專利名稱：：高強(qiáng)高韌x70厚壁無縫管線鋼及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于冶金工業(yè)的無縫鋼管制造技術(shù)，涉及一種適用于具有高強(qiáng)度和高韌性X70厚壁無縫管線鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：隨著近海和深海油田的開發(fā)，大規(guī)格和厚壁管線的需求量正逐歩增加。為了使得更遠(yuǎn)更深的油氣輸送到海岸，相應(yīng)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(qiáng)度和高的韌性，也需要高的抗擠毀性能。達(dá)到高的的抗擠毀性能要求，一方面通過增加鋼級(jí)來提高，另外一種方式就是提高壁厚來達(dá)到，對(duì)于管線而言，提高鋼級(jí)不僅僅涉及到裂紋擴(kuò)展的問題，還涉及可焊接性能的要求，因此，基于以上因素考慮，提高壁厚來滿足深海對(duì)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(shè)快速發(fā)展。為提高管道輸送效率，降低能耗，減少投資和運(yùn)營費(fèi)用，長距離輸送管線向高壓、大口徑、厚壁發(fā)展已成趨勢(shì)。同時(shí)，從管線安全性和焊接施工等方面考慮，對(duì)管線用鋼的強(qiáng)度、韌性、焊接性和抗腐蝕性等性能不斷提出了更高、更嚴(yán)格要求。目前針對(duì)API5L管線的設(shè)計(jì)制造方面的專利有X52，X60，X65，X70，X80，X100等鋼級(jí)，但是這些專利基本都是針對(duì)的壁厚小于20mm的薄壁管線而言，而針對(duì)壁厚大于20mm，鋼級(jí)高于X60的厚壁無縫管線專利還沒有見到。冶金技術(shù)的進(jìn)步和微合金化管線鋼的發(fā)展，使生產(chǎn)具有高強(qiáng)度、高韌性、良好焊接性的厚壁管線鋼成為可能，但是同時(shí)要滿足大壁厚、高鋼級(jí)、優(yōu)良的焊接性能卻有較大難度。如果采用調(diào)質(zhì)處理，由于管線鋼的碳當(dāng)量的限制，加上壁厚超過20mm，一般而言對(duì)于壁厚大于20mm的管線鋼都稱為厚壁管線，淬火時(shí)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，沖擊性能不好以及焊接性能不好等諸多問題，此外，由于厚壁管線大都是大外徑，因此連鑄和軋制工藝相對(duì)困難。并且對(duì)于厚橫管線，由于單根管重量往往超過倒棱機(jī)的設(shè)計(jì)范圍，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(fā)展趨勢(shì)，壁厚大于20mm的厚壁高鋼級(jí)管線鋼的需求量正逐漸增加。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼及制造方法，滿足開采深海油田的需要。通過該方法制造的無縫管線管能達(dá)到API5L的X70鋼級(jí)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種高強(qiáng)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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。還提供軋制高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼的制造方法。本發(fā)明的有益效果是使用該工藝方法具體表現(xiàn)在1)采用微合金鋼設(shè)計(jì)，適合壁厚36mm以下的厚壁管線的生產(chǎn)，管體整體組織均勻，為均勻的貝氏體組織，碳當(dāng)量低，焊接性能良好，低溫沖擊性能良好，完全可以滿足深?；蛘咂渌涮鞖鈱?duì)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(jī)械性能；3)采用內(nèi)噴外淋式淬火方式，大大提高水淬時(shí)對(duì)鋼的淬透性，4)采用車絲機(jī)加工坡口，尺寸精度滿足API5L要求，解決了倒棱機(jī)加工厚壁管困難的問題。具體實(shí)施例方式結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼及制造方法加以說明。木發(fā)明的高強(qiáng)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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。對(duì)主要組成成分選取理由如下碳是傳統(tǒng)的強(qiáng)化元素，具有成本低、調(diào)控敏感性好的優(yōu)點(diǎn)。但含量偏高也有對(duì)鋼的焊接性能、力學(xué)性能及抗氫致裂紋(HIC)性能產(chǎn)生負(fù)面影響的缺點(diǎn)。此外碳和鋼的強(qiáng)度匹配關(guān)系也尤為重要，因含碳量的高低與鋼的強(qiáng)度成正比關(guān)系，但鋼的沖擊韌性則明顯降低，滿足不了對(duì)鋼高強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)化作用為主。多年的科研和生產(chǎn)實(shí)踐表明，在微合金結(jié)構(gòu)鋼中錳含量多少和強(qiáng)度成正比關(guān)系，其沖擊韌性下降率較小，還不影響其脆性轉(zhuǎn)變溫度。美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API規(guī)定X70管線鋼錳含量不大于1.65%,以彌補(bǔ)碳含量降低造成的強(qiáng)度損失。根據(jù)管線鋼技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)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(qiáng)度的機(jī)理是細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度但不降低改善鋼的低溫沖擊韌性，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?zé)崴苄詮亩黾恿撕変撹T坯的熱裂傾向。根據(jù)試制鋼種的需要，鈮含量控制在0.0200.060%范圍。鈦鈦可產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化及中等程度的晶粒細(xì)化作用。鈦的化學(xué)活性很強(qiáng)，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，通常采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(qiáng)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(chǎn)生裂紋的敏感性減小。本鋼種研究采用微鈦處理，鈦含量控制在0.0100.030%。釩釩在軋制過程中應(yīng)變誘導(dǎo)析出的V(C,N)可阻止形變奧氏體的再結(jié)晶，并可阻止再結(jié)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(huì)產(chǎn)生較為明顯的沉淀強(qiáng)化作用。釩最重要的作用是在鐵素體中大量沉淀析出而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)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(shè)計(jì)V的含量為0.020.10%。鉬是本鋼的主要合金元素，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，推遲奧氏體向鐵素體相變時(shí)析出鐵素體形成，促進(jìn)貝氏體的形成的主要元素，對(duì)控制相變組織起到重要作用，在向鋼中加入0.100.30X的Mo后，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(shí)由于相變向低溫方向轉(zhuǎn)變，可以使得組織進(jìn)一步細(xì)化。銅鎳Cu:0.100.25%，Ni:0.100.30%，由于厚壁管線的使用環(huán)境主要在海洋使用，加入銅可以提高合金鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性，為了避免由于銅的偏聚引起的熱脆現(xiàn)象，加入相應(yīng)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(jìn)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%，成品氮小于100ppm，成品氧小于30ppm，成品氫小于2ppm。軋制高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼的制造方法，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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。配料后經(jīng)電爐或轉(zhuǎn)爐煉鋼，經(jīng)LF精煉完后的鋼水經(jīng)過VD真空除氣，喂入Ca絲進(jìn)行鈣處理，隨后喂入Ti絲，隨后上連鑄平臺(tái)進(jìn)行連鑄。②軋制檢驗(yàn)合格后的定尺連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)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管加工采用內(nèi)噴外淋工藝調(diào)質(zhì)，淬火后再回火的熱處理工藝，淬火溫度為920°C940°C，淬火介質(zhì)為水，回火溫度在66071(TC，采用空冷；所述厚壁無縫管線管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度$483MPa抗拉強(qiáng)度$565MPa屈強(qiáng)比$0.90夏比V型沖擊韌性-46°0縱向全尺寸夏比沖擊功^160>1，-46"橫向全尺寸夏比沖擊功215(11，單個(gè)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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。實(shí)際控制合金成分如下表1:LF精煉完后的鋼水經(jīng)過VD真空除氣，喂入Ca絲進(jìn)行鈣處理，隨后喂入Ti絲，隨后上連鑄平臺(tái)進(jìn)行連鑄，連鑄圓坯直徑O310mm。表1化學(xué)成分<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中l(wèi)tt:CE=0.376，Pcm=0.191，2#:CE=0.387，Pcm二0.201，②軋制檢驗(yàn)合格后的定尺連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)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，然后冷床冷卻，鋸切。③管加工采用內(nèi)噴外淋式工藝熱處理，淬火后再回火的熱處理工藝，淬火溫度為930。C940。C，淬火介質(zhì)為水，回火溫度690710。C，采用空冷；最終產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果如下表表20273."36mm成品性能<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中平均斷口剪切比為95%，單個(gè)剪切面積最小90%，硬度為HVIO的數(shù)值。晶粒度為8.5級(jí)。采用車絲機(jī)加工坡口，有效解決了倒棱機(jī)坡口加工能力不足的問題，測(cè)試結(jié)果表明坡口精度完全滿足API5L要求。取成品管進(jìn)行橫向和縱向系列沖擊該鋼種具有優(yōu)良的低溫沖擊性能，橫向FATT約為-65。C，相應(yīng)沖擊功為175J，縱向FATT約為-68。C，相應(yīng)沖擊功為225J。可以滿足一般海底的低溫要求。本發(fā)明的管線鋼性能完全滿足X70鋼級(jí)要求，內(nèi)中外硬度均勻，組織均勻，為均勻的貝氏體組織。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的實(shí)施實(shí)例，可以預(yù)計(jì)本發(fā)明在設(shè)備條件允許的情況下，生產(chǎn)操作較易進(jìn)行，具有一定的推廣應(yīng)用的可能性。尤其近年來油價(jià)上漲較快，深海鉆井油田的加速開發(fā)，極大的促進(jìn)了厚壁管線的發(fā)展。由于海底鉆井的深度更深和海底使用環(huán)境的嚴(yán)酷性要求，厚壁管線對(duì)鋼材的性能提出了更嚴(yán)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(fā)明的具有組織均勻，性能良好，焊接性能良好，低溫沖擊良好的厚壁X70無縫鋼管具有較大的應(yīng)用前景。權(quán)利要求1、一種高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼，厚壁管線是指壁厚大于20mm的管線鋼，此鋼種最大壁厚可以達(dá)到36mm。其特征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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。2、權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌X70厚壁無縫管線鋼的制造方法，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(zhuǎn)爐煉鋼，經(jīng)LF精煉完后的鋼水經(jīng)過VD真空除氣，喂入Ca絲進(jìn)行鈣處理，隨后喂入Ti絲，隨后上連鑄平臺(tái)進(jìn)行連鑄；②軋制檢驗(yàn)合格后的定尺連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)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管加工采用內(nèi)噴外淋工藝調(diào)質(zhì)，淬火后再回火的熱處理工藝，淬火溫度為920°C940°C，淬火介質(zhì)為水，回火溫度在66071℃，采用空冷；所述厚壁無縫管線管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度≥483MPa抗拉強(qiáng)度≥565MPa屈強(qiáng)比≤0.90夏比V型沖擊韌性-46°C縱向全尺寸夏比沖擊功160≥J，-46。C橫向全尺寸夏比沖擊功≥150J，單個(gè)剪切面積≥80。％，平均≥90%，延伸率≥20%，晶粒度8.5級(jí)。全文摘要本發(fā)明提供一種高強(qiáng)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，其余為鐵，雜質(zhì)元素微量。還提供一種軋制該無縫管線鋼的制造方法。有益效果是采用微合金鋼種，適合壁厚36mm以下的厚壁管線的生產(chǎn)，管體整體組織為均勻的貝氏體組織，碳當(dāng)量低，焊接性能良好，低溫沖擊性能良好，滿足深?；蛘咂渌涮鞖鈱?duì)厚壁管線的要求，提高了管線的機(jī)械性能，提高水淬時(shí)對(duì)鋼的淬透性，解決了倒棱機(jī)加工厚壁管的難題。文檔編號(hào)C22C38/58GK101343715SQ20081015123公開日2009年1月14日申請(qǐng)日期2008年9月3日優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日發(fā)明者劉江成,周家祥,張傳友,李效華,勇江,章華明申請(qǐng)人:天津鋼管集團(tuán)股份有限公司