一種高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝的製作方法
2023-10-26 06:25:47
專利名稱：一種高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於低碳/超低碳微合金控軋控冷鋼的領域，主要用於製造高壓、大管徑石油天然氣輸送管線鋼的製備工藝。
背景技術：
石油天然氣是國民經濟的重要組成部分，是社會發展的物質基礎，而管道運輸是一種經濟、安全和不間斷的大規模的石油、天然氣的輸送方式。由於海上油氣田、極地油氣田和腐蝕環境油氣田的開發，不僅要求管線鋼具有高的強度，而且要求應有良好的韌性、抗疲勞斷裂性能和耐腐蝕性能。到2010年，我國原油缺口每年達7000萬噸，天然氣缺口達40-50億立方米。目前，我國實施的「西氣東輸」輸氣管線建設工程已完成大半，同時還將建立數千公裡的中俄輸送管線，引進國外的能源。由於輸送管線大部分都要經過嚴寒地帶，沿途地域複雜，為了降低油氣輸送成本，要採用大管徑，大輸量的高壓管線進行輸送，這就要求輸送管線鋼在滿足強度的條件下，具有極佳的韌性。為避免或減少在變動載荷下運行的管線發生疲勞損傷，同時還要求管線鋼要很好的抗疲勞裂紋擴展的性能。對於輸送酸氣用管線鋼還要求其具有很高的抗H2S腐蝕性能。
對於X70以下級別的管線鋼，一般採用TMCP工藝以獲得需要的組織與性能；對於X80及以上級別的管線鋼，通常認為在現今的TMCP工藝下不易實現，需要採用回火馬氏體組織的管線鋼，或者在TMCP工藝的基礎上附加軋後回火等工藝。而這些方法都不可避免的會增加管線鋼生產的工藝難度，提高生產成本。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高強韌性X70及以上級別高壓輸氣管線用鋼的生產工藝制度，採用本發明能在對現有管線鋼成分及生產設備基本不作改變的基礎上，通過對傳統TMCP工藝進行明顯改進，達到充分挖掘現有管線鋼的性能潛力的目的。在新的工藝下，原有的X70管線鋼能接近X90級別的水平。其組織狀態是以充分細化的針狀鐵素體AF為主的復相組織。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是如下本發明對X70級高壓天然氣輸送管線用鋼提供一種新的熱機械控制軋制工藝制度(TMCP)，即1.軋制道次分配18～22％-18～22％-20～35％-20～32％-25～35％-30～35％-33～36％，共7道具體為第一道次壓下量為18～22％，第二道次壓下量為18～22％，第三道次壓下量為20～35％，第四道次壓下量為20～32％，第五道次壓下量為25～35％，第六道次壓下量為30～35％，最後一道次壓下量為33～36％；其中分別在奧氏體再結晶區、未再結晶區及奧氏體/鐵素體兩相區1-3道次控軋控冷，加熱溫度1150℃，開軋溫度為1100℃-1050℃，待溫溫度區間為1020℃-950℃，精軋開始溫度890℃-920℃，終軋溫度區間為830℃-750℃，終軋後控制冷卻至550℃-450℃之間；2.冷卻方式水冷(20℃～30℃/s)。
本發明原理是在T.Tanaka等提出的「控制軋制三階段工藝」理論的基礎上，對組織進行控制並充分細化晶粒。即通過在奧氏體再結晶區/未再結晶區及奧氏體/鐵素體兩相區進行嚴格控制的多道次軋制，著重利用在奧氏體靜態相變溫度以下發生的形變誘導鐵素體相變，再配合中等的冷卻速度(15℃-30℃/s)，能夠獲得在充分細化的針狀鐵素體AF基體上彌散分布M/A組元的復相組織。本發明工藝制度下得到的管線鋼組織與性能都接近或達到了國際上同類產品的最高水平。
本發明對超純淨冶煉的X70級高壓天然氣輸送管線用鋼提供了一種新的組織狀態即0在充分細化的針狀鐵素體AF組織基礎上彌散分布著M/A組元。
採用該復相組織的依據是極細的非等軸針狀鐵素體AF基體中彌散分布著滲碳體和馬氏體島，其亞結構具有很高的位錯密度。該種復相組織結構具有很高的強度和韌性。針狀鐵素體AF具有連續屈服的特性，因此針狀鐵素體AF能夠削弱因包辛格效應引起的屈服強度降低。而充分細化的針狀鐵素體AF在相變強化作用的基礎上，充分利用細化強化的作用，大幅度提高了傳統針狀鐵素體AF管線鋼的機械性能，能生產出強度級別和韌性更高、疲勞性能更好的板材。超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝本發明工藝生產的管線鋼與現有X60陝京管線鋼相比更具有如下優點1.本發明工藝得到的管線鋼具有更高的強度和很高的低溫衝擊韌性，同時還具有很好的抗疲勞裂紋擴展能力。其在模擬管線實際運行條件下的疲勞壽命比商用X60管線鋼提高70％以上，比商用X70管線鋼提高20％以上。
2.採用本發明工藝的管線鋼能夠獲得在充分細化的針狀鐵素體AF基體上彌散分布M/A組元的復相組織，其晶粒尺寸明顯小於商用X60管線鋼，晶粒平均尺寸達到2um左右。
3.管線鋼的綜合性能好。採用本發明具體為σs＝649～715MPa，σb＝605～625MPa，δ50＝21.2～24.6％，CVN-40℃＝132～149J，CVN-100℃＝119～137J，CVN-160℃＝103～107J(半尺寸樣品，55×5mm)。
圖1為本發明一個實施例金相組織圖。
圖2為本發明另一個實施例金相組織圖。
圖3為本發明又一個實施例金相組織圖。
圖4為現有技術中X60鋼金相組織圖。
圖5為現有技術中X70鋼金相組織圖。
圖6為本發明的一個比照例金相組織圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1兩種管線鋼採用真空感應爐熔煉，鍛造並機加工成尺寸為70×80×80mm的方坯，根據本發明的管線鋼工藝，在小型軋機上進行熱機械控軋控冷，最後在等溫爐中模擬卷取，軋製成7mm厚的板材。對於本實施例坯料尺寸軋制工藝共7道(20％-20％-33％-20％-33％-30％-36％)，70-56-45-30-24-16-11-7，具體為第一道次從厚度70mm軋至56mm，第二道次從56mm軋至45mm，第三道次從45mm軋至30mm，第四道次從30mm軋至24mm，第五道次從24mm軋至16mm，第四道次從16mm軋至11mm，最後一道次從11mm軋至7mm；水冷20℃/秒。加熱溫度1150℃。
其化學成分見表1，本發明工藝制度見表2，本發明實施例和對照例的機械性能見表3，本發明實施例(在奧氏體再結晶區3道次、未再結晶區3道次及奧氏體/鐵素體兩相區1道次)和對照例的疲勞性能見表4。
本實施例(其金相組織參見圖1)與現有技術中的X60、X70及對照例(參見圖4、5、6)相比，其綜合性能大大提高，具體為σs可達715Mpa，σb可達625MPa，δ50可達22.3％，CVN-40℃可達132J，CVN-100℃可達129J，CVN-160℃可達103J(半尺寸樣品，55×10×5mm)。
實施例2與實施例1不同之處在於所述軋制7道工藝為70-57-45-34-24-16-10.5-7(18％-21％-24％-30％-33％-34％-33％)，水冷30℃/秒。
其化學成分見表1，本實施例工藝制度見表2，本實施例和對照例的機械性能見表3，本實施例(在奧氏體再結晶區3道次、未再結晶區3道次及奧氏體/鐵素體兩相區1道次)和對照例的疲勞性能見表4。
本實施例(其金相組織參見圖2)與現有技術中的X60、X70及對照例(參見圖4、5、6)相比，σs可達698Mpa，σb可達612MPa，δ50可達24.6％，CVN-40℃可達143J，CVN-100℃可達136J，CVN-160℃可達106J(半尺寸樣品，55×10×5mm)。
實施例3與實施例1不同之處在於所述軋制7道工藝為70-56-45-32-22-16-11-7(20％-20％-29％-31％-27％-31％-36％)，水冷25℃/秒。
其化學成分見表1，本發明工藝制度見表2，本發明實施例和對照例的機械性能見表3，本發明實施例(在奧氏體再結晶區3道次、未再結晶區3道次及奧氏體/鐵素體兩相區1道次)和對照例的疲勞性能見表4。
本發明實施例(其金相組織參見圖3)與現有技術中的X60、X70及對照例(參見圖4、5、6)相比，σs可達645Mpa，σb可達602MPa，δ50可達20％，CVN-40℃可達149J，CVN-100℃可達137J，CVN-160℃可達106J(半尺寸樣品，55×10×5mm)。
表1、本發明實施例管線鋼的化學成分
表2、本發明實施例1～3工藝制度
表3材料機械性能試驗結果
表4疲勞壽命試驗結果
權利要求
1.一種高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝，採用熱機械控軋工藝制度，其特徵在於1)軋制道次分配為18～22％-18～22％-20～35％-20～32％-25～35％-30～35％-33～36％，共7道；2)分別在奧氏體再結晶區、未再結晶區及奧氏體/鐵素體兩相區多道次控軋控冷，加熱溫度1150℃，開軋溫度為1100℃-1050℃，待溫溫度區間為1020℃-950℃，精軋開始溫度890℃-920℃，終軋溫度區間為830℃-750℃，終軋後控制冷卻至550℃-450℃之間。
2.按權利要求1所述高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝，其特徵在於所述冷卻方式為水冷，20℃～30℃/秒。
3.按權利要求1所述高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝，其特徵在於所述在奧氏體再結晶區、未再結晶區及奧氏體/鐵素體兩相區控軋控冷道次可以為1-3。
全文摘要
本發明公開一種高性能超細針狀鐵素體型輸氣管線鋼製備工藝。它採用熱機械控軋工藝制度(TMCP)軋制道次分配為18～22％－18～22％－20～35％－20～32％－25～35％－30～35％－33～36％；加熱溫度1150℃，開軋溫度為1100℃－1050℃，待溫溫度區間為1020℃－950℃，精軋開始溫度890℃－920℃，終軋溫度區間為830℃－750℃，終軋後控制冷卻；顯微組織為在充分細化的針狀鐵素體AF基體上彌散分布著M/A組元。由本發明得到的管線鋼不但具有更高的強度和很高的低溫衝擊韌性，而且能具有更好的抗疲勞裂紋擴展的能力，用於製造高壓、大管徑石油天然氣輸送管線鋼。
文檔編號C21D8/00GK1629325SQ200310119100
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月15日 優先權日2003年12月15日
發明者鍾勇, 單以銀, 肖福仁, 楊柯 申請人:中國科學院金屬研究所