體組織為均勻的貝氏體組織，碳當量低，焊接性能良好，低溫衝擊性能良好，滿足深海或者其他寒冷天氣對厚壁管線的要求，提高了管線的機械性能，提高水淬時對鋼的淬透性，解決了倒稜機加工厚壁管的難題。文檔編號C22C38/58GK101343715SQ20081015123公開日2009年1月14日申請日期2008年9月3日優先權日2008年9月3日發明者劉江成,周家祥,張傳友,李效華,勇江,章華明申請人:天津鋼管集團股份有限公司