CN102277530B

CN102277530B - 深海用≥25mm厚的管线钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102277530B
Application number: CN 201110232809
Authority: CN
Inventors: 徐进桥; 郭斌; 郑琳; 董中波; 彭涛; 陈洪伟; 邹德辉; 张开广
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-08-15
Also published as: CN102277530A

Abstract

本发明涉及深海用管线钢及生产方法。其主要组分及重量百分比：C：0.025～0.080％，Si：0.05～0.50％，Mn：1.20～1.60％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Mo：0.05～0.30％，Nb：0.03～0.06％，Ti：0.005～0.025％，Al：0.01～0.04％，N：≤0.010％，Ca：0.0010～0.0050％，残余元素控制的重量百分比为：As≤0.03％，Sb≤0.01％，Sn≤0.02％，Pb≤0.01％，Bi≤0.01％，B≤0.0005；生产步骤：按洁净钢冶炼并连铸成坯；铸坯加热；粗轧；精轧；弛豫；冷却；再弛豫；矫直；空冷至室温。本发明成分及工艺简单，实现了厚度≥25mm深海管线用管线钢。其R_t05≥450MPa，R_m≥550MPa，R_t05/R_m≤0.85，A_50mm≥40％，A_gt≥10％，-40℃KV₂≥200J，-20℃DWTT SA≥85％。

Description

深海用≥25mm厚的管线钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及管线用钢及生产方法，具体属于深海用管线钢及其生产方法。

背景技术

随着陆地油气资源的逐步枯竭，新的资源开采向海洋、极地等地质条件恶劣的地区延伸。目前，已探明世界海洋石油资源占世界石油资源总量的34％，而海洋天然气的年产量也达到全球天然气年总产量的32％，全球已有100多个国家在进行海上石油勘探，其中一半以上对深海进行了石油勘探，因此，海底管线用钢，尤其是深海管线用钢的开发和应用的重要性日益凸显。目前，国内海底管线用钢主要依赖进口。

在本发明专利之前，专利申请号为200810151232的中国发明专利“高强高韧X70厚壁无缝管线钢及制造方法”和专利申请号为200710113424的中国发明专利“一种微合金化油气输送无缝管线用钢及其制造方法”阐述了采用无缝钢管输送陆地或海底油气的方法，但大规格无缝钢管的尺寸偏差大、资源少且价格高，不适用于深海管线用钢的选材。

专利申请号为200710052601的中国发明专利“一种用于制作海底管线的钢板及其制造方法”和文章“海底管线用钢的开发应用”(焊管.2006，29(5)：36-39)阐述了采用热连轧开平板制作海底管线钢板的方法，其所采用的热连轧开平板的生产方式只能生产厚度≤20mm厚的浅海区海底管线用钢板，不能用于生产厚规格(≥25mm)的深海用海底管线钢，且热连轧后需要进行开平、分切，生产工序较长。

文章“日本高强度管线钢生产概述”(焊管.32(3)：64-69)、“Recent steel technology ofhigh-grade line pipe for critical application”(2010中国国际管道论坛论文集：52-63)、“高等级管线钢的发展现状”(钢铁.41(10)：1-10)介绍了日本住友金属公司在大壁厚海底管线用钢方面的研发和应用情况，但均未公布其具体成分和生产工艺，且力学性能中均没有列出深海管线用钢必需的落锤撕裂性能，无法确定其是否能够满足现有深海管道工程严格的技术条件要求。

近年来，随着海洋能源资源开发逐步向深海区迈进，海底管道铺设的深度不断提高。深海区用海底管线钢的厚度不断增加，对其抗压溃性能、低温起裂和止裂韧性、变形能力等方面的要求越来越苛刻。尤其是，随着管线钢厚度的增加，其低温止裂韧性(DWTT)成为最关键、开发难度最大的技术指标。此外，随着管线钢强度的不断升高，要满足深海区海底管线钢低屈强比、大变形能力的性能要求也成为新的挑战。目前，尚未发现有高强度(R_t0.5≥450MPa)、低温止裂韧性优异(-20℃DWTT SA≥85％)、低屈强比(R_t0.5/R_m≤0.85)、高均匀延伸率(A_gt≥10％)、满足现有深海区用厚规格海底管线钢技术条件要求的管线钢开发成功的报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述文献中描述的海底管线用钢生产成本高、尺寸偏差大、生产工序复杂、性能难以满足深海管线用钢要求等不足，提供一种屈服强度R_t0.5≥450MPa，-40℃KV₂≥200J，-20℃DWTT SA≥85％，及屈强比R_t0.5/R_m≤0.85，延伸率A_50mm≥40％，均匀延伸率A_gt≥10％的深海用≥25mm厚的管线钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：

深海用≥25mm厚的管线钢，其主要组分及重量百分比为：C：0.025～0.080％，Si：0.05～0.50％，Mn：1.20～1.60％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Mo：0.05～0.30％，Nb：0.03～0.06％，Ti：0.005～0.025％，Al：0.01～0.04％，N：≤0.010％，Ca：0.0010～0.0050％，残余元素控制的重量百分比为：As≤0.03％，Sb≤0.01％，Sn≤0.02％，Pb≤0.01％，Bi≤0.01％，B≤0.0005，其余为Fe及其他不可避免的杂质；同时，还必须满足以下公式：

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.22％；

Nb％+V％+Ti％≤0.12。

其特征在于：还添加有重量百分比为≤0.30％的Ni。

其特征在于：还添加有重量百分比为≤0.30％的Cr。

其特征在于：还添加有重量百分比为≤0.08％的Cu。

其特征在于：还添加有重量百分比为≤0.05％的V。

生产深海用≥25mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1120～1230℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1050～1180℃，结束温度为980～1040℃，并控制每道次压下率在10～30％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在850～950℃，终轧温度在780～840℃，累计压下率在65～75％；

5)进行弛豫，时间为20～60s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在710～790℃，终冷温度在350～530℃，冷却速度控制在15～50℃/s；

7)再次弛豫40～60s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在1～3mm；

9)空冷至室温，待用。

本发明中各元素的作用及机理如下：

碳(C)含量为0.025～0.080％，加入一定量的碳，可以大幅提高钢的强度和降低钢的屈强比，但是碳含量超过0.080％时，钢的低温韧性显著恶化，因而将碳含量限定为0.025～0.080％。

硅(Si)含量为0.05～0.50％，主要起固溶强化作用，同时避免因添加过量硅导致钢的塑、韧性显著恶化。

锰(Mn)含量为1.20～1.60％，加入较高的经济合金化元素锰，可以显著提高钢的强度，此外，锰还可以在一定程度上细化晶粒，改善钢的冲击韧性，但是过量的锰易形成偏聚，导致钢的成分和组织不均。

铌(Nb)含量为0.03～0.06％，铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温控轧，降低轧机负荷，同时铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著的细晶强化和析出强化作用。但是在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促进M-A岛的生成，降低焊接热影响区的韧性，因此，将铌的含量限定为0.03～0.06％。

钒(V)含量为0～0.05％，钒可以补充铌析出强化的不足，还可以在一定程度上改善钢的焊后韧性。但由于钒具有较强的沉淀强化和较弱的细晶强化作用，加入过量的钒易导致钢的韧脆转变温度提高，因此将钒的含量控制在较低的含量水平：0～0.05％。

钛(Ti)含量为0.005～0.025％，钛与铌在钢中的作用类似，有较强的细晶强化和析出强化作用，微量的钛还可以在高温下与碳、氧结合，形成高温难熔的析出物，有利于抑制焊接热影响区的奥氏体晶粒长大，显著改善焊接热影响区的韧性。

钼(Mo)含量为0.05～0.30％，钼显著推迟γ→α转变，抑制铁素体和珠光体形核，促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成，使得钢在轧后一个较宽的冷速范围内得到贝氏体/针状铁素体组织，但钼属于贵重金属，加入量增加会显著提高钢的制造成本，同时过高的钼还会导致钢的低温韧性恶化。

镍(Ni)含量为0～0.30％，镍能够有效提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，还能显著改善钢的低温韧性。此外，镍还能有效阻止Cu的热脆性引起的网裂，并显著提高钢的耐腐蚀性能。但镍与钼类似，属于贵重金属，易导致钢的制造成本大幅提高，此外，过高的镍含量易造成钢板氧化铁皮难以去除，导致钢板表面质量问题。

铬(Cr)的含量为0～0.30％，铬也是提高钢的淬透性元素，并具有一定的固溶强化作用，此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能。

铝(Al)的含量为0.01～0.04％，铝是钢中主要的脱氧元素，能够显著降低钢中的氧含量，同时铝与氮的结合形成AlN，能够有效地细化晶粒。但是钢中铝含量超过0.04％时，易导致铝的氧化物夹杂明显增加，降低钢的洁净度，对钢的低温韧性不利。

钙(Ca)的含量为0.0010～0.0050％，在二次精炼过程中对钢进行钙处理，可以改善钢中的夹杂物形态，显著提高钢的横向冲击韧性。

磷(P)、硫(S)、氮(N)含量分别为：[％P]≤0.015，[％S]≤0.0030，[％N]≤0.010。磷易导致钢的冷脆，硫易引起热脆，而氮易引起钢的淬火时效和形变时效，导致钢的性能不稳定，因此应尽量降低钢中的磷、硫、氮的含量。

铜(Cu)、砷(As)、锑(Sb)、铅(Pb)、铋(Bi)含量为：[％Cu]≤0.08，[％As]≤0.03，[％Sb]≤0.01，[％Sn]≤0.02，[％Pb]≤0.01，[％Bi]≤0.01。为提高钢的纯净度，保证深海管线用钢具有优异的低温韧性，必须严格控制铜、砷、锑、铅、铋等低熔点、有害元素的含量。

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.22％，以保证钢具有良好的焊接性能。

本发明与现有技术相比，采用较经济的成分设计和较简便的生产工艺，可以显著降低无缝钢管的高生产成本，也可以避免采用热连轧开平板的热轧+开平的复杂生产工序，而且，试验结果表明，其通过组分及含量和工艺控制，能够获得理想的先共析铁素体+贝氏体(+少量M-A组元)的双相或多相组织，可以实现厚规格(≥25mm)深海管线用管线钢板所要求的优异的强、塑、韧性匹配，钢板的屈服强度(R_t0.5≥450MPa)，抗拉强度(R_m)≥550MPa，屈强比(R_t0.5/R_m)≤0.85，延伸率(A_50mm)≥40％，均匀延伸率(A_gt)≥10％，-40℃KV₂≥200J，-20℃DWTT SA≥85％。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的描述：

实施例1

深海用28mm厚的管线钢，其组分及重量百分比为：C：0.025％，Si：0.50％，Mn：1.60％，P：0.014％，S：0.0020％，Ni：0.01％，Mo：0.30％，Cr：0.05％，Cu：0.03％，Nb：0.031％，V：0.004％，Ti：0.01％，Al：0.011％，N：0.009％，Ca：0.0034％，残余元素控制的重量百分比为：As：0.008％，Sb：0.001％，Sn：0.002％，Pb：0.001％，Bi：0.003％，B：0.0001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.147％；

Nb：0.031％+V：0.004％+Ti：0.010％＝0.045％。

生产深海用28mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1120～1125℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1075～1180℃，结束温度为980～985℃，并控制每道次压下率在10～17％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在850～855℃，终轧温度在780～785℃，累计压下率在72％；

5)进行弛豫，时间为20s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在755～760℃，终冷温度在436～440℃，冷却速度控制在18.6℃/s；

7)再次弛豫40s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在3mm；

9)空冷至室温，待用。

实施例2

深海用25.4mm厚的管线钢，其组分及重量百分比为：C：0.040％，Si：0.32％，Mn：1.52％，P：0.012％，S：0.0025％，Ni：0.07％，Mo：0.05％，Cr：0.22％，Cu：0.02％，Nb：0.040％，V：0.01％，Ti：0.007％，Al：0.021％，N：0.0070％，Ca：0.0048％，残余元素控制的重量百分比为：As：0.009％，Sb：0.001％，Sn：0.001％，Pb：0.0007％，Bi：0.004％，B：0.0001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.145％。

Nb：0.040％+V：0.01％+Ti：0.007％＝0.057％。

生产深海用25.4mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1145～1150℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1110～1115℃，结束温度为1005～1010℃，并控制每道次压下率在13～20％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在915～920℃，终轧温度在805～810℃，累计压下率在73％；

5)进行弛豫，时间为35s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在762～767℃，终冷温度在465～470℃，冷却速度控制在35℃/s；

7)再次弛豫48s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在1.5mm；

9)空冷至室温，待用。

实施例3

深海用27mm厚的管线钢，其组分及重量百分比为：C：0.048％，Si：0.25％，Mn：1.37％，P：0.010％，S：0.0011％，Ni：0％，Mo：0.07％，Cr：0.28％，Cu：0.05％，Nb：0.058％，V：0.003％，Ti：0.015％，Al：0.032％，N：0.006％，Ca：0.0025％，残余元素控制的重量百分比为：As：0.008％，Sb：0.0008％，Sn：0.0006％，Pb：0.0009％，Bi：0.003％，B：0.0001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

Nb：0.058％+V：0.003％+Ti：0.015％＝0.076％。

生产深海用27mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1225～1230℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1165～1170℃，结束温度为1035～1040℃，并控制每道次压下率在14～23％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在945～950℃，终轧温度在835～840℃，累计压下率在75％；

5)进行弛豫，时间为44s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在785～790℃，终冷温度在405～410℃，冷却速度控制在28℃/s；

7)再次弛豫53s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在2.6mm；

9)空冷至室温，待用。

实施例4

深海用31.8mm厚的管线钢，其组分及重量百分比为：C：0.063％，Si：0.15％，Mn：1.45％，P：0.011％，S：0.0015％，Ni：0.13％，Mo：0.05％，Cr：0.16％，Cu：0％，Nb：0.031％，V：0.027％，Ti：0.018％，Al：0.039％，N：0.0050％，Ca：0.0021％，残余元素控制的重量百分比为：As：0.007％，Sb：0.0007％，Sn：0.0005％，Pb：0.0011％，Bi：0.002％，B：0.0001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.159％；

Nb：0.031％+V：0.027％+Ti：0.018％＝0.076％。

生产深海用31.8mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照纯净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1192～1197℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1150～1155℃，结束温度为1025～1030℃，并控制每道次压下率在14～25％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在902～908℃，终轧温度在820～825℃，累计压下率在68％；

5)进行弛豫，时间为59s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在730～735℃，终冷温度在425～430℃，冷却速度控制在15℃/s；

7)再次弛豫36s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在1.4mm；

9)空冷至室温，待用。

实施例5

深海用30.2mm厚的管线钢，其组分及重量百分比为：C：0.08％，Si：0.10％，Mn：1.22％，P：0.007％，S：0.0005％，Ni：0.09％，Mo：0.16％，Cr：0％，Cu：0.07％，Nb：0.035％，V：0％，Ti：0.024％，Al：0.024％，N：0.0040％，Ca：0.0014％，残余元素控制的重量百分比为：As：0.008％，Sb：0.0009％，Sn：0.0007％，Pb：0.0014％，Bi：0.004％，B：0.0001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B＝0.184％；

Nb：0.035％+V：0.048％+Ti：0.024％＝0.107％。

生产深海用30.2mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1)按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2)对连铸坯加热，控制其加热温度为1183～1189℃；

3)进行粗轧，控制其开轧温度为1142～1148℃，结束温度为1015～1020℃，并控制每道次压下率在15～28％；

4)进行精轧，控制其开轧温度在878～883℃，终轧温度在800～805℃，累计压下率在65％；

5)进行弛豫，时间为60s；

6)进行冷却，控制开始冷却温度在710～715℃，终冷温度在351～358℃，冷却速度控制在30℃/s；

7)再次弛豫40s；

8)进行矫直，控制矫直入口压下量在1.2mm；

9)空冷至室温，待用。

表1为各实施例的性能检测统计表。

表1各实施例的性能检测统计表

Claims

1.深海用≥25mm厚的管线钢，其主要组分及重量百分比为：C：0.025～0.080%，Si：0.32～0.50%，Mn：1.22～1.37%，P：≤0.015%，S≤0.003%，Mo：0.05～0.30%，Nb：0.058～0.06%，Ti：0.024～0.025％，Al：0.01～0.04%，N：≤0.010%，Ca：0.0010～0.0050%，残余元素控制的重量百分比为：As≤0.03%，Sb≤0.01%，Sn≤0.02%，Pb≤0.01%，Bi≤0.01%，B≤0.0005 ，其余为Fe及其他不可避免的杂质；同时，还必须满足以下公式：

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm= C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.22%；

Nb %+V %+Ti%≤0.12。

2.如权利要求1所述的深海用≥25mm厚的管线钢，其特征在于：还添加有重量百分比为0.05～0.08%的Cu 。

3.生产权利要求1所述的深海用≥25mm厚的管线钢的方法，其步骤：

1）按照洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯加热，控制其加热温度为1120～1150℃；

3）进行粗轧，控制其开轧温度为1050～1165℃，结束温度为980～1040℃，并控制每道次压下率在10～30%；

4）进行精轧，控制其开轧温度在850～950℃，终轧温度在780～840℃，累计压下率在65～75%；

5）进行弛豫，时间为20～60s；

6）进行冷却，控制开始冷却温度在710～790℃，终止冷却温度在350～530℃，冷却速度控制在15～50℃/s；

7）再次弛豫40～60s；

8）进行矫直，控制矫直入口压下量在1～3mm；

9）空冷至室温，待用。