一种低屈强比、高断裂韧性管线钢及其制造方法与流程

1.本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种低屈强比、高断裂韧性管线钢及其制造方法。


背景技术：

2.随着边际油气田、海上油气田等恶劣环境下油气田的不断开发，长输油气管道服役环境越来越苛刻，除受到管内流体的压力、腐蚀外，还要受到高寒低温、冻土滑移等外界环境和悬空、平面位移、管体损伤等施工类因素的影响，这些隐患对长输管道的服役寿命造成极大的影响，故要求长输油气管道具有更低的屈强比和更好的抗断裂性能。
3.屈强比是管线钢性能的重要参量和管道安全性的重要表征，过高的屈强比限制了管线钢的极限塑性变形能力，进而对管道的安全服役造成影响。现代管线钢采用的控制轧制、控制冷却工艺制造的微合金化管线钢，其屈服强度的增幅明显高于抗拉强度的增幅，造成了屈强比的明显增加。
4.管道工程设计和安全评定主要使用冲击韧性和断裂韧度作为抗断裂评价指标，夏比冲击试验(charpy v
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shape notch)是评价管线钢韧性最常用的方法，夏比冲击试验结果可揭示材料中偏析、夹杂物、分层等缺陷，对材料内部变化较为敏感。近年来，一些海工项目和管道焊缝引入裂纹尖端张开位移试验(ctod)，ctod值的大小直接反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，ctod试验在管道和管线钢行业应用越来越广泛，主要应用于海底管道项目和管道焊缝接头断裂韧性的检测，一些陆地项目也逐渐引入ctod试验。
5.公开号cn111492085a的发明专利申请《低温下抗断裂韧性优异的极地环境用高强度钢材及其制造方法》，其化学成分为c：0.005％～0.07％，si：0.005％～0.30％，mn：1.70％～3.00％，nb：0.02％以下，v：0.01％以下，ti：0.001％～0.020％，cu：0.01％～1.00％，cr：0.01％～0.50％,ni：0.01％～1.00％，mo：0.01％～0.50％，ca：0.0001％～0.0050％，n：0.001％～0.008％，p：0.02％以下，s：0.003％以下，o：0.003％以下，余量为fe和杂质。该发明专利采用低c高mn成分设计，并充分利用cu、ni、cr、mo合金元素对低温韧性和组织转变的特性，生产出具有高强度、高断裂韧性的钢材，抗拉强度到达570mpa以上，韧脆转变温度在
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80℃以下。该专利的不足之处为：cu、ni、mo合金元素加入量较多，且均为贵金属，制造成本极高，不利于工业化生产。
6.公开号cn111979497a的发明专利申请《一种具有低温ctod性能的海底管线钢卷板及生产工艺》，其化学成分为c：0.030％～0.070％，si：0.10％～0.20％，mn：1.10％～1.60％，nb：0.020％～0.050％，v：0.020％～0.050％，ti：0.010％～0.030％，mo：0.10％～0.20％，p：0.018％以下，s：0.008％以下，该专利采用nb、v、ti复合微合金化成分设计，辅以控制轧制和控制冷却工艺，可生产出具有优异低温ctod性能的海底管线钢卷板，
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80℃下ctod值在0.163mm以上。该专利的不足之处为生产12mm以下薄规格管线钢时，屈强比普遍偏高，屈强比在0.85以上，影响偏薄规格管道的安全性。
7.因此，需要一种能够达到低屈强比、高断裂韧性的性能要求的管线钢及其制造方
法，满足长输油气管道项目高质量需求，增强管线钢产品的市场竞争力。


技术实现要素：

8.针对现有管线钢屈强比偏高，制造成本高的技术问题，本发明提供一种低屈强比、高断裂韧性管线钢及其制造方法，采取c
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mn
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nb基础成分体系，并结合独有的控制冷却技术，生产出厚度6.0～16.0mm的x70级别管线钢，该管线钢具有低屈强比、高断裂韧性等特点，同时由于mo含量控制合理，产品具有良好的市场竞争力。
9.第一方面，本发明提供一种低屈强比、高断裂韧性管线钢的制造方法，包括如下步骤：
10.(1)板坯缓冷，板坯的化学成分及质量百分比为c：0.05％～0.12％、si：0.03％～0.30％、mn：1.00％～1.70％、nb：0.025％～0.065％、ti：0.010％～0.025％、mo：0.02％～0.20％、als：0.010％～0.035％、p：0.020％以下、s：0.006％以下、b：0.0005％以下，其余为fe和不可避免的杂质元素，并满足关系式：mn/si≥6、0.18％≤c+nb+mo≤0.25％；
11.(2)板坯加热；
12.(3)粗轧，在1000～1200℃范围内将加热过的板坯进行粗轧，粗轧出口温度控制在1050～970℃；
13.(4)精轧，精轧入口温度控制在1030～950℃，成品带钢厚度6.0～16.0mm，精轧五～七道次，并控制后三道次累计压下率在30％以上，终轧温度控制在830～780℃；
14.(5)轧后冷却，采用分段式冷却，前段采用超快冷模式，以15～35℃/s的冷却速度冷却至500～600℃，然后空冷2～3s，继续以5～15℃/s的冷却速度层流冷却至400～500℃；
15.(6)卷取。
16.进一步的，所述步骤(1)板坯的化学成分及质量百分比为c：0.05％～0.09％、si：0.03％～0.30％、mn：1.20％～1.60％、nb：0.025％～0.065％、ti：0.010％～0.025％、mo：0.02％～0.20％、als：0.010％～0.035％、p：0.020％以下、s：0.006％以下、b：0.0005％以下，其余为fe和不可避免的杂质元素，并满足关系式：mn/si≥6、0.18％≤c+nb+mo≤0.25％。
17.进一步的，所述步骤(1)板坯缓冷采用下线堆垛缓冷，板坯缓冷时间≥48h。
18.进一步的，所述步骤(2)板坯加热具体为：将板坯加热至850～1250℃，加热时间t(min)和板坯厚度h(mm)的对应关系为：0.9h≤t≤1.7h，该加热时间可以保证nb、ti微合金的充分固溶，并避免原始奥氏体晶粒的过分长大，为后续晶粒细化创造条件
19.进一步的，为使奥氏体晶粒充分破碎，所述步骤(3)粗轧控制在五道次，控制单道次压下率在20％以上，累计压下率在70％以上；根据成品带钢厚度差异，中间坯厚度控制在40～52mm。
20.进一步的，所述步骤(4)成品带钢厚度为10mm及以下，精轧控制在七道次，后三道次累计压下率35％～42％。
21.进一步的，所述步骤(4)成品带钢厚度为10～16mm，精轧控制在六道次，后三道次累计压下率31％～36％。
22.进一步的，所述步骤(6)卷取温度控制在400～500℃。
23.第二方面，本发明提供一种采用上述制造方法得到的管线钢。
24.本发明控制板坯化学成分及质量百分比的理由如下：
25.c：0.05％～0.12％，c可以促进针状铁素体的形成，并形成渗碳体和珠光体等钢中影响组织，进而降低钢材的屈强比，当c含量超过0.12％时，会恶化钢材的韧性，进而影响管线钢的断裂性能和止裂性能；
26.mn：1.00％～1.70％，mn通过固溶强化提高管线钢强度，并且对钢材韧性和塑性无显著降低，mn对屈服强度的贡献略低于对抗拉强度的贡献，进而使钢材的屈强比略有降低，但mn属于易偏析元素，当mn含量超过1.70％时，钢材基体中易出现珠光体、贝氏体、渗碳体等硬相偏析带，对钢材的断裂韧性造成不利影响；
27.nb：0.025～0.065％，nb通过与钢中c、n原子结合，形成nb(cn)析出相抑制再结晶并形成沉淀强化来提高强度，nb在微合金化低合金钢中应用较为广泛，nb含量低于0.020％以下时，细化晶粒和析出强化的效果不明显；细晶强化和析出强度对屈服强度的贡献均大于抗拉强度，因而nb含量过高会导致屈强比的升高；
28.ti：0.010％～0.025％，微量的ti可以细化晶粒，并改善钢材的焊接性能，但当钢中ti含量超过0.030％时，ti表现出极强的析出强化作用，并恶化钢材的韧性；
29.mo：0.02％～0.20％，mo在低合金钢中可以起到抑制先共析铁素体转变，促进针状铁素体和贝氏体的形成，进而改善钢材的强韧性的作用，但mo属于贵重合金，加入量过大会造成制造成本升高，降低产品的市场竞争力；
30.als：0.010％～0.035％，al为炼钢时的强脱氧剂，理论研究认为只有当als含量超过0.005％时，才能确保脱氧完全，als含量过高时，钢中的al易氧化成为al2o3残留在钢水中，形成b类夹杂物，影响管线钢的低温断裂韧性；
31.p：0.020％以下、s：0.006％以下、b：0.0005％以下，p、s、b属钢中有害元素，含量越低越好；
32.mn/si≥6，对高频电阻焊接，mn/si<5时，易在焊缝位置偏聚形成硅酸盐夹杂物，残留在焊缝熔合线位置的硅酸盐夹杂形成焊缝夹渣，影响焊缝探伤合格率和焊缝、热影响的韧性，因此将mn/si比限定为≥6；
33.0.18％≤c+nb+mo≤0.25％，c、nb、mo分属固溶强化、细晶强化、组织强化元素，设定0.18％≤c+nb+mo≤0.25％，可以保证钢材的强度、屈强比和断裂韧性的合理匹配，使钢材具有良好的综合性能。
34.本发明的有益效果在于，
35.(1)以c
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mn
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nb成分体系为基础，采用c、nb、mo关联的成分设计，确保成品卷板的强度稳定在同一级别。
36.(2)本发明制造方法可生产厚度6.0～16.0mm、强度级别x70级别的管线钢，且管线钢的屈强比可控制在0.88以下，
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20℃下ctod值≥0.3mm，钢组织以针状铁素体和多边形铁素体为主，多边形铁素体比例在10～25％之间，晶粒度在12.0级以上。
37.(3)本发明管线钢通过直缝埋弧焊接、螺旋埋弧焊接、直缝高频焊接成型，应用于陆地及海底油气管道工程、管桩项目。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是实施例2成品带钢的金相组织图；
40.图2是实施例3断裂韧性阻力曲线。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.一种低屈强比、高断裂韧性管线钢，采用如下制造方法生产：
43.(1)板坯缓冷，采用下线堆垛缓冷，板坯缓冷时间≥48h，板坯的化学成分及质量百分比为c：0.05％～0.12％、si：0.03％～0.30％、mn：1.00％～1.70％、nb：0.025％～0.065％、ti：0.010％～0.025％、mo：0.02％～0.20％、als：0.010％～0.035％、p：0.020％以下、s：0.006％以下、b：0.0005％以下，其余为fe和不可避免的杂质元素，并满足关系式：mn/si≥6、0.18％≤c+nb+mo≤0.25％；
44.(2)板坯加热，将板坯加热至850～1250℃，加热时间t(min)和板坯厚度h(mm)的对应关系为：0.9h≤t≤1.7h；
45.(3)粗轧，在1000～1200℃范围内将加热过的板坯进行粗轧，粗轧出口温度控制在1050～970℃，粗轧控制在五道次，控制单道次压下率在20％以上，累计压下率在70％以上；根据成品带钢厚度差异，中间坯厚度控制在40～52mm；
46.(4)精轧，精轧入口温度控制在1030～950℃，终轧温度控制在830～780℃；
47.成品带钢厚度为10mm及以下，精轧控制在七道次，后三道次累计压下率35％～42％；
48.成品带钢厚度为10～16mm，精轧控制在六道次，后三道次累计压下率31％～36％；
49.(5)轧后冷却，采用分段式冷却，前段采用超快冷模式，以15～35℃/s的冷却速度冷却至500～600℃，然后空冷2～3s，继续以5～15℃/s的冷却速度层流冷却至400～500℃；
50.(6)卷取，卷取温度控制在400～500℃。
51.采用上述方法制造实施例1
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3、对比例1
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2管线钢，各实施例、对比例板坯的合金组分按下表1选择，主要步骤参数选择按下表2记载实施。
52.表1板坯的合金组分表(余量为fe和不可避免的杂质元素)
53.54.表2主要步骤参数表
55.项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2板坯厚度/mm207207227210230板坯加热温度/℃12301210120012151190板坯加热时间/min212225237185425粗轧单道次压下率/％25.525.325.325.525.4粗轧累计压下率/％7877777776粗轧出口温度/℃103510089881015995中间坯厚度/mm4548524855精轧入口温度/℃1017992970997980精轧后三道次压下率/％35.634.335.228.529.7精轧出口温度/℃828817794813808超快冷出口温度/℃585544525475428超快冷冷却速度/℃/s3226193027空冷时间/s2.12.52.700卷取温度/℃500470420480400成品带钢厚度/mm7.112.515.911.914.2
56.实施例1
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3、对比例1
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2钢材的物理性能如下表3所示，可以看出采用本发明制造方法获得的x70级别管线钢具有屈强比低、断裂韧性高等特点，同时屈服强度和抗拉强度与对比例1和对比例2在同一强度水准。尽管对比例2屈强比为0.88，
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20℃下ctod值为0.29mm，也表现出低屈强比和高断裂韧度的特点，但对比例2合金组分中mo的加入量为0.22％，mo为贵重合金，因此对比文件2的合金成本高于本发明，市场竞争力不如本发明。
57.表3管线钢物理性能表
58.项目rt0.5/mparm/mpa屈强比
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40℃冲击功/j
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20℃下ctod/mm实施例15436450.84252,268,2400.42实施例25526680.83333,351,3440.39实施例35606850.82325,373,3820.37对比例15856450.91227,232,2210.25对比例25766520.88286,279,2590.29
59.对所获得的管线钢显微组织进行观察，并使用图像分析仪测定显微组织中各相的比例，实施例1、实施例2、实施例3显微组织中多边形铁素体的比例分别为12％、15％、14％，其中实施例2管线钢的显微组织如图1所示。
60.依据gb/t 21143
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2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》对实施例3采用三点弯曲多试样法，依据试验结果，得到回归δ
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δa阻力曲线δ＝0.049+0.485δa
0.414
，并绘制r曲线(如图2所示)。
61.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应
涵盖在本发明的保护范围之内。