CN107805756A

CN107805756A - 一种低温用钢、低温压力容器和管道用钢管及其制备方法

Info

Publication number: CN107805756A
Application number: CN201610815320.1A
Authority: CN
Inventors: 王金光; 尹青锋; 张迎恺
Original assignee: Sinopec Engineering Inc; Sinopec Engineering Group Co Ltd
Current assignee: Sinopec Engineering Inc; Sinopec Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-03-16

Abstract

本发明提供了一种低温用钢、低温压力容器和管道用钢管及其制备方法，以所述低温用钢的重量为基准，所述钢含有按重量百分数计的以下化学成分：C：0.09～0.16％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.85～1.70％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，Ni：0.30～0.86％，Nb：≤0.05％，Cu：≤0.30％，V：≤0.05％，Als：0.015～0.080％，[N]≤70ppm，[O]≤30ppm，[H]≤2ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。采用上述低温用钢制备的低温压力容器和管道用钢管耐低温性能良好：在‑60℃(含)以上温度具有较高韧性，钢管的冲击吸收能量KV2≥65J。

Description

一种低温用钢、低温压力容器和管道用钢管及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油化工、煤化工等应用的压力容器和压力管道领域，具体涉及一种低温用钢、低温压力容器和管道用钢管及其制备方法。

背景技术

随着国内对清洁能源的需求越来越大，炼油、化工、煤化工、煤制气和LNG的装置也大量上马。这些装置中，压力容器、换热器及压力管道占总设备投资的60％以上，因此，上述各部件的制备材料除了满足其应用的基本要求，还应该考虑其经济性。另外，此类装置一般都存在一个特点：低温工况。为了对付这种环境，国内外已经开发出-40℃、-45℃、-50℃、-70℃、-100℃级别的低温低合金钢管，但是唯独缺乏-60℃级别的钢管，这给工程设计、制造、采购和施工带来不便。有时会存在过度使用问题，如本来可以选择-60℃级别的，却不得不选择-70℃级别的，造成不必要的浪费。

专利文献CN104651717A公开了一种含稀土的X80钢级低温用无缝管线钢管，从X80这个牌号可以看出，该专利是用于油气远距离传输的管线钢，是通过添加稀土提高低温性能的高强管线钢，众所周知，通过淬火提高强度以后，提高低温性能很难，如果该发明不添加稀土，又采用淬火提高强度，含碳量又这么高，想达到-60℃那么高的冲击功根本不可能，而为了达到-60℃冲击韧性要求，采用正火工艺，强度级别则不可能达到X80级别。稀土金属的使用虽然解决了上述问题，但是其价格相对昂贵，使得投资成本增加。

Ni系钢是目前本领域广泛应用于低温的钢材料，这类钢管材料通过添加Ni来提高低温韧性，但其仍存在低温强度低，韧性和塑性不可兼得，价格昂贵等问题。因此，有必要开发一种基于Ni系钢的低温用钢。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低温用钢、低温压力容器和管道用钢管及其制备方法。由所述低温用钢制备的低温压力容器和管道用钢管的耐低温性能良好：在-60℃以上温度具有较高韧性。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种低温用钢，以该钢的重量为基准，所述钢含有按重量百分数计的以下化学成分：C：0.09～0.16％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.85～1.70％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，Ni：0.30～0.86％，Nb：≤0.05％，Cu：≤0.30％，V：≤0.05％，Als：0.015～0.080％，[N]≤60ppm，[O]≤20ppm，[H]≤2ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种采用如上所述的低温用钢制备的低温压力容器和管道用钢管，该钢管的实际晶粒度为6级或更细。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种所述低温压力容器和管道用钢管的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)钢的炼制：对原料进行冶炼，再进行炉外精炼，最后进行真空处理；

2)钢管成型：通过连铸或模铸的方法制造管坯，再采用轧制法成型；

3)热处理：成型钢管的交货状态为正火或正火+回火。

利用本发明的低温用钢制得的钢管的力学性能包括：其中，室温力学性能包括：屈服强度≥415MPa，抗拉强度为550～630MPa，纵向延伸率A_50mm≥36％。当所述钢管的直径Φ≥76mm，且壁厚≥14mm时，所述钢管在-60℃下的冲击吸收能量KV2≥65J。本发明的低温压力容器和管道用钢管在-60℃以上温度具有较高的韧性。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限制本发明。

优选地，本发明的低温用钢，以该钢的重量为基准，所述钢含有按重量百分数计的以下化学成分：C：0.10～0.15％，Si：0.15～0.45％，Mn：1.05～1.58％，S：≤0.009％，P：≤0.016％，Ni：0.42～0.76％，Nb：≤0.04％，Cu：≤0.28％，V：≤0.03％，Als：0.018～0.065％，[N]≤50ppm，[O]≤15ppm，[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。

根据本发明，所述低温用钢中主要化学成分的作用如下：

C：碳可以通过间隙固溶提高钢强度，是强化结构钢最有效的元素，而且也是最经济的元素，然而碳对韧性、塑性、焊接性等有不利的影响，因此基于钢的强韧性、焊接性等各性能的匹配，同时为了尽可能降低压力容器和压力管道的壁厚，本发明的C的含量控制在0.09wt％～0.16wt％之间，优选C的含量为0.10wt％～0.15wt％。

Si：硅在钢中起脱氧作用，也有一定的固溶强化效果，硅除了能够抑制锰偏聚外，还可以抑制磷的晶界偏聚，但钢中硅含量过高会使钢出现脆性，为了保证韧性，本发明的Si的含量控制在0.15wt％～0.50wt％之间，优选Si的含量为0.15wt％～0.45wt％。

Mn：锰是奥氏体稳定元素，同时也是基体强化元素，可以通过沉淀强化来提高强度，锰还可以提高材料的淬透性，过低则强度达不到要求，过高则影响材料的韧性，而且硅和锰以一定的比例存在于钢中，还有利于抑制彼此偏聚，因此，将Mn的含量控制在0.85wt％～1.70wt％范围内，优选Mn的含量为1.05wt％～1.58wt％。

S、P：在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量。硫易与金属元素锰形成析出物硫化锰，降低低温韧性，S含量控制在0.010wt％以下，优选S的含量≤0.009wt％；磷容易在晶界偏聚，降低晶界抗裂纹扩展能力，降低低温韧性，将P的含量控制在0.020wt％以下，优选P的含量≤0.016wt％。

Ni：镍是非碳化物形成元素，在钢中主要起到固溶强化的作用，尤其是对材料在低温下的稳定性至关重要，是金属元素中最好的降低韧脆转变温度元素，有利于提高材料的淬透性和强度，同时还能提高材料的低温塑性，出于经济性考虑，将Ni的含量控制为0.30wt％～0.86wt％，优选Ni的含量为0.42wt％～0.76wt％。

Nb：铌的碳氮化合物应变诱导析出发挥沉淀强化作用，同时阻止热加工过程中晶粒的长大。如果其含量偏高，则连铸钢坯易裂，影响钢管的成材率，本发明控制Nb的含量≤0.05wt％，优选Nb的含量≤0.04wt％。

Cu：铜可以稳定奥氏体，显著提高碳的活度，促进合金碳化物的析出，从而可以间接发挥细化转变组织和析出强化的作用，将Cu的含量控制在≤0.30wt％的范围内，优选Cu的含量≤0.28wt％。

V：钒显著增加锻件钢管的再热裂纹敏感性，同时与钢中的铌之间交互作用，起到铌钒复合强化的作用，从而弥补了因钢中碳含量下降所造成的钢管强度的下降状况，限制V的含量≤0.05wt％，优选V的含量≤0.03wt％。

Als：酸溶铝具有细化晶粒的作用，炼钢生产工艺中为了降低钢中的含氧量，常用铝、钡、钙、硅、锰等脱氧材料(或其复合合金)与氧发生反应成氧化物炉渣上浮到钢水上层而降低钢中的氧含量，其中铝是优良的脱氧剂，铝易与氧反应生成Al₂O₃(极少量氮化铝)，同时有部分单质铝溶入钢中，这部分单质铝可被酸溶解称为酸溶铝，本发明控制Als的含量在0.015wt％～0.080wt％范围之内，优选Als的含量为0.018wt％～0.065wt％。

[N]、[O]、[H]：氮、氧与铝容易形成高熔点析出物氮化铝和氧化铝，而且析出物直径较大，在析出物附近容易造成应力集中而成为裂纹源，严重影响基体的低温韧性，本发明控制[N]的含量≤60ppm，优选[N]的含量≤50ppm，[O]的含量≤20ppm，优选[O]的含量≤15ppm，氢的含量也应该严格控制，使之处于尽可能低的水平，本发明控制[H]的含量≤2ppm，优选[H]的含量≤1.5ppm。

根据本发明，优选范围内的各组分能够进一步提高采用低温用钢制备的钢管在室温下的屈服强度、抗拉强度及纵向延伸率；以及钢管在-60℃下的冲击吸收能量。

根据本发明，所述钢含有的A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物一般均不大于0.5级；其中，A类、B类、C类和D类夹杂物的粗、细系列之和一般均不大于1.5级。

其中，A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物的概念为本领域技术人员所公知。具体指的是：A类为硫化物，B类为氧化铝，C类为硅酸盐，D类为球状氧化物，DS类为单颗粒球状。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种采用所述的低温用钢制备的低温压力容器和管道用钢管，该钢管的实际晶粒度可以为6级或更细。

根据本发明的低温压力容器和管道用钢管，所述钢管的室温力学性能包括：屈服强度(R_el)≥415MPa；抗拉强度(R_m)为550～630MPa；纵向延伸率A_50mm≥36％(标距为50mm)。

根据本发明，当所述钢管的直径Φ≥76mm，且壁厚≥14mm时，所述钢管进行夏比(V型缺口)冲击试验时，所述钢管在-60℃下的冲击吸收能量KV2≥65J。

3)热处理：成型钢管的交货状态为正火或正火+回火。

通常地，步骤1)中，所述原料可以采用电弧炉或氧气转炉进行冶炼，具体根据原料的种类来选择。

步骤2)中，所述轧制法可以为热轧(扩)或冷轧(拔)。

步骤3)中，所述正火的温度可以为890～940℃，回火的温度可以为580～640℃。

本发明所述的炉外精炼和真空处理均可通过本领域常规工艺和设备进行。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

一种低温压力容器和管道用钢管，规格为Φ273×13，所述钢管的制备方法包括以下步骤：

1)钢的炼制：采用电弧炉对原料进行冶炼，再进行LF炉外精炼，最后进行VD真空脱气，制得的钢的化学成分如表1所示；

2)钢管成型：首先通过连铸工艺制造管坯，再采用热轧(扩)成型；

3)热处理：成型钢管的交货状态为正火+回火，经测定钢管的相变温度Ac1为690℃，Ac3为864℃，Ar1为580℃，Ar3为785℃，正火温度选用890℃，回火温度选用630℃。

实施例2

实施方式同实施例1，其中，制得的钢的化学成分如表1所示，正火温度选用910℃，回火温度选用615℃。

实施例3

实施方式同实施例1，其中，制得的钢的化学成分如表1所示，正火温度选用930℃，回火温度选用590℃。

实施例4

实施方式同实施例1，其中，制得的钢的化学成分如表1所示，交货状态为正火，正火温度选用890℃。

对比例1

实施方式同实施例1，不同之处在于，制得的钢的化学成分如表1所示。

对比例2

上述实施例和对比例制得的钢管用钢的化学成分如表1所示。

表1

实施例与对比例制得的钢管的室温力学性能及实际晶粒度如表2所示。

表2

*拉伸试样为纵向。

由表1和表2中实施例和对比例所得钢管的化学成分、室温力学性能及晶粒度数据可知，采用本发明的低温用钢制备的钢管具有≥415MPa的屈服强度，≥564MPa的抗拉强度，≥36％的室温延伸率，均优于对比例。

按照GB/T6394的方法测定实施例钢管的实际晶粒度为6.5级或更细。

另外，按照GB/T10561中B法测量各钢管中夹杂物含量，其中，A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物均不大于0.5级；其中，A类、B类、C类和D类夹杂物的粗、细系列之和均不大于1.0级。

将实施例与对比例制备的钢管的进行夏比(V型缺口)冲击试验结果如表3所示。

表3

*冲击试样为横向，所示KV2值为三个试样的平均值。

由表3可知，本发明的钢管在低温条件下具有较高的韧性，能够满足实际应用的需要，在-60℃下，本发明的钢管的冲击吸收能量KV2≥65J。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims

1.一种低温用钢，其特征在于，以该钢的重量为基准，所述钢含有按重量百分数计的以下化学成分：C：0.09～0.16％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.85～1.70％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，Ni：0.30～0.86％，Nb：≤0.05％，Cu：≤0.30％，V：≤0.05％，Als：0.015～0.080％，[N]≤60ppm，[O]≤20ppm，[H]≤2ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。

2.如权利要求1所述的低温用钢，其中，以该钢的重量为基准，所述钢含有按重量百分数计的以下化学成分：C：0.10～0.15％，Si：0.15～0.45％，Mn：1.05～1.58％，S：≤0.009％，P：≤0.016％，Ni：0.42～0.76％，Nb：≤0.04％，Cu：≤0.28％，V：≤0.03％，Als：0.018～0.065％，[N]≤50ppm，[O]≤15ppm，[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。

3.如权利要求1或2所述的低温用钢，其中，所述钢含有的A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物均不大于0.5级；其中，A类、B类、C类和D类夹杂物的粗、细系列之和均不大于1.5级。

4.一种采用如权利要求1～3中任意一项所述的低温用钢制备的低温压力容器和管道用钢管，其特征在于，该钢管的实际晶粒度为6级或更细。

5.如权利要求4所述的低温压力容器和管道用钢管，其中，所述钢管的室温力学性能包括：屈服强度≥415MPa；抗拉强度为550～630MPa；纵向延伸率A_50mm≥36％。

6.如权利要求4所述的低温压力容器和管道用钢管，其中，当所述钢管的直径Φ≥76mm，且壁厚≥14mm时，所述钢管在-60℃下的冲击吸收能量KV2≥65J。

7.一种权利要求4～6中任意一项所述的低温压力容器和管道用钢管的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

3)热处理：成型钢管的交货状态为正火或正火+回火。

8.如权利要求7所述的低温压力容器和管道用钢管的制备方法，其中，步骤1)中，所述原料采用电弧炉或氧气转炉进行冶炼。

9.如权利要求7所述的低温压力容器和管道用钢管的制备方法，其中，步骤2)中，所述轧制法为热轧或冷轧。

10.如权利要求7所述的低温压力容器和管道用钢管的制备方法，其中，步骤3)中，所述正火的温度为890～940℃，回火的温度为580～640℃。