CN102953018A - 高强度管线用钢、钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度管线用钢，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.12％，Mn：1.0-2.5％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb：0.01-0.09％，Ti：0.0025-0.030％，Alt≤0.08％，Mo≤1.0％，Cu≤1.2％，Ni≤1.5％，Cr≤1.2％，B≤0.0030％，Ca≤0.01％，N：0.001-0.010％，其余为铁及不可避免的杂质。该钢为多边形铁素体和贝氏体双相组织。高强度管线钢管的制造方法，包括：板坯加热温度：1100-1250℃；非再结晶区轧制的开始温度：750-920℃，终止轧制温度：720-840℃；两阶段控制冷却，ACC终止冷却温度：200-580℃，冷却速度为5-30℃/s；UOE工艺制管，压缩率为0.1-0.5％，扩径率0.5-1.5％。这样得到的钢管能够满足低屈强比，高均匀延伸率的要求。

Description

高强度管线用钢、钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及管线钢，特别是涉及具有低屈强比、高均匀延伸率高强度管线钢管用钢、钢管及其制造方法。

背景技术

随着管道工业的发展，长距离石油天然气运输管道需要途径地震带、冻土层等特殊地段，为了保证管线运输的安全性，近年来人们对高强度管线钢的抗应变能力开始给予关注。传统的管道设计是基于应力设计，然而在地震等地质灾害多发区，管道将承受较大的位移应变，管道失效不仅仅由应力控制。针对这类管线工程提出了“基于应变设计”的新概念，对此类管线钢要求具有一定的抗应变能力。这样管线钢不仅要满足“应力设计”的横向力学性能的要求，还要满足“应变设计”的要求即钢板的纵向拉伸曲线具有拱顶型(Round house)特征，同时具有低的屈强比、高的均匀延伸率、高应力比等特点。

JP2005-15823A公开了一种变形性能优异的管线用高强度钢管及其制造方法。该钢管的长度方向的屈服强度与圆周方向的屈服强度的比YSL/YSC为70-95％，其含有(质量％)C：0.03-0.12％，Si：0.8％以下，Mn：0.8-2.5％，P：0.03％以下，S：0.01％以下，Nb：0.01-0.1％以下，Ti：0.005-0.03％，Al：0.1％以下，N：0.001-0.008％，满足Ti-3.4N≥0，含有Ni：1％以下，Mo：0.6％以下，Cr：1％以下，Cu：1％以下，V：0.1％以下，Ca：0.01％以下，REM：0.02％以下，Mg：0.006％以下中的一种或；两种，残余为铁及不可避免的杂质。显微组织由面积率为30-80％的铁素体以及残余为马氏体和/或贝氏体构成。钢片在950℃加热，进行热轧，空冷到500℃以下，在740-850℃再加热，以10℃/s的速度冷却到400℃以下，将钢板成型为筒状，将对接部的端部焊接后，进行0.8-3％的扩管处理。该专利的成分设计为加V、Mg和REM，而无B元素，并且采用了钢板热处理工艺。

JP 2004-124167A公开了一种具有优良焊接性能和变形能力的高强度管线钢板和钢管的生产制造方法。其成分上采用低碳设计，并加入Mn、Nb、Ti、Ni、Cu、Cr、Mo、V和Mg等合金元素；采用Ar₃以上温度开冷的TMCP工艺，得到针状铁素体组织。其成分设计思路(加入了V和Mg，而无B元素)，并且采用Ar₃以上温度开冷的TMCP工艺，其微观组织类型为针状铁素体。

JP 2005-060839A公开了一种低屈强比、高韧性、高应变时效抗性的高强度管线钢管的生产制造方法。其成分上采用低碳设计，通过Mo、Ti、V与C结合形成的析出物实现强化。其成分设计思路(加入了V而不加Cu、Ni、Cr)，其采用在线加热的生产工艺，其微观组织类型为贝氏体+马奥岛组织。

JP 2006-283147A公开了一种具有变形能力和高腐蚀抗性的高强度管线钢管的生产制造方法。在成分设计上采用低碳思路，加入Mn-Ni-Cu-Mo-Nb-Ti等合金元素，并阐述了相应的工艺。其成分设计思路(不含Cr和B)，其微观组织类型为以针状铁素体为主。

随着管线逐渐向这种地震带和冻土层的区域铺设，导致抗应变管线钢的需求越来越大。最近，已计划铺设的抗应变管线总用钢量就达数百万吨。为此，需要开发一种不仅满足“应力设计”的横向力学性能的要求，还满足“应变设计”的要求，即钢板的纵向拉伸曲线具有圆屋顶型特征，同时具有低的屈强比、高的均匀延伸率、高应力比等特点的高强度管线钢管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低屈强比、高均匀延伸率高强度管线用钢。

为了实现上述目的，本发明的具有低屈强比、高均匀延伸率高强度管线用钢，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.12％，Mn：1.0-2.5％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb：0.01-0.09％，Ti：0.0025-0.030％，Alt≤0.08％，Mo≤1.0％，Cu≤1.2％，Ni≤1.5％，Cr≤1.2％，B≤0.0030％，Ca≤0.01％，N：0.001-0.010％，其余为铁及不可避免的杂质。

优选地，C：0.01-0.10％。

优选地，Mn：1.03-2.45％。

优选地，Nb：0.015-0.085％。

优选地，Ti：0.0025-0.020％或Ti：0.005-0.020％。

优选地，Alt：0.02-0.08％。

优选地，Mo：0.2-0.9％，更优选地，0.2-0.6％。

优选地，Cu：0.1-1.2％。

优选地，Ni：0.1-1.4％。

优选地，Cr：0.1-1.1％。

优选地，B：0.0008-0.0028％。

优选地，本发明的具有低屈强比、高均匀延伸率的高强度管线用钢为多边形铁素体+贝氏体双相组织。

优选地，本发明钢的显微组织中多边形铁素体占约50-75％。

本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。

本发明的另一个目的是提供具有低屈强比、高均匀延伸率的高强度管线用钢的制造方法，该方法包括：

转炉或电炉冶炼，炉外精炼，连铸；

板坯加热，板坯加热温度：1100-1250℃；

控制轧制，其中，非再结晶区轧制的开始温度：750-920℃，优选为780-920℃，终止轧制温度：720-840℃；

两阶段控制冷却，ACC(加速冷却)终止冷却温度：200-580℃，冷却速度为5-30℃/s；优选地，ACC终止冷却温度为200-400℃或300-500℃；优选地，冷却速度为5-20℃/s或20-30℃/s。

UOE(U成型-O成型-扩径(Expanding))工艺进行直缝埋弧焊制管，压缩率为0.1-0.5％，扩径率0.5-1.5％。

本发明针对微合金化多边形铁素体+贝氏体双相组织具有高强度、高韧性和良好的抗应变性能等特点，以晶粒细化、相变强化和位错强化等材料强化理论为基础，对具有多边形铁素体+贝氏体双相组织的高强度管线钢管的成分设计采用了较低的碳含量、超低硫、Nb、Ti、B微合金化结合Cu、Ni、Cr、Mo合金化的成分设计。厚板工艺采用了控轧+两段式控制冷却的TMCP(热机械控制工艺)技术，通过合理的成分和工艺进行最终产品的双相组织控制，以获得具有低屈强比、高均匀延伸率的多边形铁素体+贝氏体双相组织。

根据本发明的元素成分设计和工艺生产的管线钢管不仅可满足“应力设计”的管体横向性能的要求，还可满足“应变设计”的要求即管体的纵向拉伸曲线具有圆屋顶型特征，同时具有低的屈强比、高的应变强化指数、高的均匀延伸率等特点。

与现有生产钢种相比，按照本发明生产出的管线钢管的性能达到以下要求：

拉伸性能：横向拉伸的屈服强度YS＝485-690MPa，抗拉强度TS＝570-825MPa，屈强比YR≤0.88；纵向拉伸的屈服强度YS＝450-630MPa，抗拉强度TS＝570-775MPa，屈强比YR≤0.83，均匀延伸率uEl≥8％。

V型缺口冲击性能：在试验温度-20℃下，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥250J。

DWTT性能：试验温度-20℃下，平均剪切面积SA％≥85％，单个剪切面积SA％≥70％。

附图说明

图1是本发明实施例1钢板的金相组织图。

图2所示为本发明实施例1钢的纵向拉伸曲线，其中横坐标为应变(strain)，纵坐标为应力(stress)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行较为详细的说明。

本发明的具有低屈强比、高均匀延伸率的高强度管线用钢成分是以低C、高Mn，通过加入微量Nb、Ti、B等微合金元素、少量Mo、Cr及Cu、Ni合金元素，结合厚板控轧+两段式冷却工艺，获得多边形铁素体+贝氏体双相组织，以保证管线钢具有优良的抗应变的性能。其基本元素的主要作用如下：

碳：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能，但碳含量过低会降低晶界强度，故本发明中控制C含量为0.01-0.12％，优选地，C含量为0.01-0.10％，更优选C含量为0.03-0.095％。

硅：是具有增加钢水流动性的作用，对埋弧焊需具有一定的Si含量，同时Si还有促进奥氏体向铁素体相变时的铁素体析出，但过多的Si易使钢板在高温形成氧化铁，因此，本钢种的Si含量控制不超过0.6％，优选为0.1-0.5％。

锰：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。因此，本发明中控制Mn含量为1.0-2.5％，优选为1.03-2.45％，更优选1.55-2.50％。

铌：是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性。本发明中配合适当的C含量提高Nb的含量发挥NbC的作用，为此Nb的添加量为0.01-0.09％，优选为0.015-0.085％。

钛：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用，因此，本发明中添加Ti的含量为0.0025-0.030％，优选为0.0025-0.02％，更优选为0.005-0.02％。

钼：是扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，本发明中选择性添加Mo，添加量一般控制在1.0％以下。优选地，添加0.2-0.9％，更优选地，在一定的冷却条件和终止轧制温度下超低碳管线钢中加入0.2-0.6％的Mo就可获得明显的贝氏体型转变产物，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。

铬：提高材料淬透性，可提高钢的强度和硬度，并且使钢具有良好的抗腐蚀性和和抗氧坏性。本发明中控制铬含量为1.2％以下，优选为0.1-1.1％。

硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使管线钢具有高的韧性。本发明中控制S≤0.0030％，P≤0.015％。

铜、镍：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格管线钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降。因此，本发明中选择性添加铜和镍以及添加量控制在Cu≤1.2％，Ni≤1.5％。优选为Cu：0.1-1.2％，Ni：0.1-1.4％。

硼：硼在本发明钢中的作用：①提高钢的淬透性，一般加入量较少(0.0003-0.0050％)。②提高钢的高温强度，强化晶界的作用。本发明中控制B≤0.0030％，优选0.0008-0.0028％。

钙：Ca是用于控制钢种的夹杂物形状，通过Ca的加入可使钢中具有高温塑性的MnS转变为高温不易变形的CaS或钙铝酸盐，使钢坯在高温轧制过程中硫化物夹杂为球状，可显著提高的横向韧性。Ca也不宜过高，以免增加夹杂物的含量。控制在≤0.01％，优选0.0010-0.0050％。

氮：N是钢种不可避免的杂质元素，一般控制在0.01％以下。优选控制小于0.001-0.0080％。

铝：钢的脱氧产物，控制在0.02-0.08％。

根据本发明，通过如下方法制成具有低屈强比、高均匀延伸率的高强度管线钢管：

转炉或电炉冶炼，炉外精炼，连铸；

板坯加热，板坯加热温度：1100-1250℃，可保证合金元素的固溶到奥氏体中，又可避免奥氏体晶粒的过分长大；

控制轧制，其中，非再结晶区轧制的开始温度：750-920℃，优选为780-920℃，终止轧制温度：720-840℃，保证在奥氏体单相区轧制；

两阶段控制冷却，ACC终止冷却温度：200-580℃，冷却速度为5-30℃/s，保证获得铁素体和贝氏体双相组织，及第二相的百分比；

UOE(U成型-O成型-扩径(Expanding))工艺进行直缝埋弧焊制管，压缩率为0.1-0.5％，扩径率0.5-1.5％，保证制管后的性能和焊管的形状。

实施例

表1所示为本发明的实施例的化学成分。

表2和表3所示为本发明的实施例的工艺参数和测试的性能结果。

试验例1：拉伸性能

按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法(ISO 6892)对本发明各个实施例钢进行拉伸试验，其结果如表2和图2所示。

本发明的钢的横向拉伸的屈服强度YS＝485-690MPa，抗拉强度TS＝570-825MPa，屈强比YR≤0.88；纵向拉伸的屈服强度YS＝450-630MPa，抗拉强度TS＝570-775MPa，屈强比YR≤0.83，均匀延伸率uEl≥8％。

试验例2：V型缺口冲击性能

按照GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法(ISO 148)对本发明的各实施例进行V型缺口冲击性能试验，其结果如表2所示。

本发明钢均满足试验温度-20℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥250J的要求。

试验例3：DWTT性能

按照SY/T6476输送钢管落锤撕裂试验方法(API RP 5L3)对本发明各实施例钢进行DWTT性能试验，其结果如表2所示。

本发明钢均满足试验温度-20℃下，平均剪切面积SA％≥85％，单个SA％≥70％的要求。

表2

表3

表3中SA1为试样1的剪切面积值，SA2为试样2的剪切面积值。

图1所示为本发明实施例1钢的金相组织，从图可见本发明钢的组织为多边形铁素体和贝氏体的双相组织。

其他实施例钢也能得到与实施例1类似的金相组织，均为多边形铁素体和贝氏体的双相组织。

图2所示为本发明实施例1钢的纵向拉伸曲线，其中横坐标为应变(strain)，纵坐标为应力(stress)，从图2可见为拱顶型拉伸曲线。

从以上的实施例结果可见，根据本发明的元素成分设计和工艺生产的管线钢管不仅可满足“应力设计”的管体横向性能的要求，还可满足“应变设计”的要求即管体的纵向拉伸曲线具有圆屋顶型特征，同时具有低的屈强比、高的应变强化指数、高的均匀延伸率等特点。

Claims (17)

1.一种高强度管线用钢，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.12％，Mn：1.0-2.5％，Si≤0.6％，S≤0.0030％，P≤0.015％，Nb：0.01-0.09％，Ti：0.0025-0.030％，Alt≤0.08％，Mo≤1.0％，Cu≤1.2％，Ni≤1.5％，Cr≤1.2％，B≤0.0030％，Ca≤0.01％，N：0.001-0.010％，其余为铁及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度管线用钢，其特征在于，C：0.01-0.10％。

3.如权利要求1或2所述的高强度管线用钢，其特征在于，Mn：1.03-2.45％。

4.如权利要求1-3任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Nb：0.015-0.085％。

5.如权利要求1-4任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Ti：0.0025-0.020％或Ti：0.005-0.020％。

6.如权利要求1-5任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Alt：0.02-0.08％。

7.如权利要求1-6任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Mo：0.2-0.9％，优选地，0.2-0.6％。

8.如权利要求1-7任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Cu：0.1-1.2％。

9.如权利要求1-8任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Ni：0.1-1.4％。

10.如权利要求1-9任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，Cr：0.1-1.1％。

11.如权利要求1-10任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，B：0.0008-0.0028％。

12.如权利要求1-11任一所述的高强度管线用钢，其特征在于，所述钢为多边形铁素体和贝氏体双相组织。

13.如权利要求12所述的高强度管线用钢，其特征在于，在所述双相组织中多边形铁素体占50-75％。

14.如权利要求1-13任一所述的高强度管线用钢制成的钢管，其特征在于，横向拉伸的屈服强度YS为485-690MPa，抗拉强度TS为570-825MPa，屈强比YR≤0.88；

纵向拉伸的屈服强度YS为450-630MPa，抗拉强度TS为570-775MPa，屈强比YR≤0.83，均匀延伸率uEl≥8％；

-20℃的V型缺口冲击功平均值≥250J；

DWTT性能：试验温度-20℃试验温度下，平均剪切面积SA％≥85％，单个剪切面积SA％≥70％；

横向冷弯性能：d＝2a，180°弯曲后表面无裂纹。

15.如权利要求14所述的高强度管线钢管的制造方法，包括：

转炉或电炉冶炼，炉外精炼，连铸；

板坯加热，板坯加热温度：1100-1250℃；

控制轧制，其中，非再结晶区轧制的开始温度：750-920℃，终止轧制温度：720-840℃；

两阶段控制冷却，ACC终止冷却温度：200-580℃，冷却速度为5-30℃/s；

UOE工艺制管，压缩率为0.1-0.5％，扩径率0.5-1.5％。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，UOE工艺进行直缝埋弧焊制管。

17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，非再结晶区轧制的开始温度：780-920℃。

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