CN110938784A - 40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管及其制造方法 - Google Patents

40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管的制造方法，通过电炉、精炼炉、真空炉VD、Ti处理，四流连铸成Φ450mm、Φ500mm断面钢坯；再经冷定心、环形加热炉加热、热穿孔、连轧机组连轧、定径、冷矫直制成钢管；最后在步进式高、低温炉内分别进行浸入旋转式内喷外淋水淬火和回火、热矫直、空冷完成无缝管线管的制造。本发明有益效果是：利用高精度轧制提供高尺寸精度的管材，浸入旋转式内喷外淋热处理技术得到性能均匀稳定的40mm到60mm厚壁、406.4mm到508mm大口径、高强度、低屈强比、高延展性、高伸长率的优异低温冲击性能管线管，满足集输、长输、特殊用途管道的输送要求。

Description

40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管及其制造方法
技术领域
本发明涉及油气输送、无缝管制造领域，特别涉及是一种40mm及以上厚壁大口径高钢级管线管及其制造方法。
背景技术
随着石油天然气的需求与日俱增，极冷、深海等恶劣环境的油气田开发，高压、大口径、厚壁发展已经成为油气开发设计的趋势。为了满足开采的要求，从安全可靠运行角度，大壁厚大口径高强度是设计首选。无缝管在厚壁、耐腐性性能等方面优于焊接钢管。提高强度或者提高壁厚都存在成分设计、性能设计以及焊接等问题，对管材性能要求十分苛刻。通常厚壁管为25.4～36mm，而随着更高抗挤毁强度的设计需求，40mm及以上厚壁大口径管线管得需求与日俱增。同时对轧制工艺、热处理工艺也提出新的要求，按406PQF、508PQF轧机的设计能力，针对与406.4mm外径最大壁厚可以生产60mm，457.2mm外径可以生产50mm，508mm外径可以生产50mm等。460PQF和508PQF不同机组生产最大外径不同，即使生产相同规格采用的铸坯规格、孔型设计等是不同的，460PQF机组生产出的规格相比508PQF机组轧制比低，会存在夹层、性能低等问题，对于大口径大厚壁的管线管优先选择可以实现轧制比大于3的机组，优先选择508PQF机组。
中国专利公开号CN101287853A公开了“管线用无缝钢管及其制造方法”，主要针对于厚壁管，通过大量添加Mo元素0.4～1.2％来实现高强度、韧性和耐腐蚀性能，针对管线管考虑材料的焊接性能，行业标准最大值也不能超过0.5％，所以不属于同一管线管领域；中国专利公开号CN101417296A公开了“直径为Φ219.0～460mm的大口径高钢级耐腐蚀无缝管的制造方法”，仅设计219.1-460mm范围内，460PQF轧制机组范围；中国专利公开号CN2008101512321公开了“高强高韧X70厚壁无缝管线钢及制造方法”，是主要针对于壁厚≤36mm及以下460PQF轧机范围的无缝管线管，壁厚范围有限和有着不同的轧制机组。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种40mm及以上厚壁大口径高钢级管线管；第二个目的是提供一种制造40mm及以上厚壁大口径高钢级管线管的方法。有利于解决壁厚大于40mm及以上管线管的冶炼、轧制和热处理等生产难题，提供安全可靠的厚壁管道，解决油气输送过程中的安全设计问题。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管，成分重量％为：C 0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn 1.25～1.80％，Al0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N 0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述厚壁大口径≥406.4mm。
本发明采用的另一个技术方案是：一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管制造方法，包括步骤如下：
(1)电炉冶炼：将重量％为：C 0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn1.25～1.80％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N 0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质无缝钢管成分通过100T电炉EAF、精炼LF炉、真空炉VD、Ti处理，四流连铸成Φ450mm、Φ500mm断面钢坯；
(2)PQF轧机轧制：将步骤(1)的钢坯进行冷定心、环形加热炉加热、热穿孔、Φ508PQF连轧机组连轧、定径、冷矫直制成钢管；
(3)调质处理：将步骤(2)的钢管在步进式高、低温炉内分别进行浸入旋转式内喷外淋水淬火和回火、热矫直、空冷完成无缝管线管的制造；
所述的40mm～60mm厚壁厚壁大口径高钢级管线管制造方法获得满足X65Q及以上钢级的管线管，屈服强度≥455MPa、抗拉强度≥535MPa，冲击性能0℃≥250J，硬度≤250HV10。
所述步进式高温炉内加热温度为900～980℃，保温时间为15～45min，高压水除鳞，进行淬火水冷然后在步进式低温炉炉中加热为600～710℃保温20～60min，进行回火空冷。
所述热矫直采用500～630℃高温，外径公差≤±0.5％D，壁厚公差-3.0mm～3.7mm，不圆度≤1.5％D，直度整体小于0.15％L。
本发明的有益效果是：1)低碳高锰高碳当量，添加Cr、Mo、Ni合金，冶炼工艺采用微Ti处理、纯钙丝夹杂物球化处理，进行喷粉工艺，降低杂质S的含量。2)Φ508PQF轧机组结合高端热轧控制技术得到不同尺寸的优质管体，外径尺寸精度±0.5％OD，壁厚精度-3.0mm～3.7mm。3)浸入旋转式内喷外淋水淬火和回火空冷调质工艺保证管体性能，选择合理热矫直温度≥450℃，最大限度地降低了钢管的残余应力。4)生产40mm及以上厚壁、406.4mm及以上大口径、高强度、低屈强比、高延展性、高伸长率，优异的低温冲击性能的管线管，满足集输、长输、特殊用途管道的输送要求。
附图说明
图1为本发明的X70Q钢级管线管的金相组织示意图；
图2为本发明的X70Q钢级管线管的低温系列韧性曲线。
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的提供一种40mm及以上厚壁大口径高钢级管线管及其制造方法加以说明。
本发明的一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管成分重量％为：C0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn 1.25～1.80％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，如图1所示的X70Q钢级管线管的金相组织示意图。
对配制钢种成分的化学成分说明：
C：是强化元素，综合考虑碳含量对钢的强度和韧性的影响和成本，以及抗腐蚀性能，把C含量控制在0.06～0.16％之间。如表1中的实施例中的C含量。
Si：Si是脱氧所必要的元素，提高钢的强度，所以将其含量限止在0.10～0.45％范围内。如表1中的实施例中的Si含量。
Mn：Mn是必须的强化元素，保证管体的性能，属于低碳高锰设计，所以将其含量限止在1.25～1.80％范围内。如表1中的实施例中的Mn含量。
Al：Al是必须添加细化晶粒的元素，考虑Al/N比、夹杂物含量、韧性和加工性能，因此将其含量限止在Al 0.020～0.060％范围内。
Nb：Nb是加入的微合金化元素，对强度、晶粒度细化的作用十分明显。控制Nb0.020～0.050％之间。如表1中的实施例中的Nb含量。
V：V具有较高的析出强化作用和晶粒细化作用，在Nb、V微合金元素复合使用时，V是同通过铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度。控制V0.03～0.09％之间。如表1中的实施例中的V含量。
Ni、Cr、Mo：Ni、Cr、Mo元素可以提高材料的淬透性，从而保证大口径厚壁管体的性能，根据管体的不同壁厚，适当添加提高淬透性合金Ni0.05～0.50％，Mo 0.15～0.50％，Cr0.20～0.50％。如表1中的实施例中的Cr、Mo、Ni元素的含量。
Cu：为钢种中残余元素，对冲击韧性和抗腐蚀性能有利，但考虑成本和碳当量的贡献，将其含量控制在低的范围内，最大不允许超过0.25％。
N、O、H元素为钢中气体元素，考虑焊接性能和力学性能，控制其含量在低的范围内，最大不允许超过N≤0.0100％、O≤0.0030％、H≤0.0002％。
P、S：P和S是有害杂质元素，尽量降低其含量。但又不能不考虑炼钢的成本，最好规定P≤0.020％、S≤0.008％。
钢管成分特点是低碳高锰Nb+V系微合金化，根据管体的不同壁厚，适当添加提高淬透性合金Ni 0.05～0.50％，Mo 0.15～0.50％，Cr0.20～0.50％。微量元素Nb、V合金化，Cr、Mo、Ni元素合金化及限制杂质元素P、S的含量、气体元素含量，通过大量试验选择合理的成分配比，赋予大厚壁钢管以良好的综耐力学性能。
本发明的40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管的制造方法通过以下步骤实现：
(1)成分设计及电炉冶炼：将重量％为：C 0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn1.25～1.80％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N 0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质无缝钢管成分通过采用短流程工艺路线100T电炉EAF、精炼LF炉、真空炉VD、纯Ca丝、Ti丝处理，四流连铸成Φ450mm、Φ500mm断面钢坯；
(2)PQF轧机轧制：将步骤(1)的钢坯进行冷定心、环形加热炉加热、热穿孔、Φ508PQF连轧机组连轧、定径、冷矫直制成钢管。508PQF轧机为最大口径PQF轧机类型。PQF限动芯棒三辊连轧管机避免“竹节”现象，除管端部，整根毛管壁厚不均不超过±8％。
(3)调质处理：将步骤(2)的钢管在步进式高、低温炉内分别进行浸入旋转式内喷外淋水淬火和回火、热矫直、空冷完成无缝管线管的制造。步进式高温炉内加热到900～980℃保温15～45min，高压水除鳞，进行淬火水冷然后在步进式低温炉炉中加热到600～710℃保温20～60min，进行回火空冷；采用500～630℃高温热矫直，外径公差≤±0.5％D，壁厚公差-3.0mm～3.7mm，不圆度≤1.5％D，直度整体小于0.15％L。通过精确控制高温炉和低温炉温度，浸入外淋内喷旋转的方式进行水淬，保证钢管整个壁厚和长度性能均匀，稳定。
40mm～60mm厚壁厚壁大口径高钢级管线管制造方法获得满足X65Q及以上钢级的管线管，屈服强度≥455MPa、抗拉强度≥535MPa，冲击性能0℃≥250J，硬度≤250HV10。
以X65Q和X70Q钢级，规格508.00mmx41.14mm和406.40mmx47.58mm为例，开发尺寸要求如下表1和力学性能如表2：
表1几何尺寸指标
序号 检验项目 设计要求
1 管体外径 ±0.5％D
2 管端外径 ±1.6mm
3 壁厚 -3.0～+3.7mm
4 管体椭圆度 ≤1.5％OD
5 管端椭圆度 ≤1％OD
6 管体直度 ≤0.15％L
7 管端直度 ≤3mm/m
表2力学性能指标
Figure BDA0002330623240000061
Figure BDA0002330623240000071
实际控制其化学成分如下表3。实际力学性能如下表4。
管材化学成分完全满足权利要求1的要求，成分含量偏差很小，稳定的成分含量有利于热处理时进行温度控制，从而为管材具有良好的组织和性能提供了前提条件。从表2中可以看出，本发明能很好地满足X65Q和X70Q管线管性能要求，屈强比很小，具有很高的韧性，-50℃以上冲击功仍高于200J，如图2所示规格为508mmx41.14mm屈服强度在540MPa，在不同温度下的系列冲击功分布曲线，剪切比高于50％。
表3本发明管线管的实施例化学成分
Figure BDA0002330623240000072
注：当C含量≤0.12％，碳当量CEPcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B，B≤0.0005％，公式中B含量为0。
当C含量＞0.12％计算碳当量，碳当量CEⅡW＝C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5
表4本发明管线管实施例的力学性能和金相
Figure BDA0002330623240000073

Claims (6)

1.一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管，其特征是：该管线管成分重量％为：C0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn 1.25～1.80％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N 0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管，其特征是：厚壁大口径≥406.4mm，外径尺寸精度±0.5％OD，壁厚精度-3.0mm～3.7mm。
3.一种根据权利要求1所述的40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管制造方法，包括步骤如下：
(1)电炉冶炼：将重量％为：C 0.06～0.16％，Si 0.10～0.45％，Mn 1.25～1.80％，Al0.020～0.060％，Nb 0.020～0.050％，V0.03～0.09％，Ni 0.20～0.50％，Mo 0.20～0.50％，Cr0.20～0.50％，Ca≤0.006％，N 0.003～0.010％，0.20％≤CEpcm≤0.28％，0.005％≤Ti≤0.020％，0.36％≤CEΠW≤0.44％，Al/N≥2，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质,无缝钢管成分通过100T电炉EAF、精炼LF炉、真空炉VD、Ti处理，四流连铸成Φ450mm、Φ500mm断面钢坯；
(2)PQF轧机轧制：将步骤(1)的钢坯进行冷定心、环形加热炉加热、热穿孔、Φ508PQF连轧机组连轧、定径、冷矫直制成钢管；
(3)调质处理：将步骤(2)的钢管在步进式高、低温炉内分别进行浸入旋转式内喷外淋水淬火和回火、热矫直、空冷完成无缝管线管的制造。
4.根据权利要求3所述的40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管制造方法，其特征是：所述无缝管线管的屈服强度≥455MPa、抗拉强度≥535Mpa、冲击性能0℃≥250J、硬度≤250HV10，满足X65Q及以上钢级管线管要求。
5.根据权利要求3所述的40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管制造方法，其特征是：所述钢管在步进式高温炉内加热到900～980℃保温15～45min，高压水除鳞，进行淬火水冷然后在步进式低温炉炉中加热到600～710℃保温20～60min，进行回火空冷。
6.根据权利要求3所述的40mm～60mm厚壁大口径高钢级管线管制造方法，其特征是：所述热矫直采用500～630℃高温，外径公差≤±0.5％D，壁厚公差-3.0mm～3.7mm，不圆度≤1.5％D，直度整体小于0.15％L。
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