高強度高韌性x90厚壁無縫管線鋼管及其制造方法

專利名稱：高強度高韌性x90厚壁無縫管線鋼管及其制造方法
技術領域：
本發明屬于冶金工業的無縫鋼管制造技術，涉及一種適用于具有高強度高韌性 X90厚壁無縫管線鋼管及其制造方法。
背景技術：
隨著近海和深海油田的不斷開發，高鋼級、大口徑和大厚壁管線的需求量正逐步 增加。鋼級強度從早先的X52、X56、X60，發展到現在使用比較普遍的X65、X70鋼級，更高鋼 級的X80、X90鋼級已開始批量生產與供貨。對管線鋼級強度需求的不斷提高與海洋石油開 采技術的進步和開采環境的不斷嚴酷是密不可分的。最初開發的油田大多是靠近大陸架的 淺海油氣資源，水深從20、30米到100米左右，使用管線X52、X56、X60鋼級強度基本就可以 滿足要求；隨著近年來人類對油氣資源需求量的不斷增加，越來越多的深海油田不斷被開 發，例如墨西哥灣、北海、西非、中國南海以及巴西等深海油田水深都超過1000米，局部甚 至達到1500米，這么深的海洋油田，對海底管線管的壓力是相當巨大的，為了保證管線的 輸送安全，必須提高管線的鋼級強度和壁厚來保證管子抗深海水壓外擠的能力。例外，為了 提高效率，油氣管道越來越多采用高壓、大內徑來輸送以提高油氣資源的輸送效率，這樣也 要求管線的鋼級強度不斷提高，壁厚不斷增加來保證管線的使用安全性。隨著墨西哥灣漏油事件的發生，使得人類對海上油田管線安全性能越來越重視， 無縫管有著焊管無法替代的優勢。由于無縫管管體沒有整體的焊縫，安全性較焊管更高。海上鉆井平臺和采油平臺不斷向深海發展，使用更高鋼級的管線可以相對節省鋼 材使用量，減輕海油平臺自身重量，提高平臺使用效率。由于管線服役環境復雜多變，從管線使用安全性考慮，要求生產出來的無縫管線 不僅要有高的屈服強度和抗拉強度，還要求有良好的低溫沖擊韌性和較低的韌脆轉變溫 度；此外由于無縫管線都需要焊接連接，還要求鋼管具有較好的焊接性能，因此碳當量有嚴 格的控制；長期在海洋的復雜環境中使用，要求管線還需具備較好的抗海水腐蝕的能力以 及反復多次承受洋流沖擊的抗疲勞性能。在環境保護日益受到重視，低碳經濟不斷成為全球經濟發展熱點話題的今天，為 提高管道輸送效率，降低能耗，減少投資和運營費用，長距離輸送管線向高壓、大口徑、厚壁 發展已成趨勢。高強度高韌性厚壁無縫管線鋼的主要關鍵點在于由于碳當量較低，厚壁管線的 淬透性難以得到保證，極易造成心部組織與外表面不一致，由此帶來性能不合格，沖擊性能 不好以及焊接性能不好等諸多問題。其次，由于管線規格較多較雜，對于同一個鋼級來說， 壁厚可能從12mm到50mm不等，壁厚值差別巨大，在熱處理淬火過程中冷卻速度的差異也較 大。因此對于同一個鋼級來說，不同的壁厚值應該采用不同的合金成分設計，這樣才能保證 良好的淬透性以及生產成本的經濟性。在現今 已有的X70、X80管線產品中，涉及焊管產品的居多，無縫管的較少。而專 門針對X90的大壁厚的無縫管產品目前還沒有，但隨著石油開采不斷向惡劣環境發展的趨勢，加之深海蘊藏著豐富的油氣資源，高強度高韌性X90厚壁無縫管線的使用前景將會越來越廣闊。

發明內容
為解決上述技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種高強度高韌性X90厚壁 無縫管線鋼管及其制造方法，滿足開采深海油田的需要。通過該方法制造的無縫管線管能 達到API 5L的X90鋼級。為實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種高強度高韌性X90厚壁無縫 管線鋼管，該鋼管成分的組成元素的重量配比為c:0. 08 0. 12%, Si 0. 20 0. 32%, Mn 1. 25 1. 35%,P 彡 0. 015%,S ^ 0. 010%,Al 0. 016 0. 042%,Nb 0. 03 0. 05%, V 0. 05 0. 07%, Cu 0. 12 0. 18%, Ca 0. 010 0. 045%，此外，該鋼種的 Cr、Mo 和 Ni
元素的含量根據鋼管的壁厚值來確定當 12 彡壁厚彡 20mm 時，[Cr] = 0. 10% +tXO. 0020%,[Mo]、[N i] = 0. 15% +tXO. 0030% ；當 20 <壁厚彡 50mm 時，[Cr] = 0. 10% +tXO. 0025%,[Mo]、[N i] = 0. 15% +tXO. 0035% ；其中t為鋼管的壁厚以毫米為單位的數值，其余為鐵及微量雜質元素。本發明還提供軋制高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管的制造方法。本發明的有益效果是采用微合金化技術，適合壁厚50mm以內的厚壁鋼管的生產， 管體整體組織為均勻的回火貝氏體組織，碳當量低，焊接性能良好，低溫沖擊性能優良，滿 足深海或者其他寒冷天氣對厚壁管線的要求，提高水冷卻時鋼的淬透性，提高了管線的機 械性能。最終調質處理后的成品管屈服強度彡625MPa，延伸率彡20%，-40°C橫向全尺寸夏 比沖擊功> 150J，縱向沖擊功> 160J，沖擊斷口平均剪切面積> 90%。
具體實施例方式結合實施例對本發明的高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管及制造方法加以說 明。本發明的高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管，鋼管組成元素的重量配比為C 0. 08 0. 12%, Si 0. 20 0. 32%, Mn 1. 25 1. 35%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 010%, Al 0. 016 0. 042%,Nb 0. 03 0. 05%,V 0. 05 0. 07%,Cu 0. 12 0. 18%，此外，該鋼中 的Cr、Mo和M元素的含量根據鋼管的壁厚值來確定當12彡壁厚彡20mm時， [Cr] = 0. 10% +tX0. 0020% ； [Mo]，[Ni] = 0. 15% +tXO. 0030% ；當20 <壁厚彡50mm時，[Cr] = 0. 10% +tX0. 0025% ； [Mo]，[Ni] = 0. 15% +tXO. 0035% ；其中t為鋼管的壁厚以毫米為單位的數值。其余為鐵，雜質元素微量。對主要組成成分選取理由如下碳是傳統的強化元素，具有成本低、調控敏感性好的優點。但含量偏高也有對鋼 的焊接性能、力學性能及抗氫致裂紋(HIC)性能產生負面影響的缺點。此外碳和鋼的強度匹配關系也尤為重要，因含碳量的高低與鋼的強度成正比關系，但鋼的沖擊韌性則明顯降 低，滿足不了對鋼高強度高韌性的要求。良好的焊接性能是輸氣管線所必需具備的性能，碳 低則相應的焊接性能良好。綜合考慮各方面的因素，碳含量控制在0. 12%以下。
錳在鋼中以固溶強化作用為主。多年的科研和生產實踐表明，在微合金結構鋼中 錳含量多少和強度成正比關系，其沖擊韌性下降率較小，還不影響其脆性轉變溫度。根據管 線鋼技術要求，本設計的管線鋼錳含量確定為1. 25 1. 35%。鈮是本鋼中重要微合金化元素。其提高強度的機理是細晶強化和沉淀強化，細化 晶粒，提高強度但不降低鋼的低溫沖擊韌性，通過析出物的釘扎作用，阻止奧氏體在軋制過 程的晶粒長大。但鈮降低鋼的高溫熱塑性從而增加了含鈮鋼鑄坯的熱裂傾向。根據軋制鋼 管的需要，鈮含量控制在0. 03 0. 05%范圍。釩釩在軋制過程中應變誘導析出的V(C，N)可阻止形變奧氏體的再結晶，并可阻 止再結晶奧氏體晶粒的粗化，但這種作用隨鋼中氮含量的降低而減弱，普通氮含量的釩微 合金鋼在800°C以下溫度會產生較為明顯的沉淀強化作用。釩最重要的作用是在鐵素體中 大量沉淀析出而產生強烈的沉淀強化效果，即使在正火鋼材中這一作用也十分明顯。為此 本鋼種設計V的含量為0. 05 0. 07%。鉻本鋼的主要合金元素，推遲奧氏體冷卻過程中的珠光體形成，提高鋼的淬透 性，同時可以細化晶粒度，提高調質處理以后鋼的強度和韌性；但是過多的Cr含量會對焊 接性能產生不良影響。在本發明中，Cr的含量控制在0. 12 0. 23%之內。鉬是本鋼的主要合金元素，推遲奧氏體向鐵素體相變時析出鐵素體形成，促進貝 氏體的形成的主要元素，對控制相變組織起到重要作用，在向鋼中加入0. 18 0. 33%的Mo 后，即使在較慢的冷卻速度下也可以獲得明顯的貝氏體組織，同時由于相變向低溫方向轉 變，可以使得組織進一步細化。銅鎳Cu 0. 12 0. 18%，Ni 0. 18 0. 33%，由于厚壁管線的使用環境主要在海 洋使用，加入銅可以提高合金鋼的強度和耐腐蝕性，為了避免由于銅的偏聚引起的熱脆現 象，加入相應比例的Ni來減小Cu的偏聚，此外，Ni元素還可以提高厚壁管線的淬透性和改 善鋼材低溫沖擊性能。此外，為了控制鋼種的夾雜物，還進行了鈣處理，為了提高鋼的抗腐蝕性能和低溫 韌性，控制S < 0. 004%，P < 0. 012%，成品管中氮含量小于80ppm，氧含量小于25ppm，氫 含量小于lppm。高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管的制造方法，其步驟包括有①配料冶煉、連鑄按上述鋼管成分組成元素重量為C 0. 08 0. 12%, Si 0. 20 0. 32%, Mn 1. 25 1. 35%，P 彡 0. 015%，S 彡 0. 010%, Al 0. 016 0. 042%, Nb 0. 03 0. 05%，V 0. 05 0. 07%，Cu :0. 12 0. 18%，此外，該鋼中的Cr、Mo和Ni元素的含量根據鋼管的壁
厚值來確定當12彡壁厚彡20mm時，[Cr] = 0. 10% +tX0. 0020% ； [Mo]，[Ni] = 0. 15% +tXO. 0030% ；當20 <壁厚彡50mm時，[Cr] = 0. 10% +tX0. 0025% ； [Mo]，[Ni] = 0. 15% +tXO. 0035% ；
其中t為鋼管的壁厚以毫米為單位的數值； 其余為鐵，雜質元素微量。按上述鋼管成分組成元素重量配料冶煉，電爐煉鋼，精煉完后的鋼水經過VD真空 脫氣，脫氣時間15 18分鐘，然后喂入CaSi絲深度脫氧及夾雜物球化，喂絲結束后攪拌時 間6 8分鐘，攪拌結束再鎮定12分鐘后上連鑄平臺進行連鑄鑄坯；②軋制檢驗合格后的定尺連鑄坯在環形加熱爐內加熱，加熱爐爐溫控制為1260 1320°C，穿孔溫度控制為1100 1200°C，終軋溫度900 950°C軋制鋼管；冷卻，鋸切。③調質熱處理采用淬火后再回火的熱處理工藝，先將軋制的鋼管加熱至完全奧氏體化溫度AC3 以上20°C 25°C，然后穩定保溫30 68分鐘，30分鐘是壁厚為12毫米的鋼管的保溫時 長，壁厚每再增加一毫米，保溫時間增加一分鐘。出爐后水冷淬火，控制水量和水溫，確保鋼 管在45秒鐘之內從奧氏體狀態冷卻到室溫，然后再入回火爐保溫處理，鋼管在回火溫度下 穩定保溫54 130分鐘，54分鐘是壁厚為12毫米的鋼管的保溫時長，壁厚每再增加一毫 米，保溫時間增加兩分鐘。回火溫度T°C= (11420-12Y)/7，式中Y為鋼管的目標屈服強度 以MPa為單位的數值；所述厚壁無縫管線管經過調質熱處理后達到如下性能要求屈服強度彡625MPa夏比V型沖擊韌性-40°C縱向全尺寸夏比沖擊功彡160J，-40°C橫向全尺寸夏比沖擊功彡150J，單個剪切面積彡80%，平均彡90%，延伸率彡20%，晶粒度8. 5級。實施例采用本發明方法生產不同壁厚的管線鋼的實際合金成分如表1 表1化學成分
權利要求
1.一種高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管，該鋼管成分的組成元素的重量配比為 C 0. 08 0. 12%,Si 0. 20 0. 32%,Mn :1. 25 1. 35%,P 彡 0. 015%,S ^ 0. 010%,Al 0.016 0.042%，Nb :0. 03 0. 05%，V :0. 05 0. 07%，Cu :0. 12 0. 18%，C a :0. 010 0. 045%，此外，該鋼種的Cr、Mo和Ni元素的含量根據鋼管的壁厚值來確定當 12 彡壁厚彡 20mm 時，[Cr] = 0. 10% +tXO. 0020%,[Mo]、[Ni] = 0. 15% +tXO. 0030% ；當 20 <壁厚彡 50mm 時，[Cr] = 0. 10% +tXO. 0025%,[Mo]、[Ni] = 0. 15% +tXO. 0035% ；其中t為鋼管的壁厚以毫米為單位的數值，其余為鐵及微量雜質元素。
2.根據權利要求1所述的高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管的制造方法，包括以下 步驟①按上述鋼管組成元素重量成分配料冶煉，電爐煉鋼，精煉完后的鋼水經過VD真空脫 氣，脫氣時間15 18分鐘，然后喂入CaSi絲深度脫氧及夾雜物球化，喂絲結束后攪拌時間 6 8分鐘，攪拌結束再鎮定12分鐘后上連鑄平臺進行連鑄鑄坯；②軋制鑄坯經檢驗合格后的定尺連鑄坯在環形加熱爐內加熱，加熱爐爐溫控制為1260 1320°C，穿孔溫度控制為1100 1200°C，終軋溫度900 950°C軋制鋼管；③調質熱處理采用淬火后再回火的熱處理工藝，先將軋制的鋼管加熱至完全奧氏體化溫度AC3以上 20°C 25°C，然后穩定保溫30 68分鐘，30分鐘是鋼管壁厚為12毫米的鋼管的保溫時 長，鋼管壁厚每再增加一毫米，保溫時間增加一分鐘，出爐后水冷淬火，控制水量和水溫，確 保鋼管在45秒鐘之內從奧氏體狀態冷卻到室溫，然后再入回火爐保溫處理，鋼管在回火溫 度下穩定保溫M 130分鐘，M分鐘是壁厚為12毫米的鋼管的保溫時長，鋼管壁厚每再增 加一毫米，保溫時間增加兩分鐘，回火溫度T°C = (11420-12Y) /7，式中Y為鋼管的目標屈服 強度以MI^為單位的數值；所述厚壁無縫管線鋼管經過調質熱處理后達到如下性能要求屈服強度彡625MPa夏比V型沖擊韌性-40°C縱向全尺寸夏比沖擊功彡160J, -40°C橫向全尺寸夏比沖擊功彡150J, 單個剪切面積彡80%，平均彡90%,延伸率^ 20%,晶粒度8. 5級。
全文摘要
本發明提供高強度高韌性X90厚壁無縫管線鋼管及其制造方法，該鋼種的組成元素的重量配比為C0.08～0.12％，Si0.20～0.32％，Mn1.25～1.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al0.016～0.042％，Nb0.03～0.05％，V0.05～0.07％，Cu0.12～0.18％，該鋼中的Cr、Mo和Ni元素的含量根據鋼管的壁厚值來確定，其余為鐵，雜質元素微量。還提供一種該無縫管線鋼的軋制、熱處理的生產方法。有益效果是采用微合金化技術，適合壁厚50mm以下的厚壁管線的生產，管體整體組織為均勻的回火貝氏體組織，碳當量低，焊接性能良好，低溫沖擊性能優良，滿足深海或者其他寒冷天氣對厚壁管線的要求，提高水冷卻時鋼的淬透性，提高了管線的機械性能。
文檔編號C21D9/08GK102051527SQ20101054637
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月16日 優先權日2010年11月16日
發明者劉江成, 史慶志, 周家祥, 周曉峰, 宗衛兵, 張傳友, 李效華, 江勇 申請人:天津鋼管集團股份有限公司