CN116162866A - 一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法 - Google Patents

一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法，属于钢材技术领域。通过Ca处理控制夹杂物形状，严格控制钢中P、S等有害元素及氧、氢、氮等有害气体；通过奥氏体+铁素体双相区的控制轧制以及临界区的中温弛豫处理、弛豫温度低于贝氏体转变开始温度时加速冷却，获得具有细晶/超细晶多边形铁素体+粒状贝氏体双相组织，且形成典型的双峰结构，有力提高塑性。最后利用低温回火处理，获得少量的弥散分布的MA组织，进一步提高管线管强度，从而得到高强、高塑、高韧的综合力学性能。制得的管线管具备优异的性能，特别是具有良好的塑性变形容量和良好的可焊性，能够满足深海地域对这种管线钢和管线管的使用要求。

Description

一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法
技术领域
本发明属于钢材技术领域，具体涉及一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法。
背景技术
随着近陆、近海油气田开发的完成，新建油气田的开发逐渐向海洋等偏远地区发展。近年来世界石油勘探重点已由陆地转向海洋，由浅海转向深海，深水和超深水的油气资源勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域。
由于在海底管线的铺设施工过程中(J-Lay、S-Lay、盘卷、拖曳等)，管线不可避免的要经过变形，变形量往往超过0.5％。因此，管线管的高强度和高塑性是深水油气开发的必要保证。同时，恶劣的深海服役环境促使深海用管线钢向高钢级、高韧性(低温)方向发展。通常而言，管线钢强度较低时均匀塑性变形容量较大，而对于高钢级管线钢要获得较大的塑性变形容量比较困难。加之，高钢级管线钢和管线管在随后的防腐过程中由于温度的作用会产生强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，即产生应变时效现象。管线管在长期的使用过程中也会产生应变时效现象。
近年来，随着控轧控冷技术的发展，管线钢的屈强比已从过去的0.80～0.85上升到0.90～0.95，过高的屈强比限制了管线钢和管线管的变形能力，从而对使用安全性产生影响。虽然目前具有高应变性能的高钢级海洋用管线钢在国际上已经开发出来，并得到工程应用，但不能很好地兼顾高强度、高塑性、高韧性三者的匹配性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种双峰组织高应变海洋用管线钢、管线管及其制造方法，能够得到兼备高强度、高塑性、高韧性及良好的焊接性的。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种双峰组织高应变海洋用管线钢，，具有双峰多边形铁素体+粒状贝氏体双相结构辅以M/A组织形成的复相组织，以质量百分比计，其组成如下：C：0.04％～0.06％、Mn：1.50％～1.90％、Si：0.15％～0.25％、P≤0.005％、S≤0.003％、Al：0.005％～0.03％、N≤0.005％、第一强化成分和第二强化成分，余量为Fe；第一强化成分为Nb：0.004％～0.008％、V：0.01～0.03％和Ti：0.001％～0.025％中的一种或几种，且0.05％≤Nb+V+Ti≤0.10％；第二强化成分为Cr：0.10％～0.30％、Mo：0.08％～0.30％、Ni：0.10％～0.30％、Cu：0.10％～0.30％和B：0.0001％～0.0005％中的一种或几种；碳当量≤0.17。
本发明公开的一种双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，包括以下步骤：
S1：将含有上述成分的原材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理、炉外精炼和真空脱气，连铸成厚板坯；
S2：将厚板坯加热至1180～1200℃，保温；经粗轧、精轧后进行弛豫处理；
S3：在450～550℃下进行低温回火，冷却后得到管线钢。
优选地，S2中，保温的时间为8～15min。
优选地，S2中，粗轧的温度为1050～1120℃，采用多道次轧制。
优选地，S2中，精轧开始温度为810℃～850℃，精轧终止温度为700℃～750℃，采用多道次轧制。
优选地，S2中，弛豫开始温度为700～750℃，弛豫时间为80～150s，然后以20～35℃/s的冷却速度水冷至150～250℃。
优选地，S3中，低温回火的时间为15～30min。
优选地，S3中，冷却的方式为空冷。
采用上述的双峰组织高应变海洋用管线钢制备管线管的方法，包括：将钢板经J-C-O或U-O-E成型，进行直缝埋弧焊接，焊材采用含Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料，经0.6％～1.2％扩径，得到管线管。
上述采用双峰组织高应变海洋用管线钢制备管线管的方法制得的管线管，管体横向屈服强度529～598MPa，抗拉强度666～694MPa，总延伸率26～38％，-20℃的夏比冲击韧性达到219～295J，-10℃的DWTT剪切面积85～93％，硬度202～236HV10，管体纵向屈服强度536～553MPa，抗拉强度663～680MPa，总延伸率29～43％，均匀延伸率7.2～11.3％，加工硬化率n值0.101～0.126。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的双峰组织高应变海洋用管线钢，采用低碳或超低碳成分，加Mn，以增加奥氏体的稳定性，加入第一强化成分Nb、V、Ti进行微合金化，同时加入少量第二强化成分Mo、Ni、Cu、Cr、B，促进MA岛组织的形成，严格控制钢中P、S等有害元素，同时通过严格控制N元素的含量，改善了钢中C、N元素与钢中位错的交互作用所引起的应变时效现象。
本发明公开的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，采用Al、Si全脱氧的镇静钢，Ca处理控制夹杂物形状，严格控制钢中P、S等有害元素及氧、氢、氮等有害气体；通过奥氏体+铁素体双相区的控制轧制以及临界区的中温弛豫处理、弛豫温度低于贝氏体转变开始温度时加速冷却，以此来获得具有细晶/超细晶多边形铁素体+粒状贝氏体双相组织，且形成典型的双峰结构，有力提高管线管的塑性。最后利用低温回火处理，获得少量的弥散分布的MA组织，进一步提高管线管强度，从而得到高强、高塑、高韧的综合力学性能。
本发明制得的双峰组织高应变海洋用管线管，具备优异的性能，特别是具有良好的塑性变形容量和良好的可焊性，能够满足深海地域对这种管线钢和管线管的使用要求。
附图说明
图1为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的金相图；
图2为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的MA岛透射图；
图3为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的金相图拉伸应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
合金成分：C：0.05％；Mn：1.69％；Si：0.21％；P：0.0059％；S：0.0026％；Al：0.023％；N：0.0038％；Nb：0.065％；Ti：0.015％；Mo：0.17％；Ni：0.23％；Cu：0.014％；余量为Fe和不可避免的杂质；碳当量0.17％。
制造工艺：上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，连铸成板坯，加热至约1200℃，保温8min，在1050℃粗轧，两道次轧制，压下率为51％，然后冷却至830℃轧制，两道次轧制，压下率为72％，轧制结束温度750℃，弛豫时间80s，入水冷却温度650℃，冷却至250℃，冷却速度20℃～30℃/s，再经过520℃中低温回火，回火时间20min，制成厚度约为29.6mm热轧钢板。钢板再经J-C-O-E成型，采用多道次直缝埋弧焊接，焊材采用含Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料，然后经0.6～0.8％扩径，制成直缝埋弧焊接管线管。
性能特点：本实施例生产的厚度约为29.6mm、管径为1016mm的高应变管线管，具有超细晶/细晶多边形铁素体+粒状贝氏体+M/A的复相组织，兼备高强度、高塑性、高韧性以及良好的焊接性，具有良好的塑性变形容量。管体横向屈服强度555-598MPa，抗拉强度684-690MPa，总延伸率27～35％，-20℃的夏比冲击韧性达到285～293J，-10℃的DWTT剪切面积85～92％，硬度215～236HV10，管体纵向屈服强度536～550MPa，抗拉强度663～674MPa，总延伸率29～42％，均匀延伸率7.2～9.3％，加工硬化率n值0.101～0.113。
实施例2
合金成分：C：0.06％；Mn：1.62％；Si：0.22％；P：0.009％；S：0.002％；Al：0.028；N：0.003％；V：0.04％；Ti：0.014％；Mo：0.099％；Ni：0.11％；Cr：0.022％；余量为Fe和不可避免的杂质；碳当量0.17％。
制造工艺：上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，连铸成板坯，加热至约1200℃，保温10min，在1100℃粗轧，两道次轧制，压下率为60％，然后冷却至810℃轧制，两道次轧制，压下率为65％，轧制结束温度730℃，弛豫时间100s，入水冷却温度620℃，冷却至150℃，冷却速度20℃～30℃/s，再经过550℃中低温回火，回火时间15min，制成厚度约为31.8mm热轧钢板。钢板再经J-C-O-E成型，采用多道次直缝埋弧焊接，焊材采用含Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料，然后经0.6～0.9％扩径，制成直缝埋弧焊接管线管。
性能特点：本实施例生产的厚度约为31.8mm、管径为559mm的高应变管线管，具有超细晶/细晶多边形铁素体+粒状贝氏体+M/A的复相组织兼备高强度、高塑性、高任性以及良好焊接性，具有良好的塑性变形容量和低的应变时效敏感性。管体横向屈服强度549～580MPa，抗拉强度685～692MPa，总延伸率28～37％，-20℃的夏比冲击韧性达到219～248J，-10℃的DWTT剪切面积87～93％，硬度206～233HV10，管体纵向屈服强度538～553MPa，抗拉强度671～680MPa，总延伸率30～41％，均匀延伸率9.8～11.3％，加工硬化率n值0.103～1.126。
实施例3：
合金成分：C：0.05％；Mn：1.67％；Si：0.20％；P：0.008％；S：0.0024％；Al：0.019％；N：0.003％；Nb：0.055％；Ti：0.015％；Mo：0.14％；Ni：0.15％；Cu：0.022％；Cr：0.2％；B：0.0002％，余量为Fe和不可避免的杂质；碳当量0.17％。
制造工艺：上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，连铸成板坯，加热至约1180℃，保温15min，在1120℃粗轧，两道次轧制，压下率为60％，然后冷却至850℃轧制，三道次轧制，压下率为75％，轧制结束温度700℃，弛豫时间150s，入水冷却温度640℃，冷却至200℃，冷却速度35℃/s，再经过450℃低温回火，回火时间30min，制成厚度约为24.1mm热轧钢板。钢板再经U-O-E成型，采用多道次直缝埋弧焊接，焊材采用含Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料，然后经0.8～1.2％扩径，制成直缝埋弧焊接管线管。
性能特点：本实施例生产的厚度约为24.1mm、管径610mm的X70大应变管线管，具有多边形铁素体+粒状贝氏体+M/A的复相组织，兼备高强度、高塑性、高韧性以及良好的焊接性，具有良好的塑性变形容量和低的应变时效敏感性。管体横向屈服强度529～541MPa，抗拉强度666～671MPa，总延伸率26～38％，-20℃的夏比冲击韧性达到243～295J，-20℃的DWTT剪切面积85～92％，硬度202～229HV10，管体纵向屈服强度536～546MPa，抗拉强度663～668MPa，总延伸率31～43％，均匀延伸率8.3～9.8％，加工硬化率n值0.106～0.123。
如图1，为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的金相图，由图中可以看出，组织由超细晶铁素体和细晶铁素体双峰组织和粒状贝氏体组织组成。
如图2，为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的MA岛透射图，由图中可以看出，在铁素体晶粒和贝氏体晶粒之间存在典型的MA岛组织。
如图3，为本发明的双峰组织高应变海洋用管线管的纵向拉伸应力应变曲线图，从图中可以看出，高应变海洋用管线管的纵向屈服强度为536MPa，抗拉强度668MPa，均匀延伸率为9.8％。

Claims (10)

1.一种双峰组织高应变海洋用管线钢，其特征在于，具有双峰多边形铁素体+粒状贝氏体双相结构辅以M/A组织形成的复相组织，以质量百分比计，其组成如下：C：0.04％～0.06％、Mn：1.50％～1.90％、Si：0.15％～0.25％、P≤0.005％、S≤0.003％、Al：0.005％～0.03％、N≤0.005％、第一强化成分和第二强化成分，余量为Fe；第一强化成分为Nb：0.004％～0.008％、V：0.01～0.03％和Ti：0.001％～0.025％中的一种或几种，且0.05％≤Nb+V+Ti≤0.10％；第二强化成分为Cr：0.10％～0.30％、Mo：0.08％～0.30％、Ni：0.10％～0.30％、Cu：0.10％～0.30％和B：0.0001％～0.0005％中的一种或几种；碳当量≤0.17。
2.一种双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将含有权利要求1所述成分的原材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理、炉外精炼和真空脱气，连铸成厚板坯；
S2：将厚板坯加热至1180～1200℃，保温；经粗轧、精轧后进行弛豫处理；
S3：在450～550℃下进行低温回火，冷却后得到管线钢。
3.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S2中，保温的时间为8～15min。
4.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S2中，粗轧的温度为1050～1120℃，采用多道次轧制。
5.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S2中，精轧开始温度为810℃～850℃，精轧终止温度为700℃～750℃，采用多道次轧制。
6.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S2中，弛豫开始温度为700～750℃，弛豫时间为80～150s，然后以20～35℃/s的冷却速度水冷至150～250℃。
7.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S3中，低温回火的时间为15～30min。
8.如权利要求2所述的双峰组织高应变海洋用管线钢的制造方法，其特征在于，S3中，冷却的方式为空冷。
9.采用如权利要求1所述的双峰组织高应变海洋用管线钢制备管线管的方法，其特征在于，包括：将含有权利要求1所述成分的钢板经J-C-O或U-O-E成型，进行直缝埋弧焊接，焊材采用含Ti-B的细晶粒针状铁素体低氧含量材料，经0.6％～1.2％扩径，得到管线管。
10.如权利要求9所述的采用双峰组织高应变海洋用管线钢制备管线管的方法制得的管线管，其特征在于，管体横向屈服强度529～598MPa，抗拉强度666～694MPa，总延伸率26～38％，-20℃的夏比冲击韧性达到219～295J，-10℃的DWTT剪切面积85～93％，硬度202～236HV10，管体纵向屈服强度536～553MPa，抗拉强度663～680MPa，总延伸率29～43％，均匀延伸率7.2～11.3％，加工硬化率n值0.101～0.126。
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