CN107974621B - 一种经济型直缝埋弧焊管用x80管线钢板及生产方法 - Google Patents

一种经济型直缝埋弧焊管用x80管线钢板及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板，其组分及wt%为：C：0.035~0.055%，Si：0.15~0.30%，Mn：0.98~1.35%，P：≤0.012%，S≤0.0012%，N≤0.006%，Nb：0.055~0.065%，V：0.025~0.045%，Ti：0.01~0.025%，Cr：0.10~0.25%，Alt：0.02~0.05%，Mo：0.08~0.15%；生产方法：将铸坯堆垛缓冷不低于24h；对铸坯加热；粗轧；精轧；冷却；回火处理；再次矫直，并再次上冷床空冷至室温。本发明提高了抗酸管线钢的级别，Rt0.5≥580MPa，Rm≥650MPa，A50.8≥25%，Rt0.5/Rm≤0.93，‑20℃V型缺口KV2≥250J；‑15℃，DWTT：SA≥85%；维氏硬度：HV10≤250；抗酸性能及抗SSCC性能优良，均无裂纹产生。

Description

一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板及生产方法
技术领域
本发明涉及一种管线钢及生产方法，具体属于一种X80管线钢板及生产方法。
背景技术
当前世界范围内的能源供给仍然以石油、天然气为主，然而随着油气资源中的H2S气体含量及输送压力的增加，管道运行面临着氢致腐蚀开裂的风险，因此针对酸性油气资源必须采用抗H2S腐蚀的管线钢。目前国内外抗酸管线钢实际工程应用最高强度为X65MS，且壁厚较薄，不能满足大输气量，高压输送的工程要求。相关研究表明，管线钢每提高一个级别，可使管道造价成本降低5~15%。为提高输送效率，降低管道建设成本，同时增加管道的运行安全系数，急需开发高强度、大壁厚X80级抗酸管线钢。
经检索：中国专利公开号为CN1715435A的文献，其公开了一种具有抗HIC性能X80管线钢及其热轧卷板制造方法，其主要成分为C：0.025~0.055%，Si：0.19~0.30%，Mn：1.70~1.95%，Ti：0.01~0.02%，Als：0.015~0.040%，V：0.045~0.065%，Ni：0.25~0.35%，Cr≤0.02%，B≤0.0002%，P≤0.015%，S≤0.002%，Ca：0.0020~0.0045%，Mo：0.20~0.40%，Cu：0.20~0.40%，Nb:0.02~0.10%，N≤0.006%，O：≤0.004%，H≤0.00025%，其余为Fe及不可避免的杂质。工艺：采用两阶段控制轧制生产热轧卷板，性能的不足：其抗酸仅满足TM0284-96，B溶液腐蚀环境，无法满足高腐蚀、高压输送的要求。成分的缺点：且从该文献的成分体系中可以看出Ni、Mo、Cu含量均在0.20%以上，成本较高。中国专利公开号为CN 103469098 A的文献，其公开了一种具有良好抗HIC性能的X80管线钢，其化学成分为C：0.03% ～ 0.06%，Si：0.10% ～0.30%，Mn：1.10% ～ 1.40%，P：0 ～0.015%，S：0 ～ 0.004%，Nb：0.07% ～ 0.09%，Ti：0.005% ～ 0.020%，Cr：0.10% ～ 0.30%，Mo：0.10% ～ 0.30%，Ni：0.05% ～ 0.30%，Cu：0.05% ～0.30%，Als：0.015% ～ 0.050%其余为Fe及不可避免的杂质。该专利同样指出适用于生产热轧卷板，其实施例中指明该发明仅适用于14mm以下成品，壁厚达不到高压输送的条件，同时，其成分中Nb含量高达0.07~0.09%，Nb/C比过高对钢管的焊接性能不利；Mo含量要求在0.1%~0.3%，成本不经济，且其实施例中并未说明该工艺下钢板的抗SSCC性能如何。
中国专利公开号为CN 104818427 A的文献，其公开了一种直缝焊管用耐硫化氢腐蚀的X70管线钢，其组份为：C ：0.030~0.060% ；Si：0.15~0.30% ；Mn：0.55~0.95%；P ≤0.010% ；S ≤0.0010% ；Cr ：0.10~0.30% ；Mo ：0.05~0.15%；Nb：0.015~ 0.065%；V：0.02 ~0.05% ；Ti：0.01~0.02%；N≤0.004%其余为Fe及不可避免的杂质。该专利虽然合金成本较低，但其强度级别较低仅为X70，不能满足高压输送的要求。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种不仅能保证抗酸性能好，屈服强度（横向）：Rt0.5≥580MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，延伸率：A50.8≥25%的使用性能的条件下，且能保证输送压力的增加而不致管壁开裂，组织均匀性优良，屈强比：Rt0.5/Rm≤0.93，-20℃V型缺口冲击功(冲击试样尺寸：10×10×55mm)：KV2≥250J，-15℃落锤撕裂韧性DWTT：SA≥85%，维氏硬度HV10≤250，生产成本相对于现有技术可降低不低于5%的直缝埋弧焊管用X80管线钢板及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板，其组分及重量百分比含量为：C：0.035~0.055%，Si：0.15~0.30%，Mn：0.98~1.35%，P：≤0.012%，S≤0.0012%，N≤0.006%，Nb：0.055~0.065%，V：0.025~0.045%，Ti：0.01~0.025%，Cr：0.10~0.25%，Alt：0.02~0.05%，Mo：0.08~0.15%，其余为Fe及不可避免的杂质；金相组织为：贝氏体+针状铁素体。
优选地：Ti的重量百分比含量在0.016~0.022%。
优选地：Mn的重量百分比含量在1.02~1.25%。
一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板的生产方法，其步骤：
1）经转炉、真空处理后连铸成坯；将铸坯堆垛缓冷不低于24h；
2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1140~1180℃，并再此保温下60~80min；
3）进行粗轧，控制开轧温度不低于1100℃，结束温度控制在1000~1050℃之间，粗轧阶段总压下率不低于70%；
4）进行精轧，控制开轧温度在930~980℃，终轧温度在810~850℃，总压下率不低于75%；
5）进行冷却，开冷温度控制在780~820℃，冷却速度控制在20~30℃/s，返红温度控制在300~400℃；
6）进行回火处理，回火温度再400~500℃，保温时间为30~40min；
7）进行再次矫直，并再次上冷床空冷至室温。
优选地：步骤5）中开冷温度在780~810℃，冷却速度在23~28℃/s，返红温度在315~390℃。
优选地：步骤7）中回火温度在413~487℃。
本发明中各元素主要作用及机理如下：
C：本发明中C含量为0.035-0.055%。碳是钢中最经济、最有效的强化元素。但碳在冶炼过程中容易产生中心偏聚，致使钢板心部产生硬相条带或M/A岛等氢原子聚集缺陷，导致抗HIC性能大幅下降，且碳含量与钢板落锤性能成显著的反比关系，碳含量高则落锤性能差。本发明设计碳含量为0.035-0.055%，若碳含量低于0.035%一方面转炉脱碳困难，增大冶炼难度；另一方面强度损失较大，钢板强度达不到要求。若高于0.055%则钢板的HIC腐蚀开裂风险成倍增加，厚规格钢板的落锤韧性恶化。
Si：本发明中Si含量为0.15~0.30%。该元素有固溶强化及脱氧作用，含量低于0.15%无法起作用，但若高于0.30%则会恶化管线钢的塑、韧性，特别是对于焊接热影响区的冲击降低显著。
Mn：本发明中Mn含量为1.05~1.35%，优选地Mn的重量百分比含量在1.07~1.32%。
锰是仅次于碳的廉价的合金化元素，不仅可以显著提高钢的强度，而且其能扩大奥氏体稳定区，扩大热加工温度区域。同时Mn作为易偏析元素，易在冷速较慢的钢板心部形成富集的MA条带，恶化抗酸性能。本发明设计中Mn含量为1.35~1.55%。若含量低于1.05%虽有利于抗酸性能但强度损失很大，需添加Cr、Ni等合金弥补，不经济。若含量高于1.35%则会形成MA条带，恶化抗酸性能。
Nb：本发明中Nb含量为0.045-0.065%，铌是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，是细化原奥氏体晶粒最有效元素，同时也是析出强化的主要元素。由于本发明主要针对厚规格钢板，故采用较高的Nb成分设计。若Nb含量低于0.045%，则钢板强度贡献不足，组织晶粒细化不够，若高于0.065%则造成成本高昂，浪费资源。
Ti：本发明中Ti的含量为0.01~0.025%，优选地Ti的重量百分比含量在0.021~0.025%。钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热及高温奥氏体区、粗轧过程中会阻止奥氏体晶粒长大，在焊接过程中细化热影响区晶粒，提高冲击韧性。若其含量低于0.01%，则对原奥氏体晶粒细化作用不足，若高于0.025%则可能形成大颗粒TiN，富集于钢板心部，显著降低钢板韧性及抗酸性能。
N：本发明中N≤0.006%。属于转炉钢中正常残余，可以与钢中钛（Ti）、铌(Nb)结合形成TiN颗粒及Nb（C、N）复合析出物，起到抑制奥氏体晶粒长大和析出强化作用。过量的N与Ti形成大颗粒TiN，恶化韧性，损害钢板抗酸性能。
Cr：本发明中Cr的含量为0.15~0.30%。铬较强的固溶强化作用，且价格低廉，能够有效替代Mo、Ni 等贵重合金元素，降低生产成本。此外，加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐腐蚀性能及淬透性。若含量低于0.15%，则无法起到强化作用；若高于0.30%，则会恶化焊接性能。
Mo：本发明中Mo的含量为0.08~0.15%。Mo是强促进中温组织转变元素，有效产生相变强化。同时，对于厚板来说Mo具有提高淬透性，均匀壁厚组织均匀性作用。本发明中设计的Mo含量为0.08~0.15%。若低于0.08%则无法起作用，若高于0.15%一方面合金成本昂贵，另一方面过量的Mo会促进MA的生成，恶化钢板冲击韧性。
V： 本发明中V的含量为0.025~0.045%， V是重要的微合金元素。V 在钢中可补充Nb 析出强化的不足，V在快冷过程中几乎不析出，在随后的回火工艺下发生补充析出，达到提高强度及抗酸性能的作用。
Ni：本发明中Ni的含量为0.1~0.2%。Ni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Ni与Mo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。
Alt：本发明中Als的含量为0.02~0.05%。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一定量时，易导致铝的氧化物夹杂明显增加，降低钢的洁净度，对抗酸性能不利。
P、S: 本发明中其含量分别为：[P]≤0.012%，[S]≤0.0012%。磷易导致钢的冷脆，硫易引起热脆，过量的S还会与钢中的Mn结合形成条状MnS夹杂，成为HIC裂纹起源点，因此应尽量降低钢中的磷、硫的含量，同时采用Ca处理。
本发明各制造工艺对本发明的作用及机理如下：
1）本发明中之所以要求炼钢连铸工序中采用电磁搅拌和动态轻压下技术，主要是因为该发明针对抗酸管线钢必须全流程减轻铸坯的中心偏析程度。
2）本发明之所以要求加热温度控制在1140-1180℃是因为如果加热温度超过1180℃原奥氏体晶粒急剧长大严重恶化钢板韧性，但若温度低于1140℃，则轧制时变形抗力较大，轧机负荷过大，无法完成轧制过程。因此严格限定铸坯加热温度区间。为保证钢板板坯温度均匀性要求保温时间控制在60-80min。
3）本发明之所以要求精轧开轧温度930~980℃，主要是因为温度高于980℃，无法保证精轧在未再结晶区轧制，容易造成混晶，低于930℃则无法保证精轧结束温度。为控制进入冷却***前钢板处于仍形变奥氏体状态，必须保证精轧结束温度控制在810~850℃。为了保证奥氏体扁平化，大幅度改善钢板低温韧性，精轧压下率需控制在70%以上。
4）本发明之所以要求冷却速度控制在20~30℃，返红温度控制在300~400℃。主要是为了保证在较低合金成分体系下，通过快速冷却及低温返红生成目标中温转变组织。避免水冷前形成先共析铁素体，造成强度损失。之所以开冷温度控制在780~820℃，为了避免水冷前形成先共析铁素体，形成带状组织，恶化抗酸性能及造成强度损失。
5）本发明之所要求回火温度控制在400~500℃，保温30~40min。主要是回火热处理不仅促进Nb、V（C、N）的补充析出，达到强化效果，同时，由于回火过程中细小析出物的数量增加，导致了钢板中氢陷阱，增强了钢板的抗酸性能。另一方面在该温度区间回火大部分MA分解成细小的碳化物降低了钢板的氢致裂纹敏感率，进一步提高了钢板的抗酸性能。
本发明与现有技术相比，提高了抗酸管线钢的级别，且其力学性能：屈服强度（横向）：Rt0.5≥580MPa，抗拉强度：Rm≥650MPa，延伸率：A50.8≥25%，屈强比：Rt0.5/Rm≤0.93，-20℃V型缺口冲击功(冲击试样尺寸：10×10×55mm)：KV2≥250J；-15℃，落锤撕裂韧性DWTT：SA≥85%；维氏硬度：HV10≤250。2）抗酸性能：TM0284-2003 A溶液，初始PH=2.7，浸泡96h，CSR≤2%，CLR≤15%，CTR≤5%。抗SSCC性能：TM0284-2003 A溶液，初始PH=2.7，浸泡30天，四点弯曲加载应力为（0.72/0.80/0.90）Rt0.5，均无裂纹产生。完全满足油气资源中的H2S气体含量及输送压力的增加的要求而又不会产生开裂的问题，使用安全可靠，生产成本相对于现有技术可降低不低于5%。
附图说明
图1为本发明钢板1/2处的截面形貌图；
图2为本发明钢板1/4处的截面形貌图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例的横向主要性能检测统计表；
表4 本发明各实施例及对比例抗HIC性能监测列表；
表5本发明各实施例及对比例抗SSCC性能检测列表。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1）经转炉、真空处理后连铸成坯；将铸坯堆垛缓冷不低于24h；
2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1140~1180℃，并再此保温下60~80min；
3）进行粗轧，控制开轧温度不低于1100℃，结束温度控制在1000~1050℃之间，粗轧阶段总压下率不低于70%；
4）进行精轧，控制开轧温度在930~980℃，终轧温度在810~850℃，总压下率不低于75%；
5）进行冷却，开冷温度控制在780~820℃，冷却速度控制在20~30℃/s，返红温度控制在300~400℃；
6）进行回火处理，回火温度再400~500℃，保温时间为30~40min；
7）进行再次矫直，并再次上冷床空冷至室温。
表1 本发明本发明各实施例及对比例的化学成分列表（wt.%）
表2 本发明各实施例和对比例的主要工艺参数取值列表
说明：表1与表2中的数据并非一一对应关系。
表3 本发明各实施例及对比例横向主要性能检测统计表
表4 本发明各实施例及对比例抗HIC性能检测列表
表5本发明各实施例及对比例抗SSCC性能检测列表
从表3~表5可以看出，本发明通过成分和工艺的组合控制，可以实现经济型的X80级高强抗酸管线钢的高强度、高韧性、优异的抗HIC性能和SSCC性能匹配。相较于对比例来说，该发明不仅合金元素成本明显更低，而且强度更高，抗酸性能更好，满足未来高压输送的发展方向，具有可观的市场前景） 本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (3)

1.一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板的生产方法，其步骤：
1）经转炉、真空处理后连铸成坯；将铸坯堆垛缓冷不低于24h；
2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1140~1180℃，并再此保温下60~80min；
3）进行粗轧，控制开轧温度不低于1100℃，结束温度控制在1000~1050℃之间，粗轧阶段总压下率不低于70%；
4）进行精轧，控制开轧温度在930~980℃，终轧温度在810~850℃，总压下率不低于75%；
5）进行冷却，开冷温度控制在780~820℃，冷却速度控制在20~30℃/s，返红温度控制在300~400℃；
6）进行回火处理，回火温度再400~500℃，保温时间为30~40min；
7）进行再次矫直，并再次上冷床空冷至室温；
所述经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板，其组分及重量百分比含量为：C：0.035~0.055%，Si：0.15~0.30%，Mn：0.98~1.35%，P：≤0.012%，S≤0.0012%，N≤0.006%，Nb：0.055~0.065%，V：0.025~0.045%，Ti：0.01~0.025%，Cr：0.10~0.25%，Alt：0.02~0.05%，Mo：0.08~0.15%，其余为Fe及不可避免的杂质；金相组织为：贝氏体+针状铁素体。
2.如权利要求1所述的一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板的生产方法，其特征在于：步骤5）中开冷温度在780~810℃，冷却速度在23~28℃/s，返红温度在315~390℃。
3.如权利要求1所述的一种经济型直缝埋弧焊管用X80管线钢板的生产方法，其特征在于：步骤6）中回火温度在413~487℃。
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