CN105543690A - 具有抗大应变的415spdf以上钢级海底无缝管线管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管，该海底无缝管线管成份的重量％为C0.05～0.11％，Si0.20～0.40％，Mn1.0～1.40％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni0.05～0.30％，Cr0.05～0.30％，Mo0.05～0.30％，Als0.010～0.050％，N≤0.010％，Nb0.010～0.050％，V0.03～0.08％，Cu0.05～0.25％，Ti0.008～0.030％，Pb≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.030％，Sb≤0.015％，Bi≤0.015％，B≤0.0005％，碳当量CEpcm≤0.22％，CEⅡW≤0.39％，添加Ni、Mo、Cr、Cu合金。有益效果是该管线管钢具有3％应变下拉压循环3次能保证强度大于415MPa，-20℃冲击功大于300J。还具有裂纹敏感率(CSR)≤1.5％，裂纹长度率≤5％，裂纹厚度率(CTR)≤3％，SSCB法100％加载下96h不断裂。
Description
技术领域
本发明涉及基于应变设计耐腐蚀材料及无缝管领域，特别是具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管。
背景技术
随着海上石油天然气开采条件的日益恶劣，钻采深度逐年增加，深海的开采越来越多，浅海开采方式已经不能完全满足需求。同时浅海的铺管方式已经不能满足深海开发的需求。随着开采条件的变化，由传统的S-lay铺设逐渐转变为R-lay铺设方式。R-lay铺设方式的管线管除常规的拉伸性能、冲击性能和硬度要求以外，还要求具有良好的抗大应变性能、断裂韧脆性能、抗腐蚀性能和良好的几何尺寸。R-lay铺设方式所需要的管线管是管线管材料等级中最高的材料，产品要求具有超低的杂质元素，良好形态的夹杂物和超低的夹杂物数量，良好均一的显微组织，高强度低硬度和优异的抗腐蚀性能。高强度(≥415MPa)抗大应变性能并通过3％拉压循环3次试验的海底无缝管线管未见报道。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有抗大应变性能的415SPDF以上钢级海底无缝管线管，以满足深海等苛刻环境开发所需要的抗大应变性能的管线管，解决管线管在反复使用的情况下，强度急剧下降而不能满足设计要求。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管，其特征是：该海底无缝管线管成份的重量％为C0.05～0.11％，Si0.20～0.40％，Mn1.0～1.40％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni0.05～0.30％，Cr0.05～0.30％，Mo0.05～0.30％，Als0.010～0.050％，N≤0.010％，Nb0.010～0.050％，V0.03～0.08％，Cu0.05～0.25％，Ti0.008～0.030％，Pb≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.030％，Sb≤0.015％，Bi≤0.015％，B≤0.0005％，余量为Fe和杂质，碳当量CEpcm≤0.22％，CEⅡW≤0.39％，添加Ni、Mo、Cr、Cu合金，并限制Ni+Mo+Cr+Cu≤0.8％；Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.030％。
所述海底无缝管线管在屈服强度≥415MPa下的抗大应变性能：3％应变下拉压循环3次能保证强度大于415MPa，-20℃冲击功大于300J；还具有良好的抗HIC和SSC性能指标为：裂纹敏感率(CSR)≤1.5％，裂纹长度率≤5％，裂纹厚度率(CTR)≤3％，SSCB法100％最小屈服强度加载下96h不断裂。
本发明的效果是采用该海底无缝管线管在3％应变下拉压循环3次能保证强度大于415MPa，-20℃冲击功大于300J，未有明显的强度急剧降低，还具有良好的抗HIC和SSC性能，裂纹敏感率、裂纹长度率和裂纹厚度率均为0，完全满足裂纹敏感率(CSR)≤1.5％，裂纹长度率≤5％，裂纹厚度率(CTR)≤3％的腐蚀性能要求，同时720小时后未出现断裂和开裂。本发明管线管已经应用于欧洲北海区域，使用效果良好，满足现场施工要求，具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能和抗大应变性能。
附图说明
图1为本发明管线管实施例系列冲击功曲线图；
图2为本发明管线管实施例的金相组织B回+S回+F500×；
图3为本发明管线管实施例的金相组织B回+F500×；
图4为本发明管线管实施例的拉压循环图。
具体实施方式
结合附图对本发明的具有抗大应变性能的415SPDF以上钢级海底无缝管线管加以说明。
本发明的具有抗大应变性能的415SPDF以上钢级海底无缝管线管设计思想是基于石油天然气发展行业趋势，逐渐开采海洋及深海所必须要的具有抗大应变管线管的性能要求为基础，进行成分设计和性能优化，满足施工方式R-lay对管材要求的高抗大应变性能、高冲击韧性和高抗腐蚀性能。
本发明的具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管，该海底无缝管线管成份的重量％为C0.05～0.11％，Si0.20～0.40％，Mn1.0～1.40％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni0.05～0.30％，Cr0.05～0.30％，Mo0.05～0.30％，Als0.010～0.050％，N≤0.010％，Nb0.010～0.050％，V0.03～0.08％，Cu0.05～0.25％，Ti0.008～0.030％，Pb≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.030％，Sb≤0.015％，Bi≤0.015％，B≤0.0005％，余量为Fe和杂质，碳当量CEpcm≤0.22％，CEⅡW≤0.39％，添加Ni、Mo、Cr、Cu合金，并限制Ni+Mo+Cr+Cu≤0.8％；Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.030。
所述海底无缝管线管在屈服强度≥415MPa下的抗大应变性能：3％应变下拉压循环3次能保证强度大于415MPa，-20℃冲击功大于300J；还具有良好的抗HIC和SSC性能指标为：裂纹敏感率(CSR)≤1.5％，裂纹长度率≤5％，裂纹厚度率(CTR)≤3％，SSCB法100％最小屈服强度加载下96h不断裂。
本发明的具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管具体优化的化学成分说明如下：
C：强度元素，考虑焊接性能所以将其含量限止在在0.05～0.13％范围内。
Si：强度元素，考虑韧性和耐蚀性，所以将其含量限止在0.20～0.40％范围内。
Mn：强度元素，考虑低温韧性和抗HIC性能，所以将其含量限止在1.0～1.40％范围内。
P、S：P和S是杂质元素。炼钢过程中尽量降低其含量，杂质元素含量控制在P≤0.010％、S≤0.002％。
Als：Al是脱氧元素，Als更能反映真实的铝含量，其含量低于0.005％时不能达到脱氧效果，但含量过高时，易导致氧化物夹杂，所以将其含量限止在Als0.010～0.050％范围内。
Nb：微合金化元素，细化晶粒，提高抗腐蚀性能。控制其含量在0.010～0.050％范围内。
V：微合金元素，析出强化来提高钢的强度。控制V含量在0.05～0.09％范围内。
Ti：微合金元素，细化晶粒，提高强度和表面质量。控制其含量在0.008～0.030％。微Ti处理是通过少量添加改善钢管的热塑性保证钢管的表面质量。
Cr：合金化元素，提高强度保证低硬度，控制其范围含量在0.05～0.30％范围内。
Mo：合金化元素，提高强度和抗腐蚀性能，控制其含量在0.05～0.30％范围内。
Ni：合金化元素，提高强度、抗腐蚀性和低温韧性，控制其含量在0.05～0.30％范围内。
Cu：合金化元素，提高抗HIC性能，控制其含量在0.05～0.25％范围内。
Ca：钙极易氧化，一般收得率特别低，一次钙处理很难保证满足球化处理所需要的含量，因此进行二次钙处理，保证钙含量在0.0005～0.0040％。二次钙处理在VD或RH后，上连铸前进行，保证Ca的收得率，既能满足CaS球化要求，又能细化晶粒，提高抗腐蚀性能。
O、N、H：气体元素，考虑腐蚀性能、表面质量等，尽量控制较低含量。N≤0.010％，O≤0.002％，H≤0.0002％。
Pb、Sn、As、Sb、Bi：五害元素，钢种不可避免的杂质。但其含量过高会导致钢管表面产生裂纹，对抗腐蚀性能也不利，控制其含量在Pb≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.030％，Sb≤0.015％，Bi≤0.015％。Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.030％。
B：残余元素。考虑钢的表面质量和焊接性能，控制其含量在≤0.0005％范围内。
按照本发明的无缝管线管成份的重量％配料，通过炼钢、无缝斜轧、调质处理，采用优质废钢、管头和铁水(≥30％)为原料，通过EAF电炉、LF精炼、VD或RH真空炉、FW喂丝处理，喂丝处理为纯Ca丝，喂入量≥50m/炉、二次钙处理、微钛处理、连铸铸成钢坯；控制拉矫温度大于950℃，采用末端电磁搅拌；采用二次钙处理降低杂质S含量，微钛处理提高铸坯热塑性保证铸坯表面质量，末端电磁搅拌降低成分偏析；连铸坯冷定心后，通过冷定心、穿孔、三棍PQF连轧机组连轧、定径、步进梁大冷床冷却，采用两辊MPM或三棍PQF连轧机组连轧可获得60.3mm～508mm的规格系列，结合720REM机组可以生产508～711mm规格系列；冷却后轧态管经步进式高温加热炉加热后内喷外淋旋转式水冷淬火、步进式低温加热炉回火空冷、热矫直、热定径得到最终尺寸合格的抗大应变抗腐蚀无缝管线管，其性能可达到以下要求：
1.拉伸性能：屈服强度：≥415MPa、抗拉强度：≥530MPa
屈强比：≤0.90；
2.V型缺口冲击性能：
试验温度-20℃，横向，全尺寸夏比冲击功≥300J，剪切面积100％；具有极好低温韧性，即使在-80℃，冲击功也能在150J以上，如图1所示；
3.硬度试验：≤230HV10；
4.晶粒度：9级～14级；
5.金相组织：双相组织B回+F或复合组织B回+S回+F(添加Cr、Mo、Ni合金均超过0.1％以上的管材)，如图2和图3所示；
6.抗HIC性能：
在NACEA溶液下浸泡96小时检验试样，均为出现裂纹，满足裂纹长度率≤5％、裂纹厚度率≤3，裂纹敏感率≤1.5％高标准的抗腐蚀性能要求，具有优异的抗HIC性能。
7.抗SSC性能
试样尺寸115mmx15mmx5mm在NACEA溶液下，加载100％最小屈服强度(415MPa)，试验时间≥96h。试验结束后试样不应有任何可见超过0.1mm的开裂或裂纹。
8.抗大应变性能
先把试样拉到塑性3％变形后，再压回原长，如此循环三次，如图4所示。试样长度保证能在变形后满足后续试验所需要的长度。大变形后的试样在250℃时效，保温1小时之后进行比例试样拉伸试验、硬度试验、纵向冲击试验。试验结果要满足下面要求：
a.拉伸性能：屈服强度：≥415MPa、抗拉强度：≥530MPa
屈强比：≤0.90；
b.V型缺口冲击性能：冲击功：试验温度-20℃，横向，全尺寸夏比冲击功≥300J，剪切面积100％；
c.硬度试验：≤230HV10；
d.HIC和SSC：96小时未出现裂纹及开裂。
按照本发明的无缝管线管成份配料，通过炼钢、无缝斜轧、调质处理，采用优质废钢、管头和铁水(≥30％)为原料，通过EAF电炉、LF精炼、VD或RH真空炉、FW喂丝处理，喂丝处理为纯Ca丝，喂入量≥50m/炉、二次钙处理、微钛处理、连铸铸成钢坯；控制拉矫温度大于950℃，采用末端电磁搅拌；连铸坯冷定心后，通过冷定心、穿孔、MPM连轧机组连轧、定径、步进梁大冷床冷却；冷却后轧态管经步进式高温加热炉加热后水冷淬火、步进式低温加热炉回火空冷、热矫直、热定径得到无缝管线管，以415SPDF钢级，规格219.1mm×15.9mm为例，其化学成分如下表1；力学性能如下表2；抗HIC性能见表3；抗SSC性能如表4；抗大应变性能如表5。
由于管材化学成分完全按照上述的要求配置，S和P含量较低，各炉成分含量偏差很小，稳定的成分含量有利于热处理时进行温度控制，从而为管材具有良好的组织和性能提供了前提条件。
从表2中可以看出，本发明得到的无缝管线管具有高强度，低硬度(≤230HV10)，高冲击韧性，由于很低的硬度值则为很高的耐腐蚀能力提供保证。从抗HIC试验结果表3看，具有很强的抗HIC性能，均未发现氢致开裂裂纹和氢鼓泡，裂纹敏感率(CSR)≤0％，裂纹长度率≤0％，裂纹厚度率(CTR)≤0％。从表4上可以看出在高载荷下，本发明的无缝管线管产品仍具有良好的抗SSC性能，未出现开裂和裂纹。表5在拉压循环3次后性能仍能满足强度大于415MPa，说明了本发明的无缝管线管具有良好的抗大应变性能。
表1本发明管线管的实施例化学成分
注：Ni+Mo+Cr+Cu≤0.8％；Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.030％
表2本发明管线管实施例的力学性能和金相
表3本发明管线管实施例的抗HIC试验结果
表4本发明管线管实施例的抗HIC试验结果
表5本发明管线管实施例的3％拉压循环后的力学性能
Claims (2)
1.一种具有抗大应变的415SPDF以上钢级海底无缝管线管，其特征是：该海底无缝管线管成份的重量％为C0.05～0.11％，Si0.20～0.40％，Mn1.0～1.40％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni0.05～0.30％，Cr0.05～0.30％，Mo0.05～0.30％，Als0.010～0.050％，N≤0.010％，Nb0.010～0.050％，V0.03～0.08％，Cu0.05～0.25％，Ti0.008～0.030％，Pb≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.030％，Sb≤0.015％，Bi≤0.015％，B≤0.0005％，余量为Fe和杂质，碳当量CEpcm≤0.22％，CEⅡW≤0.39％，添加Ni、Mo、Cr、Cu合金，并限制Ni+Mo+Cr+Cu≤0.8％；Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.030％。
2.根据权利要求1所述的海底无缝管线管，其特征是：所述海底无缝管线管在屈服强度≥415MPa下的抗大应变性能：3％应变下拉压循环3次能保证强度大于415MPa，-20℃冲击功大于300J；还具有良好的抗HIC和SSC性能指标为：裂纹敏感率(CSR)≤1.5％，裂纹长度率≤5％，裂纹厚度率(CTR)≤3％，SSCB法100％最小屈服强度加载下96h不断裂。
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