專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于管線用鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼及其制造方法。應(yīng)用本發(fā)明制備的管線鋼可以應(yīng)用于極地、凍土帶、地震帶以及海底等采用X80及其以上鋼級(jí)的管線管用鋼材。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，能源結(jié)構(gòu)的變化以及對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，極大地促進(jìn)了新油氣資源的勘探與開(kāi)采。目前發(fā)現(xiàn)的大儲(chǔ)量油田和天然氣田多分布在極地、凍土帶、地震帶以及深海等特殊地質(zhì)條件區(qū)域。在這些區(qū)域地層或海底洋流的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)，管線鋼不但要承受較高的內(nèi) 壓，同時(shí)還必須具有相當(dāng)高的變形能力和應(yīng)變強(qiáng)化能力，以承受由于地質(zhì)斷層相對(duì)運(yùn)動(dòng)、地震波傳播、土層液化、海底暗流引起的軸向壓縮變形及彎曲變形。顯然，經(jīng)由該類(lèi)地區(qū)的管道失效不再由應(yīng)カ控制，而由應(yīng)變控制，單純的高強(qiáng)度高韌性并不能確保管線的安全，管線鋼還應(yīng)具有很好的抗大應(yīng)變能力。基于此，管道用鋼選材設(shè)計(jì)上應(yīng)該用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法代替基于應(yīng)カ的設(shè)計(jì)方法。基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的管線用鋼，除了橫向性能(如強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、延伸率、沖擊功、落錘剪切面積等)滿足基于應(yīng)カ設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)外，還對(duì)其縱向性能的抗大應(yīng)變能力做出了嚴(yán)格規(guī)定。表征抗大應(yīng)變能力的典型參數(shù)有高均勻延伸率(UEL > 10% )，低屈強(qiáng)比(Y/T ^ O. 85)以及無(wú)屈服平臺(tái)(圓屋頂型)的應(yīng)カ應(yīng)變曲線?；趹?yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的管線用鋼是管線鋼發(fā)展最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。目前，國(guó)內(nèi)采用TMCPエ藝生產(chǎn)高強(qiáng)度高韌性的管線鋼已經(jīng)基本成熟，特別是“西氣東輸”等一系列國(guó)家重點(diǎn)工程的實(shí)施，X80管線鋼得到大規(guī)模的應(yīng)用。但是，目前的X80級(jí)別管線鋼都為典型的少珠光體或針狀鐵素體組織，這樣的組織類(lèi)型對(duì)應(yīng)的鋼板性能具有很好的強(qiáng)度和韌性匹配，但是其塑性不足，均勻變形延伸率UEL不大于10%，屈強(qiáng)比大都在O. 85以上，有的甚至達(dá)到O. 92。采用傳統(tǒng)TMCPエ藝生產(chǎn)的管線鋼，不能滿足基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法的選材標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的管線鋼的研究國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道，但是存在如下問(wèn)題如專(zhuān)利US5545270A和US5531842提供了 X80及其以上級(jí)別雙相管線鋼的成分與制造方法，兩個(gè)專(zhuān)利都添加了 Mo、V元素，且需要對(duì)鋼坯進(jìn)行三階段軋制，兩次中間坯軋制待溫，延長(zhǎng)了軋制時(shí)間降低了生產(chǎn)效率，另外，需要在兩相區(qū)軋制，軋制溫度低軋制抗カ大，對(duì)軋機(jī)能力要求高。專(zhuān)利W02009119570和W02009119579提供了 X70及其以上級(jí)別基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的UOE鋼管及其制備方法，鋼中添加了 V，且其均勻延伸率UEL不大于10%。專(zhuān)利W02009125863提供了ー種X80及其以上級(jí)別雙相管線用鋼制備方法，其鋼中添加了 B、W、Zr、Ta、Mg等兀素。專(zhuān)利 JP2009161824、JP2009174020、論文 Development of a high-deformabiIitylinepipe with resistance to strain-aged hardening by HOP(heat-treatment on-lineprocess), JFE Technical Report No. 12 (Oct. 2008),都涉及到 X80 大應(yīng)變管線鋼的成分、エ藝與性能，但其抗大應(yīng)變特征的獲得，均得益于后續(xù)的HOPエ藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種能滿足地質(zhì)條件惡劣地帯油氣資源開(kāi)發(fā)的需要、保證長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)營(yíng)、不添加貴金屬M(fèi)o、不使用HOP等熱處理工藝的基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼及其制備方法。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的該基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼的成分重量百分比為C O. 06% -O. 10%, Si O. I % -O. 6 %, Mn I. O % -2. O %, P ^ O. 015 %, S ^ O. 003 %, CrO. 1% -O. 3%,Nb O. 01% -O. 10%,Ti O. 005% -O. 03%,A10. 01% -O. 06%,N く O. 012%,Cu和Ni中的ー種或兩種，其中Cu 0-0. 5%, Ni 0-0. 5%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼的制造方法包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，所述的熱軋エ藝板坯加熱溫度為1050-1280°C，再結(jié)晶區(qū)控制軋制溫度為900-1250°C，非再結(jié)晶區(qū)控制軋制溫度為750-950°C，開(kāi)始冷卻溫度為680-800°C，終止冷卻溫度為100-500°C，冷卻速度為5-35°C /s?！?br> 本發(fā)明為了獲得滿足基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)要求的管線用鋼，進(jìn)行了全新的成分與エ藝設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)X80相比，本發(fā)明采用較高的碳含量、少量的有選擇性添加Cu、Ni、Cr等合金元素，并添加少量的Nb、Ti微合金元素，不添加Mo、V等合金元素的經(jīng)濟(jì)型成分設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的目標(biāo)組織為多邊形鐵素體與貝氏體的復(fù)相組織。多邊形鐵素體均勻延伸率高、貝氏體強(qiáng)度好，雙相組織可以同時(shí)獲得高均勻延伸、合適的強(qiáng)度、良好的韌性、高的應(yīng)變硬化指數(shù)與低的屈強(qiáng)比。本發(fā)明為了充分發(fā)揮不同合金組元的作用，進(jìn)ー步優(yōu)選了 Mn、Cr、Cu、Ni四類(lèi)合金元素的添加方式Cu、Ni元素共同添加時(shí)，優(yōu)選等比例添加且添加總量不超過(guò)O. 5% ;限制Mn的含量可以提高鐵素體的析出溫度，提高軋制效率，為了保證必要的性能需求，優(yōu)選Cr的添加需要滿足關(guān)系式O. 25彡([Mn]/10)+ [Cr] <0.45。優(yōu)選后的合金元素添加方式，在保證性能的前提下，使合金料成本得到有效控制。本發(fā)明中基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)用管線用鋼的主要組成成分的作用如下C :鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對(duì)提高鋼的強(qiáng)度有明顯作用，但是提高C含量對(duì)鋼的延性、韌性和焊接性有負(fù)面影響，為此，本發(fā)明將C含量上限設(shè)定為O. 10wt%。近代管線鋼的發(fā)展過(guò)程是不斷降低C含量的過(guò)程。降低C含量一方面有助于提高鋼的韌性，另ー方面可改善鋼的焊接性能。當(dāng)C含量過(guò)低時(shí)，不能充分發(fā)揮Nb等元素的沉淀強(qiáng)化作用，本發(fā)明將C含量下限設(shè)定為O. 06wt%。Si :加入Si是為了煉鋼過(guò)程中脫氧與提高基體的強(qiáng)度。如果添加過(guò)量的Si，母材的焊接熱影響區(qū)的韌性就會(huì)顯著降低，野外焊接施工性能也會(huì)變差。因此，Si含量在本發(fā)明中含量設(shè)定為O. 1-0. 6wt%。Mn :通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，是管線鋼中補(bǔ)償因C含量降低而引起強(qiáng)度損失的最主要且最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素。Mn還是擴(kuò)大Y相區(qū)的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為了保證強(qiáng)度與低溫韌性之間的平衡，Mn的最低含量設(shè)定為I. 0wt%。提高M(jìn)n的含量，鋼的可淬透性増加，含量増加到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致焊接性能下降尤其是嚴(yán)重惡化焊接熱影響區(qū)的韌性。另外，過(guò)高的Mn含量還會(huì)增加連鑄坯中心偏析，使鋼板性能的各向異性增加，降低鐵素體析出溫度從而增加了軋制時(shí)間。因此，本發(fā)明的Mn含量上限設(shè)計(jì)為2. 0wt%。
Nb:是現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，對(duì)晶粒細(xì)化的作用十分明顯。通過(guò)熱軋過(guò)程中NbC應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，經(jīng)過(guò)控制軋制和控制冷卻使非再結(jié)晶區(qū)軋制的形變奧氏體組織在相變時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的相變產(chǎn)物，以使鋼具有高強(qiáng)度和高韌性。本發(fā)明就是配合C含量添加適量Nb發(fā)揮NbC的作用，本發(fā)明選取Nb含量范圍 O. 01-0. IOwt % οTi :是強(qiáng)的固N(yùn)元素，Ti/N的化學(xué)計(jì)量比為3. 42，利用O. 01wt%左右的Ti就可固定鋼中30ppm左右的N，在板坯連鑄時(shí)可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的TiN粒子可有效地抑制板坯再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。當(dāng)Als的含量過(guò)低(如低于O. 005wt% ) ,Ti會(huì)形成氧化物，這些內(nèi)生質(zhì)點(diǎn)可以起到晶內(nèi)鐵素體形核核心的作用，細(xì)化焊接熱影響區(qū)組織。為了獲得這ー效果，至少要添加O. 005wt% Ti。當(dāng)Ti添加量超過(guò)某一定值，TiN顆粒就會(huì)粗化，TiC的沉淀強(qiáng)化作用顯現(xiàn)，造成低溫韌性惡化。因此，本發(fā)明選取Ti含量范圍O. 005-0. 03wt%。Al A1的存在通常是作為鋼中的脫氧劑，也有細(xì)化組織的作用。但是，當(dāng)Al的含量超過(guò)O. 06wt%，氧化鋁非金屬夾雜的量増加從而降低鋼的潔凈度。Al含量過(guò)低脫氧不充 分，Ti等元素就會(huì)形成氧化物，因此Al含量下限為O. 01wt%。Cr :是擴(kuò)大Y相區(qū)，推遲Y — α相變時(shí)先析出鐵素體形成、促進(jìn)針狀鐵素體形成的主要元素，對(duì)控制相變組織起重要作用，在一定的冷卻條件和終軋溫度下超低碳管線鋼中加入，就可獲得明顯的針狀鐵素體及貝氏體組織，同時(shí)因相變向低溫方向轉(zhuǎn)變，可使組織進(jìn)ー步細(xì)化，組織細(xì)化有利于低溫韌性的改善。為了獲得強(qiáng)度、塑性與韌性的合理搭配，本發(fā)明選取Cr含量范圍O. 1-0. 3wt%。Cu、Ni :可通過(guò)固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)Cu還可以改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對(duì)低溫韌性有益。在厚規(guī)格管線鋼中還可補(bǔ)償因厚度的增加而引起的水冷強(qiáng)度不足而造成的強(qiáng)度下降。本發(fā)明選取Cu (0-0. 5) wt %、Ni (0-0. 5)wt%0P、S :是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，希望越低越好。出于冶煉成本的考慮，又不能無(wú)限制的低。因此，本發(fā)明將P、S含量上限設(shè)定為O. 015wt%與O. 003wt%。通過(guò)超低S(小于30ppm)及Ca處理對(duì)硫化物進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，可使管線鋼具有高的沖擊韌性。為了保證較低的屈強(qiáng)比與較高強(qiáng)韌性的匹配，本發(fā)明除了選用雙相組織設(shè)計(jì)外，鋼板生產(chǎn)過(guò)程中還采用了兩階段控制軋制技術(shù)，其中第一階段軋制為再結(jié)晶區(qū)軋制，該階段至少三個(gè)道次的單道次變形量不小于15%，第二階段軋制為非再結(jié)晶區(qū)軋制，該階段的累積變形量不小于60%，鋼板軋后在層流冷卻過(guò)程中，采用指定的溫度范圍配合相應(yīng)的冷卻速度。本發(fā)明管線用鋼制造方法的具體熱軋エ藝步驟為a)對(duì)設(shè)定成分控制范圍內(nèi)的連鑄坯料清理后進(jìn)行均熱處理，溫度控制在1050-1280°C范圍內(nèi)；b)對(duì)出爐后的坯料進(jìn)行高壓水除磷處理，以去除坯料在加熱過(guò)程中所產(chǎn)生的氧化鐵皮；c)對(duì)除磷后的坯料立即進(jìn)行兩階段控制軋制，即再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制；
d)終軋后的鋼板進(jìn)行控冷弛豫至水冷開(kāi)始冷卻溫度范圍，期間15% -65%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄任鰤K狀鐵素體；e)對(duì)弛豫后的鋼板進(jìn)行層流冷卻，水冷后的鋼板空冷至室溫；在水冷過(guò)程中，剩余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，最終得到先共析鐵素體+貝氏體雙相組織。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)采用有選擇的添加Cu、Ni、Cr，不添加Mo、V與B等合金元素的經(jīng)濟(jì)型成分設(shè)計(jì)方案，有效地降低了生產(chǎn)成本；通過(guò)嚴(yán)格限制Mn含量，將先析鐵素體析出溫度提高20-100°C，顯著降低了水冷前的弛豫時(shí)間提高了軋制效率。(2)采用兩階段控制軋制的方法，即再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制。變形過(guò)程中，采用合適的變形溫度與變形量，使奧氏體晶粒得到有效細(xì)化；中間坯空冷待溫階段，鈮碳氮化物第二相析出明顯，奧氏體晶界得到有效釘扎，晶粒穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生明顯的晶粒粗化現(xiàn)象。·(3)終軋后，鋼板進(jìn)行空冷待溫，鋼板在入水層流冷卻前的溫度降低到相變點(diǎn)Ar3以下5-60°C，使鋼板中15% -65%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詢(xún)?yōu)良的多邊形鐵素體。(4)對(duì)待溫后的鋼板進(jìn)行層流冷卻，冷卻速度范圍控制在5_35°C /s,終冷溫度控制在100-500°C范圍內(nèi)，保證水冷過(guò)程中，剰余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，先析出的多邊形鐵素體不會(huì)明顯長(zhǎng)大，最終得到多邊形鐵素體+貝氏體雙相組織。(5)層流冷卻后的鋼板空冷至室溫，強(qiáng)度和塑性指標(biāo)優(yōu)良。鋼板的橫向力學(xué)性能可以達(dá)到如下要求屈服強(qiáng)度RtO. 5為550-700MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為640_830MPa，屈強(qiáng)比RtO. 5/Rm く O. 80，-20°C沖擊功CVN不低于200J，-20°C DffTT剪切面積SA不低于85%。鋼板的縱向力學(xué)性能可以達(dá)到如下要求均勻變形伸長(zhǎng)率UEL > 10%，屈服強(qiáng)度RtO. 5不低于480MPa，抗拉強(qiáng)度Rm不低于570MPa，屈強(qiáng)比RtO. 5/Rm不高于O. 80，應(yīng)カ應(yīng)變曲線無(wú)屈服平臺(tái)且Rtl. 5/RtO. 5不小于I. 15。采用本發(fā)明技術(shù)可經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X80及其以上級(jí)別的管線用鋼，并大幅度提高管道運(yùn)營(yíng)的安全性及管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述。本發(fā)明實(shí)施例鋼的化學(xué)成分(wt% )見(jiàn)表1，表中1-14為本發(fā)明實(shí)施例，15-18為對(duì)比例。表I本發(fā)明實(shí)施例鋼的化學(xué)成分
I C 「Si |" Mn |" P |" S |" Ti I Nb I V I Cu |" Ni |" Cr |" Mo |" Al
10.06 0.30 1.70 0.01 0.003 0.017 0.03 O 0.22 0.23 0.20 O 0.04
20.06 0.25 1.65 0.01 0.003 0.012 0.04 O O. 15 O. 17 O. 16 O 0.03
30.07 0.40 1.60 0.01 0.003 0.015 0.03 O O 0.40 O. 11 O 0.0權(quán)利要求
1.一種基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼，其特征在于鋼的成分重量百分比為CO.06 % -O. 10 Si O. I % -O. 6 %, Mn I. O % -2. O %, P ^ O. 015 %, S ^ O. 003 %, CrO.1% -O. 3%,Nb O. 01% -O. 10%,Ti O. 005% -O. 03%,A10. 01% -O. 06%,N く O. 012%,Cu和Ni中的ー種或兩種，其中Cu 0-0. 5%, Ni 0-0. 5%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼，其特征在于所述Cu和Ni共同添加吋，添加總量不超過(guò)O. 5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼，其特征在于所述Cr的添加應(yīng)滿足關(guān)系式O.25 く ([Mn]/10)+ [Cr] く O.45。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼，其特征在于所述鋼的組織為鐵素體+貝氏體雙相組織。
5.一種權(quán)利要求I 4所述基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼的制造方法，包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，其特征在于所述的熱軋エ藝為板坯加熱溫度為1050-1280°C，再結(jié)晶區(qū)控制軋制溫度為900-1250°C，非再結(jié)晶區(qū)控制軋制溫度為750-950°C，開(kāi)始冷卻溫度為680-800°C，終止冷卻溫度為100-500°C，冷卻速度為5_35°C /s。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼的制造方法，其特征在于對(duì)加熱后的坯料進(jìn)行高壓水除磷處理后立即進(jìn)行兩階段控制軋制，第一階段至少三個(gè)道次的單道次變形量不小于15%，第二階段的累積變形量不小于60%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼的制造方法，其特征在于對(duì)終軋后的鋼板進(jìn)行控冷弛豫至水冷開(kāi)始溫度，使15% -65%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄任鰤K狀鐵素體；在水冷過(guò)程中，使剰余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，得到先共析鐵素體+貝氏體雙相組織。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型管線用鋼及其制造方法，其成分C0.06％-0.10％、Si0.1％-0.6％、Mn1.0％-2.0％、P≤0.015％、S≤0.003％、Cr0.1％-0.3％、Nb0.01％-0.10％、Ti0.005％-0.03％、Al0.01％-0.06％、N≤0.012％、Cu0-0.5％、Ni0-0.5％，余為Fe。其方法包括冶煉、爐外精煉、鑄造和熱軋，板坯加熱溫度1050-1280℃，再結(jié)晶區(qū)控軋溫度900-1250℃，非再結(jié)晶區(qū)控軋溫度750-950℃，開(kāi)冷溫度680-800℃，終冷溫度100-500℃，冷速5-35℃/s。本發(fā)明不添加Mo、V、B等元素，Cu、Cr、Ni總量較低，且無(wú)需后續(xù)熱處理，工藝簡(jiǎn)單、成本低，生產(chǎn)效率高。鋼板不僅強(qiáng)度高，還具有低屈強(qiáng)比和高均勻延伸特征，采用本發(fā)明可大幅度提高管道運(yùn)營(yíng)的安全性和管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號(hào)C22C38/50GK102828120SQ20111016010
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者劉文月, 任毅, 張帥, 張祿林, 王爽, 王曉強(qiáng), 寧東, 隋軼 申請(qǐng)人:鞍鋼股份有限公司