CN108085593A - 适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢及制造方法，属于高强度低合金钢技术领域。可用于制造对低温韧性有极高要求的低温场站弯管和管件用钢生产领域。该弯管和管件用钢的化学成分质量百分比为：C:0.02～0.05wt％、Si:≤0.50wt％、Mn：0.2～1.3wt％、Nb：0.02～0.06wt％、Mo:0～0.50wt％,Ni:0.5～2.5wt％,Cr:0～2.0wt％,Cu:1.0～2.0wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％，其余为Fe及不可避免杂质。制备方法包括：冶炼、连铸、加热、控轧控冷、淬火和时效处理。优点在于，适用于低温场站用弯管和管件用钢板在具有较不同强度等级X65～X80的同时，兼具优异的低温韧性CVN(‑80℃)≥180J，可适用于纬度较寒冷地区场站和悬跨管段的弯管和管件。

Description

适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢及制造方法
技术领域
本发明属于高强度低合金钢技术领域，具体涉及一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢及制造方法。
背景技术
随着世界油气资源枯竭，新的资源开采逐渐向极地、海洋、沙漠等地质条件恶劣的地区延伸。高寒地区气候寒冷，环境恶劣，甚至常年冻土或冰雪覆盖，途径该地区的管道必须具备良好的低温性能。同时，为提高油气输送效率，现代管道建设向着高钢级、厚规格方向发展。目前，国际上以俄罗斯巴甫年科沃-乌恰天然气管道为代表的高钢级(K65)低温管道(最低操作温度-20℃，最低施工温度-60℃)，已实现单管输气量500亿m3/a。我国近几年出于能源战略考虑，正在加快推进西北、东北等进口油气战略通道建设，正在建设中的中俄东线管道(最低环境温度-45℃)是国内首条大口径(1422mm)低温环境服役管道。为确保低温管道运行安全，材料断裂韧性控制是关键。低温弯管和管件用钢除了具有一般管线钢所具有的高强高韧性能要求外，由于生产制造过程及使用用途的特殊性，还必须具有一定的淬透性和优异的低温韧性，对板材的成分设计和生产制造工艺提出了很高的要求。这对于采用传统成分、工艺和组织体系的钢管来说无疑是巨大的挑战。
为确保低温弯管和管件具有较高的低温韧性、良好的淬透性和优异的焊接性能，本发明的钢板碳含量一般都控制在0.05％以下。与此同时，成分中添加了1％以上的Cu，可以通过在热处理时效过程中析出大量的ε-Cu来弥补因降碳所带来的强度损失。所以，该类型的钢板在具有高屈服强度同时，还具有优异的低温韧性和良好的焊接性能。特别适应于纬度较高寒冷地区场站和悬跨管段的弯管和管件用钢，以满足其严格的低温韧性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢及制造方法，本发明的钢板在具有较不同强度等级(X65～X80)的同时，能够大幅提高其低温韧性。通过调整钢板成分范围，可涵盖X65、X70和X80钢级，抗拉强度：535～825MPa，屈服强度：450～705MPa；-80℃的低温冲击韧性大于180J。可用于制造对低温韧性有极高要求的寒冷地区场站弯管和管件用钢生产领域。
本发明适用于寒冷地区高韧弯管和管件用钢板在具有较不同强度等级(X65～X80)的同时，兼具优异的低温韧性(CVN(-80℃)≥180J)，可适用于纬度较高寒冷地区场站和悬跨管段的弯管和管件用钢。
本发明的弯管和管件用钢的化学成分质量百分比为：C:0.02～0.05wt％、Si:≤0.50wt％、Mn：0.2～1.3wt％、Nb：0.02～0.06wt％、Mo:0～0.50wt％,Ni:0.5～2.5wt％,Cr:0～2.0wt％,Cu:1.0～2.0wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％，其余为Fe及不可避免杂质。。
本发明的一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢的制造方法包括：冶炼、连铸、加热、控轧控冷、淬火、时效处理。工艺中控制的技术参数为：
热轧过程主要特征包括：铸坯加热温度为1100～1220℃，根据坯料厚度，其加热时间为2～6小时；
轧制阶段采用两阶段控轧，第一阶段(粗轧)为再结晶轧制，第二阶段(精轧)为未再结晶区轧制。粗轧终轧温度在950℃～1050℃，粗轧末机架变形量≥20％，终轧温度控制在800～900℃，轧后控制冷却采用加速冷却，冷却速度≥5℃/s，终冷温度：400～550℃，最后空冷至室温。
热处理过程：首先淬火，将钢板加热到为850～950℃，完全奥氏体化，保温时间0.5～2小时，淬火到室温；然后回火，加热温度为600～660℃，保温1～2小时，钢板出炉后空冷。
本发明的适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢的显微组织特征为回火索氏体基体上弥散分布着细小的ε-Cu析出物。
本发明公开的一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢的成分构成中，各主要化学成分的作用，具体为：
C：C在钢中主要以固溶的方式存在，以提高奥氏体的淬透性，得到贝氏体铁素体组织，但C含量不宜过多，易在钢中形成富C的MA组元，恶化材料韧性。同时，高的C含量还会影响其焊接性能。因此，本发明钢板的C含量控制在0.05％以下。
Mn：Mn既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，起到固溶强化作用，还能形成硫化物。Mn元素在奥氏体中聚集，可提高奥氏体稳定性。本发明中Mn含量范围：0.2～1.3wt％。
Nb：在轧制过程中，固溶的Nb能显著提高奥氏体再结晶温度，增加未再结晶区变形量，析出的碳氮化铌颗粒能增加再结晶奥氏体晶粒形核点，并阻止再结晶奥氏体晶粒长大，得到细化的再结晶奥氏体晶粒，从而细化室温组织。在回火时效过程中，析出的碳氮化铌第二相能起到析出强化作用，提高材料强度。本发明的适用于高寒地区的高韧X80管线钢板中Nb的加入量在0.02～0.06wt％范围。
Cu：在本发明中Cu是最主要的合金元素。Cu的作用主要是在热处理时效过程中析出弥散细小的ε-Cu第二相，来弥补成分中因降C所导致的强度损失。本发明中Cu的含量范围：1.0～2.0wt％
Ni、Mo、Cr：这几种合金元素的添加主要是提高材料的淬透性。其中Ni以固溶形式存在于基体，而Mo和Cr部分固溶，部分以析出物的形式存在。尤其是Ni作为奥氏体形成元素，可增强连续冷却过程中奥氏体的稳定性。R A Ricks等人通过对Ni含量对Fe-Cu合金奥氏体分解规律的研究发现，提高Ni含量可明显降低合金的Ac1和Ac3温度。更重要的是，钢中的Ni还能大幅度提高材料的韧性。另外，在含Cu量较高的钢中，为改善铸坯表面质量，通常要加入Ni，并且Ni含量至少为Cu含量的1/2，Cu和Ni同时添加还可以提高材料的耐腐蚀性能。所以，在本发明的一种适用于高寒地区的高韧X80管线钢板中，Ni含量:0.5～2.5wt％。
P：P在钢中可以抑制渗碳体的析出，对铁素体有显著的固溶强化作用。但是，P含量过高，会影响钢的使用性能，如在低温下钢会产生冷脆效应。尤其是本发明的钢板主要在高寒地区使用，所以P含量应该严格控制。尽量能够控制在0.01％以下。
S：S在钢中与Mn结合形成MnS，降低Mn的有效含量，同时降低钢的抗HIC能力，因此，S在钢中的含量控制得越低越好。
本发明可以根据具体钢级的强韧性要求，适当调整化学成分和工艺参数范围，获得理想的强韧性能配比，满足不同的强度等级要求。
本发明的一种适用于低温环境油气输送用弯管用钢，具有一定淬透性满足其较高的强度要求的同时，能够大幅提高其低温韧性。抗拉强度：535～825MPa，屈服强度：450～705MPa；-80℃的低温冲击韧性大于180J。
本发明的优点在于，钢板的C含量很低(0.02～0.05wt％)，保证了钢板具有优异的低温韧性和焊接性能。同时加入了一定量的Cu和Cr,满足弯管制造过程中的淬透性要求。同时，利用时效过程中Cu的析出强化，弥补因降C而造成的强度损失。钢板在具有较不同强度等级(X65～X80)的同时的同时，兼具优异的低温韧性和焊接性能，可广泛应用于高寒地区对低温韧性要求极其严格的站场和悬跨管段。可用于制造对低温韧性有极高要求的寒冷地区场站弯管和管件用钢生产领域。
具体实施方式
下面列举具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以下具体实施步骤只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制，其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。
下面是本发明的具体实施例：
实施例1
一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢板，其组成原料按照质量百分数计为：C：0.03wt％、Si：0.2wt％、Mn：0.4wt％、Cu:1.0wt％、Cr:0.8wt％、Ni:0.8wt％、Nb：0.03wt％、Mo：0.3wt％、P：0.0095wt％、S：0.0020wt％,余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。
将铸坯加热到1200℃，保温2.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1120℃，粗轧最后道次温度为1000℃，粗轧最后道次变形量20％；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为860℃，轧后板厚为33mm。轧后以12℃/s冷速加速冷却到500℃，然后空冷到室温。
在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中分别加热到880℃、900℃、920℃，保温120min后水冷至室温，在620℃加热保温120min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。
经检测，钢板显微组织特点为回火索氏体基体上弥散分布着大量的细小的ε-Cu析出第二相。钢板各项力学性能如表1所示。
表1实施例1低温X65级弯管用钢板力学性能
实施例2
一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢板，其组成原料按照质量百分数计为：C：0.03wt％、Si：0.3wt％、Mn：0.6wt％、Cu:1.3wt％、Cr:1.0wt％、Ni:1.2wt％、Nb：0.04wt％、Mo：0.4wt％、P：0.0085wt％、S：0.0020wt％,余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。
将铸坯加热到1200℃，保温3.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1120℃，粗轧最后道次温度为980℃，粗轧最后道次变形量25％；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为850℃，轧后板厚为33mm。轧后以15℃/s冷速加速冷却到500℃，然后空冷到室温。
在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中加热到900℃，保温120min后水冷至室温，然后再分别加热到600℃、620℃和650℃，均保温120min后出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。
经检测，钢板显微组织仍为回火索氏体组织，同时基体上弥散分布着大量细小的ε-Cu析出第二相。
热处理后钢板各项力学性能如表2所示。
表2实施例2低温X70级弯管用钢板力学性能
实施例3
一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢板，其组成原料按照质量百分数计为：C：0.04wt％、Si：0.3wt％、Mn：1.0wt％、Cu:1.2wt％、Cr:1.5wt％、Ni:1.8wt％、Nb：0.06wt％、Mo：0.4wt％、P：0.0087wt％、S：0.0020wt％,余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。
将铸坯加热到1200℃，保温3.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1100℃，粗轧最后道次温度为980℃，粗轧最后道次变形量25％；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为830℃，轧后板厚为30mm、33mm和52mm。轧后以15℃/s冷速加速冷却到500℃，然后空冷到室温。
在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中加热到900℃，保温120min后水冷至室温，然后再加热到620℃，保温120min后出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。
经检测，钢板显微组织仍为回火索氏体组织，同时基体上弥散分布着大量细小的ε-Cu析出第二相。
热处理后钢板各项力学性能如表3所示。
表3实施例3低温X80级弯管用钢板力学性能
实施例4
一种适用于高寒地区的高韧X80弯管和管件用钢板，其组成原料按照质量百分数计为：C：0.04wt％、Si：0.3wt％、Mn：0.7wt％、Cu:1.0wt％、Cr:1.0wt％、Ni:1.5wt％、Nb：0.04wt％、Mo：0.3wt％、P：0.0067wt％、S：0.0020wt％,余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。
轧制过程：将铸坯加热到1180℃，保温3.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1100℃，粗轧最后道次温度为980℃，粗轧最后道次变形量25％；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为830℃，轧后板厚为26.4mm。轧后以15℃/s冷速加速冷却到500℃，然后空冷到室温。
热处理过程：将实验料放入加热炉中加热到900℃，保温120min后水冷至室温，然后将实验料再加热620℃加热保温120min，出炉空冷。将热处理后的钢板和常规热轧态钢板依据国标分别进行力学性能检验。
经检测，热处理钢板和常规热轧态钢板在性能上表现出较大差异。力学性能对比见表4所示。
表4该发明钢板与常规热轧钢板的力学性能对比

Claims (2)

1.一种适用于低温环境油气输送用弯管和管件用钢，其特征在于，该弯管用钢的化学成分质量百分比为：C:0.02～0.05wt％、Si:≤0.50wt％、Mn：0.2～1.3wt％、Nb：0.02～0.06wt％、Mo:0～0.50wt％,Ni:0.5～2.5wt％,Cr:0～2.0wt％,Cu:1.0～2.0wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种权利要求1所述弯管和管件用钢的制备方法，包括冶炼、连铸、加热、控轧控冷、淬火和时效处理，其特征在于：工艺中控制的技术参数为：
铸坯的加热温度为1160～1220℃，根据坯料厚度，其加热时间为2～6小时；
轧制阶段采用两阶段控轧，第一阶段粗轧为再结晶轧制，第二阶段精轧为未再结晶区轧制；
粗轧终轧温度在950℃～1050℃，粗轧末机架变形量≥20％，终轧温度控制在800～900℃，轧后控制冷却采用加速冷却，冷却速度≥5℃/s，终冷温度：400～550℃，最后空冷至室温；
热处理过程：首先淬火，将钢板加热到为850～950℃，完全奥氏体化，保温时间0.5～2小时，淬火到室温；然后回火，加热温度为600～660℃，保温1～2小时，钢板出炉后空冷。
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