一種高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板及其制備方法與流程

本發明涉及材料、冶金，更具體地，涉及一種高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板及其制備方法。

背景技術：

1、隨著人類經濟和社會活動對能源需求的增長，石油和天然氣的需要量持續增加，僅依靠陸地油氣資源已經不能滿足相應需求，因而，海洋油氣資源的開發日益受到重視。據國際權威機構分析，未來全球油氣可采儲量中海洋油氣資源占約63％，其中，深海油氣資源占43％。海洋油氣資源的開發成為石油和天然氣行業的主要經濟增長點。因此，迫切需要研制海洋特別是深海油氣開發用關鍵設備和材料。

2、立管系統是海上油氣平臺與水下生產系統之間的連接通道，在海洋油氣開發中起著至關重要的作用。鋼懸鏈線立管由于其結構形式簡單、經濟性高等優點，已逐漸成為海洋油氣開發的首選立管形式。立管長期服役于海洋環境，服役溫度低，受到海流、浪涌、平臺運動、海床運動和管內流體運動產生的復雜載荷作用，還會長期受到海水和內部輸送介質腐蝕；同時，立管在鋪設過程中，尤其是深海鋪設時，可能面臨較大的變形，因而，要求海洋立管必須具有高強度、低溫韌性、高疲勞性能、耐腐蝕性、抗應變性和良好的焊接性能等綜合性能。

3、國內外對鋼懸鏈立管用鋼有一些相關研究，經檢索發現了部分專利和文獻，但其所記載的內容與本發明技術方案所述成分、生產方法、性能、微觀組織設計等方面存在明顯差異。專利ep17833981a公開了一種高強度無縫鋼管及立管，采用高c(0.10％～0.18％)、高ni、mo、cu合金設計，合金成本高，可焊性低，還需采用調質工藝生產，制造工序多。專利cn110106439a公開了一種x65級海洋立管用鋼板，成分中采用較高的nb、ni，成本高，組織采用鐵素體組織，抗應變能力和斷裂強度不足。專利cn116555670a公開了一種海洋立管用鋼，同樣合金含量較高，而且，要求粗軋最后2-3道次累計變形大于50％，對寬厚鋼板而言，工業化實現難度大，對設備能力要求高。專利cn114763593a公開了一種海洋工程用鋼，采用高ni、cr設計和軋制+調質工藝，成本高，制造周期長。

4、綜上，現有技術對高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，特別是兼具高強度、低溫韌性、高疲勞性能、耐腐蝕性、抗應變性和良好的焊接性能等綜合技術特征的海洋油氣開采立管用寬厚鋼板及其生產技術的研究尚有不足。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，解決高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板高強度、高韌性、高疲勞性能、耐腐蝕性、抗應變性和良好的焊接性能等綜合技術特征匹配的難題，打破該產品傳統的高nb、高合金設計思路，提供一種厚度≥25mm，高強度、高韌性、高疲勞性能以及良好的耐腐蝕性、抗應變性和焊接性的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板及其制備方法，適于制作高性能海洋油氣開采直縫焊接立管。

2、為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

3、一種高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，其特征在于，包括以下重量百分比的組分：c：0.025％～0.060％、si：0.20％～0.50％、mn：0.80％～1.40％、nb：0.010％～0.035％、v≤0.080％、ti：0.005％～0.020％、ni：0.01％～0.10％、mo＜0.15％、cr：0.10％～0.40％、cu＜0.15％、zr≤0.025％、al：0.005％～0.025％、n:0.0040％～0.010％、ca：0.0015％～0.0040％、ca/s≥1.6、p≤0.010％、s≤0.002％、h≤0.00015％、o≤0.0018％，且(nb+v)：0.030％～0.105％、ti/n≤2.5、((cr/1.8)+mo)≥0.15％，以及余量為鐵和不可避免的雜質。

4、本發明還公開了一種如上述的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板的制備方法，其特征在于，包括：轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄工藝、加熱工藝、軋制工藝和冷卻工藝；所述軋制工藝中，將加熱后的連鑄坯依次經粗軋和精軋；粗軋包括粗軋一段、中間冷卻和粗軋二段；粗軋開軋溫度為1070℃～1130℃，粗軋終軋溫度為980℃～1030℃；粗軋一段最后2道次～3道次、中間冷卻和粗軋二段均采用快速噴淋水冷卻；粗軋二段開始溫度＜1050℃，總變形率≥30％，每道次變形率≥15％且逐道遞增，粗軋軋制速度1.0m/s～1.8m/s；粗軋結束后將中間待溫坯快速冷卻至860℃～920℃，然后待溫至精軋開軋溫度800℃～860℃，精軋終軋溫度為740℃～780℃，精軋階段變形率60％～80％，800℃以下的總變形率≥15％。

5、實施本發明實施例，將具有如下有益效果：

6、(1)本發明成分中采用低nb、mo、mn設計，促進加速冷卻前多邊形鐵素體相變，保證其在微觀組織中的比例，同時，提高合金經濟性。通過mo、cr的復合控制，提升強度，控制屈強比。利用nb、v、n復合添加和al、ti的控制，為nb、v的碳氮化物析出提供了良好的條件，促進晶粒細化和細小析出形成，發揮氫陷阱效果，實現對強化、相變、微觀組織和鋼板性能及焊后性能的有利影響，提高強度、耐蝕性和焊接性。通過添加zr、ca等元素控制夾雜物，降低對疲勞性能的不利影響。另外，通過降低p、s、h、o含量和控制連鑄坯質量等提高韌性、耐蝕性和抗疲勞能力；配以與合金成分相匹配的冶煉、加熱、軋制和冷卻等生產工藝解決了高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板高強度、高韌性、高疲勞性能、耐腐蝕性、抗應變性和良好的焊接性能等綜合技術特征匹配的難題。

7、(2)在本發明成分設計的基礎上采用低溫加熱、粗軋多階段厚度截面高溫度梯度形變+低溫軋制、粗軋結束后中間待溫坯快速冷卻、精軋低溫變形和多階段水冷等生產方法獲得了多邊形鐵素體+板條貝氏體、還可以包括少量粒狀貝氏體的微觀組織以及彌散分布的細小析出，各相比例、析出相大小與分布控制理想，對鋼板獲得良好的綜合性能發揮了重要作用。

8、(3)本發明的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板的厚度≥25mm，橫向屈服強度可達到430-530mpa，橫向抗拉強度達到570-660mpa，橫向屈強比＜0.79，-60℃橫向沖擊功均值≥250j，-40℃橫向dwtt剪切面積≥85％，焊接熱影響區-20℃橫向沖擊功均值≥200j；縱向屈服強度可達到400-500mpa，縱向抗拉強度達到550-640mpa，縱向均勻延伸率uel≥12％，縱向屈強比＜0.78，縱向應變硬化指數≥0.12，107周次疲勞強度≥300mpa，抗hic腐蝕性能滿足經96小時nace標準a溶液腐蝕clr≤15％、ctr≤5％，csr≤2％，抗sscc腐蝕性能滿足72％應力加載條件下經720小時飽和h2s溶液浸泡不發生斷裂及10倍放大觀察下無可視裂紋；所制海洋立管滿足x60、x65級等要求。

技術特征：

1.一種高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，其特征在于，包括以下重量百分比的組分：c：0.025％～0.060％、si：0.20％～0.50％、mn：0.80％～1.40％、nb：0.010％～0.035％、v≤0.080％、ti：0.005％～0.020％、ni：0.01％～0.10％、mo＜0.15％、cr：0.10％～0.40％、cu＜0.15％、zr≤0.025％、al：0.005％～0.025％、n:0.0040％～0.010％、ca：0.0015％～0.0040％、ca/s≥1.6、p≤0.010％、s≤0.002％、h≤0.00015％、o≤0.0018％，且(nb+v)：0.030％～0.105％、ti/n≤2.5、((cr/1.8)+mo)≥0.15％，以及余量為鐵和不可避免的雜質。

2.根據權利要求1所述的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，其特征在于，所述鋼板ceiiw為0.31％～0.38％，cepcm為0.13％～0.16％，其中，

3.根據權利要求1所述的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，其特征在于，所述鋼板的顯微組織為多邊形鐵素體和貝氏體；

4.根據權利要求1所述的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板，其特征在于，所述鋼板的厚度≥25mm；所述鋼板的橫向屈服強度為430mpa～530mpa，橫向抗拉強度為570mpa～660mpa，橫向屈強比＜0.79，-60℃橫向沖擊功均值≥250j，-40℃橫向dwtt剪切面積≥85％，焊接熱影響區-20℃橫向沖擊功均值≥200j；縱向屈服強度為400mpa～500mpa，縱向抗拉強度為550mpa～640mpa，縱向均勻延伸率uel≥12％，縱向屈強比＜0.78，縱向應變硬化指數≥0.12，107周次疲勞強度≥300mpa，抗hic腐蝕性能滿足經96小時nace標準a溶液腐蝕clr≤15％、ctr≤5％，csr≤2％；抗sscc腐蝕性能滿足72％應力加載條件下經720小時飽和h2s溶液浸泡不發生斷裂及10倍放大觀察下無可視裂紋。

5.一種如權利要求1-4中任意一項所述的高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板的制備方法，其特征在于，包括：轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄工藝、加熱工藝、軋制工藝和冷卻工藝；

6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述轉爐冶煉中，轉爐出鋼溫度≤1640℃，c≤0.040％，擋渣出鋼，渣層厚度≤35mm；按照4/1～5/1的比例加入石灰和螢石造頂渣，控制渣中feo+mno重量百分比≤1％。

7.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述爐外精煉中，將轉爐冶煉得到的鋼水進行精煉脫氧后，依次加入ti、zr和v調節鋼水成分。

8.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述連鑄工藝中，鋼水精煉后連鑄前鎮靜時間≥10min；連鑄坯澆注過熱度10℃～40℃，澆注時鋼水中間包停留時間≥350s，鑄坯動態輕壓下量≥4mm；連鑄采用恒拉速，拉速為0.6m/min～1.5m/min，連鑄坯中心偏析≤c0.5級，中心疏松≤0.5級，a類夾雜物、b類夾雜物、c類夾雜物和d類夾雜物控制在1級以內。

9.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述加熱工藝中總加熱時間為1.0min/mm～1.8min/mm，出爐溫度為1100℃～1170℃。

10.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述冷卻工藝中，將軋后鋼板預矯直后進行兩階段冷卻，開始水冷溫度為690℃～740℃，水冷結束溫度為100℃～250℃，水冷集管共15組，水冷時前5組～7組上集管水量為350l/m2*min～550l/m2*min，其余上集管水量為150l/m2*min～330l/m2*min。

技術總結
本發明公開了一種高性能海洋油氣開采立管用寬厚鋼板及其制備方法，鋼板包括：C：0.025％～0.060％、Si：0.20％～0.50％、Mn：0.80％～1.40％、Nb：0.010％～0.035％、V≤0.080％、Ti：0.005％～0.020％、Ni：0.01％～0.10％、Mo＜0.15％、Cr：0.10％～0.40％、Cu＜0.15％、Zr≤0.025％、Al：0.005％～0.025％、N:0.0040％～0.010％、Ca：0.0015％～0.0040％、Ca/S≥1.6、P≤0.010％、S≤0.002％、H≤0.00015％、O≤0.0018％，余量為鐵和不可避免的雜質。

技術研發人員：張帥,任毅,王爽,高紅,王復越,張哲睿,付成哲
受保護的技術使用者：鞍鋼股份有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21