CN104775079A - 一种海洋用高可焊、大口径、厚壁高钢级无缝钢管及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管及其制备工艺，工艺步骤包括：配料炼钢→LF精炼→VD真空除气→连铸→环形炉加热→穿孔→连轧→冷床→再加热→定径→矫直→锯切→UT探伤→水压→喷标→入库。本发明所涉及的无缝钢管采用低碳、低合金成分设计理念，采用特定比例的水基淬火液和浸入式旋转+内喷的方式来弥补低碳、低合金设计造成的强度损失，使得合金材料在保证优异的机械性能的基础上具有更高的可焊性，由此可以限制降低用户工程项目的焊接成本和有效提高产品材料本身的可焊性，大大提高产品的综合性能指标，填补该类产品在国内市场的一个空白。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及高钢级无缝管及其制备，尤其是一种海洋用高可焊、大口径、厚壁高钢级无缝钢管及其制备工艺。
背景技术
随着海上油气资源勘探与开发的不断深入，海洋用大口径、厚壁、高钢级无缝管的需求逐渐增加，并且无论是结构用管还是输送管道，都需要采用焊接的方式进行连接，因此需要材料本身具有较高的可焊性。目前海洋用高钢级无缝钢管的钢级主要包括ABS A/D/E/F Q56、Q63、Q70或API X80、X90、X100钢级，要求屈服强度≥555MPa，抗拉强度≥625MPa，0℃/-20℃/-40℃/-60℃试验温度下的冲击功：纵向≥69J，横向≥46J。
目前，这类钢管只能通过热处理的方式才能够满足机械性能的要求，而这其中最为核心的工艺是淬火。随着无缝钢管外径和壁厚的增加，钢管比热容显著增加，在相同容积的水槽中淬火，外径和壁厚的增加会显著降低钢管的淬硬度，沿壁厚方向由外壁到芯部硬度显著下降。为了弥补这种差异，同时使得钢管达到上述性能要求，通常采用的方法是增加提高淬透性的合金元素C、Mn、Cr、Mo、Ni等来进行补偿。虽然这样可以有效提高材料本身的淬透性，保证厚壁高钢级无缝钢管的性能，但却会导致原材料成本大幅增加和使得材料本身碳当量显著增加而降低钢管的可焊性。
通过检索，发现如下三篇公开专利文献：
1、一种Φ177.8*9.19高钢级石油用无缝钢管(CN102517515A)，该无缝钢管材质的化学成分按重量％为：C 0.27-0.31、Si 0.17-0.35、Mn 1.35-1.45、P＜0.02、S＜0.007、P+S≤0.025、Ni≤0.25、Cr≤0.25、Mo≤0.10、V0.01-0.05、Cu≤0.25、Alt≥0.005。同时提供一种Φ177.8*9.19高钢级石油用无缝钢管的制造方法。
2、一种直径为Φ219.0～Φ460.0mm大口径高钢级耐腐蚀无缝钢管的制造方法(CN101417296)，该方法包括步骤有炼钢、轧管、钢管热处理和加工等工艺，生产直径为Φ219.0～Φ460.0mm大口径高钢级耐腐蚀无缝钢管。本方法的效果是解决了P、S等有害元素对石油专用管耐腐蚀极为不利的影响问题，得到高质量的圆坯，采用Φ460三辊限动芯棒连轧机组PQF轧机结合高端热轧控制技术得到不同尺寸的优质管体，经合理的热处理技术，控制钢管残余应力技术，得到表面质量和综合性能合格的管线管，其不但具有高强度和卓越的抗腐蚀性能，而且还具有良好的韧性。有益效果是该钢管具有良好的理化性能，管体尺寸精 度高，便于应用和利于长距离输送管道的安全。
3、一种直径为Φ460～720mm大口径高钢级耐腐蚀无缝钢管的制造方法(CN101921957A)，该方法包括步骤有钢种合理配比、炼钢、热轧、斜轧热扩、钢管热处理和加工工艺，生产直径为Φ460～720mm大口径高钢级耐腐蚀无缝钢管。本方法的效果是解决了P、S等有害元素对石油专用管耐腐蚀不利的影响，得到高质量低成本的圆坯，经合理的热处理技术，控制钢管力学性能和管体尺寸，降低残余应力技术，得到表面质量和综合性能合格的大口径管线管，其不但具有高强度和卓越的抗腐蚀性能，而且还具有良好的韧性。该钢管具有良好的理化性能，管体尺寸精度高，便于应用和利于长距离输送管道的安全，可广泛应用于含硫化氢的酸性油气田中。
通过技术特征对比，上述三篇公开专利文献与本发明申请无论在元素配比及工艺上均有较大不同，不会影响本发明申请的新颖性及创造性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管及其制备工艺。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管，其组成元素及其重量百分比范围分别为：
C:0.07～0.14％；Si：0.17～0.45％；Mn：0.5～1.7％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cu：≤0.30％；Ni：0.05～0.50％；Cr：≤0.80％；Mo：≤0.50％；Al：0.005～0.060％；V：0.01～0.8％；Nb：0.01～0.6％；Ti：0.005～0.030％；CE≤0.60；Pcm≤0.25；杂质元素微量；其余为Fe。
一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，步骤如下：
⑴配料冶炼、连铸：按配比将各元素混合并在LF精炼，将LF精炼完后的钢水进行VD真空除气，并喂入Ca丝进行钙处理，上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌；
⑵检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1300℃；
⑶将加热好的连铸圆管坯或圆形钢锭原料经斜轧穿孔机斜轧穿孔，将实心热原料穿成管状毛管，穿孔温度控制为1200～1250℃，穿孔变形量为≥40％；
⑷穿孔后的毛管随后采用皮尔格轧机进行轧制，轧制温度控制在950～1050℃，钢管轧制变形量为≥40％；
⑸经皮尔格轧制后的毛管进行回转定径，变形量≤5％，终轧温度为800～850℃；
⑹将回转定径后的钢管采用浸入式旋转+内喷的淬火方式进行淬火，淬火温度900～980℃，回火温度为600～700℃，回火后空冷至室温。
而且，步骤⑴中，所述VD真空时间不少于10分钟。
而且，步骤⑴中，所述喂入Ca丝进行钙处理工步中，氩气弱搅拌时间不少于3分钟。
而且，步骤⑴中，控制五害元素之和要求小于200ppm，成品氮小于120ppm，成品氧小于30ppm成品氢小于2ppm。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明所涉及的无缝钢管采用低碳、低合金成分设计理念，采用特定比例的水基淬火液和浸入式旋转+内喷的方式来弥补低碳、低合金设计造成的强度损失，使得合金材料在保证优异的机械性能的基础上具有更高的可焊性，由此可以限制降低用户工程项目的焊接成本和有效提高产品材料本身的可焊性。
2、本发明的工艺通过优化来降低合金设计成本，优化产品的综合性能，由此可以降低用户工程项目的焊接成本和有效提高材料本身的可靠性，大大提高产品的综合性能指标，填补该类产品在国内市场的一个空白。
附图说明
图1为本发明M+B+F，晶粒度9.0500X的金相组织照片；
图2为本发明B+F+少量M，晶粒度8.5500X的金相组织照片。
具体实施方式：
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管，其组成元素及其重量百分比范围分别为：
C:0.07～0.14％；Si：0.17～0.45％；Mn：0.5～1.7％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cu：≤0.30％；Ni：0.05～0.50％；Cr：≤0.80％；Mo：≤0.50％；Al：0.005～0.060％；V：0.01～0.8％；Nb：0.01～0.6％；Ti：0.005～0.030％；CE≤0.60；Pcm≤0.25；杂质元素微量；其余为Fe。
本发明的合金设计是参考ASTM A517或DNV-OS-B101规范执行的，通常C含量≥0.14％、Ni≥0.40％、Cr≥0.40％、Mo≥0.40％、碳当量(CEIIW)≥0.65％，因此大大降低了材料本身的可焊性，增加了后续工艺生产的难度、周期和成本。本发明专利所采用上述合金成分和碳当量(CEIIW)均远远低于传统设计指标，并通过后续热处理工艺优化设计使得材料在保证原有机械性能前提下具有更高的可焊性，为后续工装焊接降低难度和节约成本，同时大大增加产品的安全性。
一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，具体步骤如下：
⑴配料冶炼、连铸：按配比将各元素混合并在LF精炼，将LF精炼完后的钢水进行VD真空除气，VD真空时间不少于10分钟；为了控制钢种的夹杂物，喂入Ca丝进行钙处理， 氩气弱搅拌时间不少于3分钟；温度合适后上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌；为了提高钢的抗海水腐蚀性能和低温韧性，控制五害元素之和要求小于200ppm，成品氮小于120ppm，成品氧小于30ppm成品氢小于2ppm。
⑵检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1300℃；
⑶将加热好的连铸圆管坯或圆形钢锭原料经斜轧穿孔机斜轧穿孔，将实心热原料穿成管状毛管，穿孔温度控制为1200～1250℃，穿孔变形量为≥40％；
⑷穿孔后的毛管随后采用皮尔格轧机进行轧制，轧制温度控制在950～1050℃，钢管轧制变形量为≥40％；
⑸经皮尔格轧制后的毛管进行回转定径，变形量≤5％，终轧温度为800～850℃；
⑹将回转定径后的钢管采用浸入式旋转+内喷的淬火方式进行淬火，淬火温度900～980℃，回火温度为600～700℃，回火后空冷至室温。
下面通过具体实例，进一步印证本发明的创造性：
实例1：
规格：610×35mm
化学成分
| 实例 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al | V | Nb | Ti | B |
| 1 | 0.10 | 0.20 | 1.35 | 0.008 | 0.003 | 0.38 | 0.42 | 0.26 | 0.03 | 0.012 | 0.07 | 0.002 | 0.001 | 0.00016 |
⑴检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1280℃；
⑵加热好的连铸圆管坯或圆形钢锭原料经斜轧穿孔机斜轧穿孔，将实心热原料穿制成管状毛管，穿孔温度控制为1230℃，穿孔变形量为43％；
⑶穿孔后毛管随后采用皮尔格轧机进行轧制，轧制温度控制在1050℃，钢管轧制变形量为63％；
⑷皮尔格轧制后进行回转定径，变形量2％，终轧温度为840℃；
⑸轧后钢管采用浸入式旋转+内喷的淬火方式进行淬火，淬火温度950℃，回火温度为660℃，回火后空冷至室温。
图1为本实例1的M+B+F，晶粒度9.0500X金相组织照片，其具体性能参数见下表：
拉伸性能
冲击性能
本发明所采用合金成分中，C含量＜0.14％、Ni＜0.40％、Cr＜0.40％、Mo＜0.40％和碳当量(CEIIW)＜0.60％，这些都远低于传统设计指标；通过后续热处理工艺优化设计使得材料在保证原强度级别达到690MPa钢级(ABS EQ70和API X100)前提下具有优异的低温韧性和更优的可焊性，为后续工装焊接降低难度和节约成本，同时大大增加产品的服役安全性。
实例2：
规格：830×30.0mm
化学成分
| 实例 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al | V | Nb | Ti | B |
| 2 | 0.11 | 0.21 | 1.42 | 0.010 | 0.007 | 0.18 | 0.09 | 0.08 | 0.03 | 0.010 | 0.05 | 0.03 | 0.003 | 0.00015 |
⑴检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1300℃；
⑵加热好的连铸圆管坯或圆形钢锭原料经斜轧穿孔机斜轧穿孔，将实心热原料穿制成管状毛管，穿孔温度控制为1250，穿孔变形量为53％；
⑶穿孔后毛管随后采用皮尔格轧机进行轧制，轧制温度控制在1070℃，钢管轧制变形量为46％；
⑷皮尔格轧制后进行回转定径，变形量2％，终轧温度为860℃；
⑸轧后钢管采用浸入式旋转+内喷的淬火方式进行淬火，淬火温度950℃，回火温度为690℃，回火后空冷至室温。
图2为本实例2的B+F+少量M，晶粒度8.5500X金相组织照片，其具体性能参数见下表：
拉伸性能
| 实例 | 试验温度 | 屈服强度Rt0.5 | 抗拉强度Rm | 伸长率A％ | 屈强比Y/T |
| 2 | 25 | 596 | 665 | 28 | 0.90 |
本发明专利所采用合金成分中，C含量＜0.14％、Ni＜0.20％、Cr＜0.20％、Mo＜0.20％和碳当量(CEIIW)＜0.45％，这些都远低于传统设计指标，通过后续热处理工艺优化设计使得材料在保证原强度级别达到555MPa钢级(ABS EQ56和API X80)前提下具有优异的低温韧性和更
优的可焊性，为后续工装焊接降低难度和节约成本，同时大大增加产品的服役安全性。
Claims (5)
1.一种海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管，其特征在于：其组成元素及其重量百分比范围分别为：
C:0.07～0.14％；Si：0.17～0.45％；Mn：0.5～1.7％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cu：≤0.30％；Ni：0.05～0.50％；Cr：≤0.80％；Mo：≤0.50％；Al：0.005～0.060％；V：0.01～0.8％；Nb：0.01～0.6％；Ti：0.005～0.030％；CE≤0.60；Pcm≤0.25；杂质元素微量；其余为Fe。
2.一种如权利要求1所述的海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，其特征在于：步骤如下：
⑴配料冶炼、连铸：按配比将各元素混合并在LF精炼，将LF精炼完后的钢水进行VD真空除气，并喂入Ca丝进行钙处理，上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌；
⑵检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1300℃；
⑶将加热好的连铸圆管坯或圆形钢锭原料经斜轧穿孔机斜轧穿孔，将实心热原料穿成管状毛管，穿孔温度控制为1200～1250℃，穿孔变形量为≥40％；
⑷穿孔后的毛管随后采用皮尔格轧机进行轧制，轧制温度控制在950～1050℃，钢管轧制变形量为≥40％；
⑸经皮尔格轧制后的毛管进行回转定径，变形量≤5％，终轧温度为800～850℃；
⑹将回转定径后的钢管采用浸入式旋转+内喷的淬火方式进行淬火，淬火温度900～980℃，回火温度为600～700℃，回火后空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，其特征在于：步骤⑴中，所述VD真空时间不少于10分钟。
4.根据权利要求2所述的海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，其特征在于：步骤⑴中，所述喂入Ca丝进行钙处理工步中，氩气弱搅拌时间不少于3分钟。
5.根据权利要求2所述的海洋用高可焊、大口径、厚壁、高钢级无缝钢管的生产工艺，其特征在于：步骤⑴中，控制五害元素之和要求小于200ppm，成品氮小于120ppm，成品氧小于30ppm成品氢小于2ppm。
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