CN113106346A - 一种高强度无缝管线管及其制备方法 - Google Patents

一种高强度无缝管线管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无缝管线管制造技术领域，具体公开一种高强度无缝管线管及其制备方法，所述无缝管线管成分重量百分比为：0.06％≤C≤0.1％、0.15％≤Si≤0.35％、1.55％≤Mn≤1.75％、0.35％≤Cr≤0.55％、0.15％≤Mo≤0.25％、0.01％≤Ti≤0.03％、0.001％≤Mg≤0.002％、S≤0.01％、P≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量CEPcm≤0.25％。本发明提供的无缝管线管成分体系简单、制造成本低，且强度、韧性和抗腐蚀性能优异，可广泛用于超深水海域的油气输送，具有广阔的市场前景。

Description

一种高强度无缝管线管及其制备方法
技术领域
本发明涉及无缝管线管制造技术领域，尤其涉及一种高强度无缝管线管及其制备方法。
背景技术
据国际权威机构预测，从2000-2030年，世界石油的需求量年均增加为1.6％，至2030年世界石油的需求量将达到57.69亿吨；天然气的需求量年均增长为2.4％，至2030年将达到42.03亿吨油当量。随着对石油和天然气需求量的快速增长，用于油气输送管线建造的管线管的需求量也将会日益增加。然而，仅仅依靠对普通油气井的开发已经满足不了快速增长的石油和天然气的需求，必须加大对深水海域油气的勘探和开采。因此，未来我国迫切需要研发可以适用于深水海域油气开采的高端油气输送管线管。
管线管包括无缝管线管和焊接管线管两类。同焊接管线管相比，无缝管线管因其管体组织与性能分布的连续一致性好、使用可靠性高等，故在安全级别要求较高、使用条件相对特殊、产品径壁比数值偏低等情形下显示出更加显著的优势。通常，无缝管线管应用于油气集输管线、海底输油管线以及城镇油气管网，管径范围以中小直径为主，直径主要分布于114.3-273.1mm。目前已有无缝管线管的产品钢级主要集中在X70及以下，不能满足高压力油气输送的要求。目前为了提高无缝管线管的性能主要是通过添加更多的合金元素和热处理工序的改进；然而，无缝管线管要求具有良好的焊接性能，合金元素的增加将会导致焊接裂纹指数CEPcm的增加，且目前无缝管线管轧制过程缺乏有效的在线组织性能调控手段。
发明内容
针对现有高强度无缝管线管中合金元素含量高，以及轧制过程缺乏有效的在线组织性能调控手段的问题，本发明提供一种高强度无缝管线管及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
一种高强度无缝管线管，其成分重量百分比为：0.06％≤C≤0.1％、0.15％≤Si≤0.35％、1.55％≤Mn≤1.75％、0.35％≤Cr≤0.55％、0.15％≤Mo≤0.25％、0.01％≤Ti≤0.03％、0.001％≤Mg≤0.002％、S≤0.01％、P≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量CEPcm≤0.25％。
现对于现有技术，本发明提供的高强度无缝管线管，合金成分体系简单，不额外添加V、Nb、Cu、Ni等贵重合金元素，将C含量控制在0.06-0.1％，不仅有利于提高钢管的焊接性能，同时还能避免Cr元素在钢管热处理过程中形成粗大的碳化物；通过将Mn含量控制在1.55-1.75％，不仅可弥补碳含量较低造成的强度降低，还可提高钢管的低温冲击韧性；通过加入Cr、Mo对铁素体进行固溶强化，同时，Cr、Mo还可有效提高碳化物的稳定性，从而显著提高管线管的强度；并通过加入Ti、Mg元素进行微合金化，控制夹杂物形态、细化晶粒和均匀组织，同时，还可改善管线管的韧性。本发明各组分相互配合协同，使得制备的无缝管线管综合性能优异，且力学性能稳定，同时，还显著降低了合金的成本，完全满足超深海水域油气输送的性能要求，具有广阔的应用前景。
优选的，所述高强度无缝管线管的微观组织为铁素体和回火贝氏体。
本发明还提供了上述高强度无缝管线管的制备方法，包括如下步骤：
取连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径得到轧制态管线管；轧制态管线管经调质处理，得到高强度无缝管线管；其中，所述连铸圆坯的化学成分与所述高强度无缝管线管化学成分相同。
优选的，所述连铸圆坯是以废钢为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼和连铸工序制成。
优选的，钢包精炼工序中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入FeTi合金，然后再喂入MgSi线进行脱氧合金化。
优选的，钢包精炼工序中，所述FeTi合金的加入量为0.8～1.2kg/t，所述MgSi线的加入量为3～4m/t。
所述MgSi线中芯粉重量为260g/m，Mg含量为18wt％，Si含量为55wt％。
优选的，钢包精炼工序中，将钢包精炼渣各组分的重量百分比控制在如下范围：CaO 55～65％、SiO2 17～22％、Al2O3 10～15％、CaF2 3～7％、Na2O0.5～2％、FeO 1～3％。
优选的钢包精炼渣有利于控制钢包精炼过程中钢液的溶解氧含量，选择在10～30ppm时加入FeTi合金，然后再喂入MgSi线的方法，有利于钢液中形成Ti、Mg的细小复合氧化物，在后续轧制和热处理过程中，这些细小的Ti-Mg复合氧化物可作为晶粒形核的核心，促进钢管组织的细化，从而有利于提高材料的强度和韧性。且通过加入Mg、Ti增加钢组织中细小形核质点，还有利于对轧制过程中钢管组织性能进行有效调控，提高钢管的韧性和强度。
优选的，微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为850～870℃，减径率为20～40％。
优选的微张力减径温度和减径率，可提高相变时的形核率，抑制析出相的聚集和长大，有利于细化晶粒和改善组织，并配合在特定氧含量的时机加入Mg、Ti的方法，可在轧制过程中有效调控钢组织性能，进而显著提高材料的强度和韧性。
优选的，调质工序中，将轧制态管线管加热至900～950℃，并保温5～8min后，水冷淬火，然后再加热至520～580℃并保温10～15min后，空冷。
将轧制态管线管加热至900～950℃并保温5～8min，有利于钢管中的Mo和Cr的碳化物充分回溶和均匀化，水冷淬火后再于520～580℃较低温度回火并保温10～15min，有利于析出细小且均匀弥散分布的碳化物，从而有利于改善钢管的韧性。
优选的，环形炉加热工序中，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为900～940℃，所述加热段的温度控制为1240～1280℃，所述均热段的温度控制为1240～1260℃；连铸圆坯的出炉温度为1120～1140℃，环形炉的布料角为1.725°。
优选的环形炉加热温度、出炉温度和布料角的设置，有利于控制连铸圆坯在理想的变形温度区间进行轧制，提高成品钢管的表面质量、尺寸精度和性能。
本发明提供了一种高强度无缝管线管，合金成分体系简单，通过合理的成分设计以及独特的制备工艺，使得制备的无缝管线管具有细密均匀的铁素体+回火贝氏体组织，具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，综合性能优异，且力学性能稳定。无缝管线管的屈服强度为729～807MPa，抗拉强度为824～875MPa，屈强比≤0.91；延伸率为25～30％，0℃横向夏氏冲击功为173～203J，可广泛用于超深水海域的油气输送，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高强度无缝管线管的金相组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种高强度无缝管线管，其化学成分为：
C 0.06％、Si 0.35％、Mn 1.75％、Ti 0.03％、Mo 0.25％、Cr 0.48％、Mg0.001％，S 0.003％、P 0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质，CEPcm 0.20％。
上述高强度无缝管线管的制备步骤如下：
以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度无缝管线管化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经五机架PQF机组轧制后得到荒管，荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成外径为114.3mm、壁厚为11.13mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度无缝管线管。
其中，钢包精炼过程中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入0.8kg/t的FeTi合金，然后再喂入3.8m/t的MgSi线进行脱氧合金化。钢包精炼渣的主要化学成分为：CaO 55～65％、SiO2 17～22％、Al2O3 10～15％、CaF2 3～7％、Na2O 0.5～2％、FeO 1～3％。
连铸工序中，采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。
环形加热炉工序，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为940℃，所述加热段的温度控制为1260℃，所述均热段的温度控制为1260℃；连铸圆坯的出炉温度为1130℃，环形炉的布料角为1.725°。
穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，连铸圆坯穿孔前的温度为1055℃，穿孔后的温度为1140℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。
五机架PQF机组轧制工序中，毛管热轧前的温度为1045℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为10.6-11.1mm。脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为10.8-11mm。
微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为865℃，减径率为30％。
调质工序中，将轧制态管线管加热至940℃，并保温6min后，水冷淬火，然后再加热至530℃并保温12min后，空冷至室温。
实施例2
本发明实施例提供一种高强度无缝管线管，其化学成分为：
C 0.08％、Si 0.25％、Mn 1.55％、Ti 0.02％、Mo 0.15％、Cr 0.55％、Mg0.0012％，S 0.005％、P 0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质，CEPcm0.20％。
上述高强度无缝管线管的制备步骤如下：
以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度无缝管线管化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经五机架PQF机组轧制后得到荒管，荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成外径为114.3mm、壁厚为11.13mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度无缝管线管。
其中，钢包精炼过程中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入1.2kg/t的FeTi合金，然后再喂入3.5m/t的MgSi线进行脱氧合金化。钢包精炼渣的主要化学成分为：CaO 55～65％、SiO2 17～22％、Al2O3 10～15％、CaF2 3～7％、Na2O 0.5～2％、FeO 1～3％。
连铸工序中，采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。
环形加热炉工序，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为920℃，所述加热段的温度控制为1250℃，所述均热段的温度控制为1240℃；连铸圆坯的出炉温度为1120℃，环形炉的布料角为1.725°。
穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，连铸圆坯穿孔前的温度为1055℃，穿孔后的温度为1140℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。
五机架PQF机组轧制工序中，毛管热轧前的温度为1045℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为10.6-11.1mm。脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为10.8-11mm。
微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为870℃，减径率为20％。
调质工序中，将轧制态管线管加热至920℃，并保温7min后，水冷淬火，然后再加热至520℃并保温15min后，空冷至室温。
实施例3
本发明实施例提供一种高强度无缝管线管，其化学成分为：
C 0.09％、Si 0.30％、Mn 1.68％、Ti 0.01％、Mo 0.20％、Cr 0.35％、Mg0.002％，S 0.008％、P 0.007％，其余为Fe和不可避免的杂质，CEPcm 0.22％。
上述高强度无缝管线管的制备步骤如下：
以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度无缝管线管化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经五机架PQF机组轧制后得到荒管，荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成外径为114.3mm、壁厚为11.13mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度无缝管线管。
其中，钢包精炼过程中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入0.9kg/t的FeTi合金，然后再喂入3m/t的MgSi线进行脱氧合金化。钢包精炼渣的主要化学成分为：CaO 55～65％、SiO2 17～22％、Al2O3 10～15％、CaF2 3～7％、Na2O 0.5～2％、FeO 1～3％。
连铸工序中，采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。
环形加热炉工序，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为900℃，所述加热段的温度控制为1280℃，所述均热段的温度控制为1250℃；连铸圆坯的出炉温度为1140℃，环形炉的布料角为1.725°。
穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，连铸圆坯穿孔前的温度为1055℃，穿孔后的温度为1140℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。
五机架PQF机组轧制工序中，毛管热轧前的温度为1045℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为10.6-11.1mm。脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为10.8-11mm。
微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为850℃，减径率为40％。
调质工序中，将轧制态管线管加热至950℃，并保温5min后，水冷淬火，然后再加热至580℃并保温10min后，空冷至室温。
实施例4
本发明实施例提供一种高强度无缝管线管，其化学成分为：
C 0.10％、Si 0.15％、Mn 1.67％、Ti 0.024％、Mo 0.22％、Cr 0.44％、Mg0.0013％，S 0.007％、P 0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质，CEPcm0.23％。
上述高强度无缝管线管的制备步骤如下：
以废钢为原料，经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、连铸工序制成与上述高强度无缝管线管化学组分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管，毛管经五机架PQF机组轧制后得到荒管，荒管经三机架脱管机脱管、微张力减径、步进式冷床冷却，制成外径为114.3mm、壁厚为11.13mm的轧制态钢管；轧制态钢管调质处理后，得所述高强度无缝管线管。
其中，钢包精炼过程中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入1.0kg/t的FeTi合金，然后再喂入4m/t的MgSi线进行脱氧合金化。钢包精炼渣的主要化学成分为：CaO 55～65％、SiO2 17～22％、Al2O3 10～15％、CaF2 3～7％、Na2O 0.5～2％、FeO 1～3％。
连铸工序中，采用全程保护浇铸，控制钢液的二次氧化。
环形加热炉工序，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为930℃，所述加热段的温度控制为1240℃，所述均热段的温度控制为1240℃；连铸圆坯的出炉温度为1135℃，环形炉的布料角为1.725°。
穿孔工序中，采用辗轧角为15°的新型锥形二辊穿孔机，喂入角为15°，连铸圆坯穿孔前的温度为1055℃，穿孔后的温度为1140℃，穿孔后得到的毛管的外径为202-212mm，壁厚为16.3-17.3mm。
五机架PQF机组轧制工序中，毛管热轧前的温度为1045℃，轧制后得到的荒管外径为178-182mm，壁厚为10.6-11.1mm。脱管后的荒管外径为168-172mm，壁厚为10.8-11mm。
微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为860℃，减径率为35％。
调质工序中，将轧制态管线管加热至900℃，并保温8min后，水冷淬火，然后再加热至560℃并保温13min后，空冷至室温。
实施例1-4制备的无缝管线管的组织主要为铁素体+回火贝氏体，晶粒细小，晶粒度为10级，其中，实施例1制备的无缝管线管的金相组织如图1所示。
按照API Spec 5L第46版的标准要求从实施例1-4制备的无缝管线管中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、延伸率、横向冲击功，其统计分析结果如表1所示，其中，表中的样本数为所取的无缝管线管的个数，采取随机取样方式。
表1
检验项目 样本数 最小值 最大值 平均值 标准差
屈服强度/MPa 28 729 807 770.2 8.6
抗拉强度/MPa 28 824 875 854.3 8.2
延伸率/％ 28 25 30 28.4 1.7
夏氏冲击功/J 28 173 203 190.1 8.1
从上表可以看出，通过以上方法制得的无缝管线管的屈服强度为729-807MPa、抗拉强度为824-875MPa、延伸率≥25％、0℃横向全尺寸夏氏冲击功为173-203J。其中屈服强度平均值为770.2MPa、标准差为8.6MPa；抗拉强度平均值为854.3MPa、标准差为8.2MPa；屈强比≤0.91；延伸率平均值为28.4％、标准差为1.7％；0℃横向全尺寸夏氏冲击功平均值为190.1J、标准差为8.1J。
根据NACE TM 0284-2011(管线钢和压力容器抗氢致开裂评定方法)对实施例1-4中的样品进行HIC性能评价。试验在标准A溶液中经过96h后，实施例1-4中的所有样品表面均无氢鼓泡，最大平均裂纹长度率CLR、最大平均裂纹厚度率CTR、最大平均裂纹率CSR均为0。
综上所述，本发明的无缝管线管成分体系简单、制造成本低，且强度、韧性和抗腐蚀性能优异，可广泛用于超深水海域的油气输送，具有广阔的市场前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度无缝管线管，其特征在于，其成分重量百分比为：0.06％≤C≤0.1％、0.15％≤Si≤0.35％、1.55％≤Mn≤1.75％、0.35％≤Cr≤0.55％、0.15％≤Mo≤0.25％、0.01％≤Ti≤0.03％、0.001％≤Mg≤0.002％、S≤0.01％、P≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量CEPcm≤0.25％。
2.如权利要求1所述的高强度无缝管线管，其特征在于，其微观组织为铁素体和回火贝氏体。
3.一种权利要求1或2所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径得到轧制态管线管；轧制态管线管经调质处理，得到高强度无缝管线管；其中，所述连铸圆坯的化学成分与所述高强度无缝管线管化学成分相同。
4.如权利要求3所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，所述连铸圆坯是以废钢为原料，经电弧炉熔炼、钢包精炼和连铸工序制成。
5.如权利要求4所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，钢包精炼工序中，当钢液中溶解氧含量为10～30ppm时加入FeTi合金，然后再喂入MgSi线进行脱氧合金化。
6.如权利要求5所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，钢包精炼工序中，所述FeTi合金的加入量为0.8～1.2kg/t，所述MgSi线的加入量为3～4m/t。
7.如权利要求4所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，钢包精炼工序中，将钢包精炼渣各组分的重量百分比控制在如下范围：CaO55～65％、SiO2 17～22％、Al2O310～15％、CaF2 3～7％、Na2O 0.5～2％、FeO1～3％。
8.如权利要求3所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，微张力减径工序中，荒管进微张力减径工序的温度为850～870℃，减径率为20～40％。
9.如权利要求3所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，调质工序中，将轧制态管线管加热至900～950℃，并保温5～8min后，水冷，然后再加热至520～580℃并保温10～15min后，空冷。
10.如权利要求3所述的高强度无缝管线管的制备方法，其特征在于，环形炉加热工序中，按照连铸圆坯的输送方向将环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；其中，所述预热段的温度控制为900～940℃，所述加热段的温度控制为1240～1280℃，所述均热段的温度控制为1240～1260℃；连铸圆坯的出炉温度为1120～1140℃，环形炉的布料角为1.725°。
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