CN112795842B - 一种海底快速连接管道用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海底快速连接管道用钢及其生产方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.12％～0.16％、Si：0.20％～0.35％、Mn：0.55％～0.85％、V：0.04％～0.06％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.50％～0.80％、Als：0.015％～0.040％、P≤0.010％、S≤0.002％、余量为Fe和不可避免的杂质；生产方法包括钢水冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热处理；应用本发明生产的钢板具有冷/热加工性能，反复加变形情况下强度、硬度、韧性更高，具有良好的连接稳定性能，产品屈服强度达450MPa以上，抗拉强度达530MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于低碳微合金钢领域，尤其涉及一种海底快速连接管道用钢及其生产方法。
背景技术
海底管道上重要的结构件包括快速连接管、三通、封头等，其在管线上主要起两方面作用，一是根据需要快速连接管线；另一个是改变方向作用。长期以来，用于海底长输管道通常采用热加工工艺生产，其主要的失效方式为热加工处易壁厚穿孔、断裂，主要原因是热加工后钢的强度和硬度明显下降，随着输送压力的不断提高，这种热加工结构件失效现象更加突出。
我国海底管道主要采用X65，通常管道上相匹配的结构件，强度不低于管道设计强度，管道相匹配的结构件450MPa级强度更合适。我国快速连接管多数进口，没有自己的标准。采用X65级管线钢管做母管，由于母管是控轧钢设计，经热处理后，其强度和硬度大幅度降低。此外，由于在热加工过程中反复加热造成晶粒粗大，强度、韧性性能差，无法保证海下环境使用。
日本专利JP 2002129288公开了一种高强度弯管及其生产方法，API X80～100钢包含：C≤0.03％、Si≤0.3％、Mn：0.8％～2.5％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.01～0.05％、Ti：0.005～0.030％、Al≤0.05％、N：0.001～0.06％，以及其它任意金属Ni：0.01～1.0％、Cu：0.1～1.2％、Cr：0.1～1.0％、V：0.01～0.10％、Ca：0.001～0.005％、Mg：0.0001～0.002％，其余为铁。原料钢管在800～1000℃热轧，弯曲然后淬火，600℃回火。得到最终弯管产品。该专利技术由于强度较高不适宜制作水下连接管。
发明《一种抗拉强度570MPa级弯管用钢板及其生产方法》(公开号CN101565796A)公开的是X65级卷板开平生产，其不足之处，厚度＜20mm。
发明《一种X90钢弯管及其弯制方法》(公开号CN102560287A)公开的X90弯管强度级别过高导致强韧匹配不适用于海底的管道连接。
现有海底快速连接管道用钢常常采用同质的管线钢铁材料，成分设计采用低C、高Mn、Nb、V、Ti设计，其使用寿命低，更换频繁，成本高，并且现有快速连接管道用钢在制造工艺中采用控轧控冷生产，经冷、热炜成形后性能离散，差异性大。
综上所述，现有技术对海底快速连接管道用钢的研究尚有不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种提供海底快速连接管道用钢及其生产方法；通过调整钢板的化学成分，使之适合热处理的需要，在热加工后，取得较好的强化、韧化效果；低温韧性能够满足海下环境使用。
本发明目的是这样实现的：
一种海底快速连接管道用钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.12％～0.16％、Si：0.20％～0.35％、Mn：0.55％～0.85％、V：0.04％～0.06％、Ti：0.011％～0.025％、Cr：0.50％～0.80％、Als：0.015％～0.040％、P≤0.010％、S≤0.002％、余量为Fe和不可避免的杂质。
所述海底快速连接管道用钢钢板厚度≥25mm。
所述海底快速连接管道用钢组织为回火索氏体。
所述海底快速连接管道用钢屈服强度达450MPa以上，抗拉强度达530MPa以上，延伸率22％-28&，屈强比0.8-0.9，-40℃夏比冲击功≥300J。所述海底快速连接管道用钢钢板经反复冷/热煨成形后屈服强度455MPa以上、抗拉强度535MPa以上、-40℃夏比冲击功≥300J，延伸率23％-28％屈强比0.84-0.87。
本发明成分设计理由：
碳:是钢中最有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与合金元素作用形成碳化物，对保证调质后强度有利，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料韧性不利，所以，碳含量也不能过高，因此，本发明将碳含量控制在0.12％～0.16％。
Si：有固溶强化作用，提高淬透性，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，因此，本发明将Si含量的范围控制在0.20％～0.35％。
Mn：具有固溶强化作用，可有效提高强度，对提高淬透性也有利，可以增加奥氏体稳定性；但是，锰含量过高不利于焊接，因此，本发明将锰含量控制在0.55％～0.85％。
V：有明显的固溶和析出强化作用，细化晶粒，改善强韧性，同时，降低调质后脆性，但是，增加V含量会使生产成本明显增加，因此，本发明将铌含量控制在0.04％～0.06％。
Ti：可起到析出强化和固氮效果，易形成碳氮化物，且熔点高，能抑制高温条件下的晶粒长大，氮化钛析出，有效减少和控制游离氮元素量；因此，本发明将钛含量控制在0.011％～0.025％。
Cr：能提高奥氏体稳定性和淬透性，有固溶强化作用，对提高厚规格钢板强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用，另外，Cr含量达到0.18％以上时可以改善钢的耐腐蚀性；所以，本发明将Cr含量控制在0.50％～0.80％。
Al：有效的脱氧元素，铝含量过高会使钢中的夹杂物增加，焊接性能恶化，因此，本发明将酸溶铝的含量控制在0.015％～0.040％。
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。但其含量过高，会影响钢的使用性能，如在低温时会产生冷脆效应，本发明主要是在寒冷地区裸露使用，所以P含量应该严格控制，控制在0.010％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，钢中S的含量控制越低越好，考虑到脱S成本较高，所以本发明将S含量控制为S≤0.002％。
本发明技术方案之二是提供一种海底快速连接管道用钢生产方法，包括钢水冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热处理；
钢水冶炼、炉外精炼：转炉阶段根据铁水状态(成分、温度等)、炉渣情况精确计算辅料加入量；结合钢板低C、低P的成分设计，采用双渣冶炼，提高复吹效果，转炉终点控制C≤0.035％，P<0.008％，S<0.008％；转炉终点温度≤1640℃；所用钢包必须保持洁净；按照成分设计计算加入的合金量并在出钢前完成合金料的加入，出钢前后采用氩气搅拌，根据实际需要调节氩气吹入量。LF阶段：注意电极埋弧及微正压操作，加入造渣料并通电溶化后加入铝进行还原。LF精炼阶段注意吹氩搅拌强度，防止液面裸露；动态测定合金化效果并严格按照目标成分补加合金，进行成分微调，实现合金元素成分的精确控制。RH阶段：RH真空循环处理时间不低于10分钟，保证脱气效果；真空脱气结束后进行Ca处理，促进夹杂物变性，结合S含量严格控制Ca线加入量，防止形成团簇状夹杂物；Ca处理完成后进行吹氩镇静搅拌，促进夹杂物上浮及成分、温度的均匀化。
连铸：采用全程保护浇注技术防止增氮及二次氧化。
轧制：采用控轧控冷工艺，板坯的加热温度为1180～1280℃，粗轧温度为1100～1230℃，精轧温度为930～1150℃，轧后立即冷却，冷却速度为25～40℃/s，终冷温度低于300℃，之后空冷；
热处理：采用回火处理，回火温度：550～600℃。
板坯加热温度为1180～1280℃，板坯加热主要目的是合金元素固溶及奥氏体均匀为后面的轧制变形做准备，加热温度过高，易造成奥氏体晶粒的长大，会影响到钢材的韧性；加热温度过低，合金元素不能充分固溶，达不到合金强化的效果，另外轧制抗力也大。因此选择的加热温度为1180～1280℃。
粗轧温度1100～1230℃，粗轧阶段是再结晶轧制阶段，是在再结晶温度以上让奥氏体充分细化，发生再结晶，若温度过低，易造成混晶，本发明将粗轧温度区间设为1100～1230℃。
精轧温度930～1150℃，精轧阶段是未再结晶区轧制阶段，奥氏体沿轧制方向拉长、压扁，晶内产生变形带，这种加工硬化的奥氏体易促进铁素体的形核。温度高，易发生混晶，温度低，进入两相区，有先析铁素体出现，对强韧性不利，所以将精轧温度区间设为930～1150℃。这种宽的精轧温度区间为单张轧制的管线钢热轧平板完成精轧区间的位错积累和随后的晶粒细化任务创造了可能，也适合于管线钢热轧平板精轧期间温降较大的特点。将轧后控制冷却速度设为25～40℃/s，可获得以贝氏体+马氏钵为主的复合组织，具有良好的强韧性；终冷温度是控制组织转变产物的区间，温度高，易出现珠光体，造成强度不足，因此将终冷温度区间选择为低于300℃。回火温度：550～600℃回火，获得回火索氏体，具有良好的强化、韧化效果。低温韧性能够满足海下环境使用。
本发明的有益效果在于：本发明一种海底快速连接管道用钢的成分设计合理，与现有技术相比，以适宜C、低Mn为基础，充分利用V析出来弥补低Mn的强度缺失，合理配置Cr、Ti等元素，严格控制有害元素含量，配以与之相应的独特的生产工艺，获得了综合性能优异的厚壁低温连接管钢板。具有冷/热加工性能，反复加变形情况下强度、硬度、韧性更高，具有良好的连接稳定性能，产品屈服强度达450MPa以上，抗拉强度达530MPa以上，延伸率22％-28&，屈强比0.8-0.9，-40℃夏比冲击功≥300J。本发明钢板经反复冷/热煨成形后屈服强度455MPa以上、抗拉强度535MPa以上、-40℃夏比冲击功≥300J，延伸率23％-28％屈强比0.84-0.87。本发明海底快速连接管道用钢具有较好的冷/热加工性能，冷/热加工后产品性能不降低，性能稳定，能够满足海下环境下使用,。
附图说明
图1为本发明实施例1显微组织金相图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行钢水冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热处理；粗轧温度为1100～1230℃，精轧温度为930～1150℃，轧后立即冷却，冷却速度为25～40℃/s，终冷温度低于300℃，之后空冷；热处理：采用回火处理，回火温度：550～600℃。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的性能见表3。本发明实施例钢冷/热煨后性能见表4。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | V | Ti | Cr | Als |
| 1 | 0.13 | 0.35 | 0.58 | 0.010 | 0.002 | 0.040 | 0.015 | 0.50 | 0.015 |
| 2 | 0.15 | 0.26 | 0.62 | 0.09 | 0.002 | 0.051 | 0.019 | 0.63 | 0.03 |
| 3 | 0.14 | 0.30 | 0.55 | 0.08 | 0.001 | 0.047 | 0.010 | 0.72 | 0.025 |
| 4 | 0.12 | 0.33 | 0.85 | 0.08 | 0.002 | 0.055 | 0.020 | 0.58 | 0.04 |
| 5 | 0.13 | 0.25 | 0.67 | 0.09 | 0.002 | 0.059 | 0.013 | 0.79 | 0.04 |
| 6 | 0.16 | 0.21 | 0.58 | 0.010 | 0.002 | 0.044 | 0.024 | 0.80 | 0.03 |
| 7 | 0.15 | 0.24 | 0.66 | 0.009 | 0.002 | 0.046 | 0.015 | 0.76 | 0.04 |
| 8 | 0.14 | 0.28 | 0.80 | 0.008 | 0.002 | 0.045 | 0.013 | 0.80 | 0.035 |
| 9 | 0.16 | 0.30 | 0.60 | 0.009 | 0.002 | 0.040 | 0.013 | 0.75 | 0.04 |
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的性能
表4本发明实施例钢冷/热煨后性能
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种海底快速连接管道用钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.12%～0.16%、Si：0.20%～0.35%、Mn：0.55%～0.67%、V：0.04%～0.06%、Ti：0.011%～0.025%、Cr：0.58%～0.80%、Als：0.015%～0.040%、P≤0.010%、S≤0.002%、余量为Fe和不可避免的杂质；
所述海底快速连接管道用钢屈服强度达450MPa以上，抗拉强度达530MPa以上，延伸率22%～28%，屈强比0.8～0.9，-40℃夏比冲击功≥300J；所述海底快速连接管道用钢钢板经反复冷/热煨成形后屈服强度455MPa以上、抗拉强度535 MPa以上、-40℃夏比冲击功≥300J，延伸率23%-28%屈强比0.84～0.87；
所述的一种海底快速连接管道用钢的生产方法，包括钢水冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热处理；
轧制：采用控轧控冷工艺，板坯的加热温度为1184～1280℃，粗轧温度为1100～1230℃，精轧温度为930～1150℃，轧后立即冷却，冷却速度为30～40℃/s，终冷温度低于300℃，之后空冷；
热处理：采用回火处理，回火温度：550~600℃。
2.根据权利要求1所述的一种海底快速连接管道用钢，其特征在于，所述海底快速连接管道结构用钢钢板厚度≥25mm。
3.根据权利要求1所述的一种海底快速连接管道用钢，其特征在于，
钢水冶炼、炉外精炼：转炉终点控制C≤0.035%，P<0.008%，S<0.008%；转炉终点温度≤1640℃；RH真空循环处理时间不低于10分钟，真空脱气结束后进行Ca处理。
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