CN114250414A - 管线用无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管线用无缝钢管及其制备方法。其中，该管线用无缝钢管包含：C：0.06％～0.12％，Si：0.10％～0.45％，Mn：1.35％～1.65％，Cr：0.12％～0.25％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.01％～0.05％，Al：0.025％～0.060％，Nb:0.01％～0.04％,Ni：0.15％～0.45％，N：0.003％～0.010％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.15％等。应用本发明的技术方案，通过严格控制组分含量，可以使制备得到的管线用无缝钢管的尺寸精度在标准要求之内，能够满足海洋立管X65钢级的要求。

Description

管线用无缝钢管及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢管制造技术领域，具体而言，涉及一种管线用无缝钢管及其制备方法。

背景技术

随着陆上油气资源的逐渐萎缩，人类开采石油的领域逐渐过渡到海洋上来，从浅海到深海，人类的海洋工业正在向更深的海域中建造石油勘探和生产系统，这是世界海洋油气工业发展的趋势。随着水深的不断增加，深水开发的技术装备也不断面临新的挑战。海洋平台和立管系统不断的发展，油气生产和储运平台在海洋作用下，具有复杂的运动特征，因此对连接海底管线和平台的立管提出了严格的要求。

其中，管线用管指沿陆地或者海底铺设或悬挂于海洋平台的输油输气的无缝钢管，其中海油立管适合深海输送油气，海洋立管使用见图1。图1中从平台垂下管线3部分即为海洋立管，其中，在图1中，1为钻井平台，2为水平面，4为海底管线管，5为海洋深度(例如：≥1500米)。

管线用无缝钢管、海洋油气用管，尤其是海洋立管的使用环境极其恶劣，不但受到自身重力、浪涌、涡激振动、深水压力、洋流环境等因素的影响，同时还会发生海盐和海水腐蚀，其悬垂段和流线段随洋流的影响，在海洋中产生浮式运动、与海底相互作用，还极易发生疲劳损伤。因此，钢管不仅需要较高的强度、较低的屈强比，延伸率大于25％，而且需要良好的低温韧性以及较高的CTOD值和抗疲劳破坏性能。其为了满足优秀的焊接性能，除了要求碳当量Epcm，特别对P、S元素有要求，钢种的总体设计思路是，低碳、微合金，优秀的焊接性能，但是同时又要保证一定的拉伸性能，低的屈强比，来保证长期服役的安全性。

管线用无缝钢管，特别是海洋服役的立管，其尺寸精度是影响疲劳性能的重要因素。因其悬挂在海洋平台下，受到海浪的冲击，各管端之间须尽量保证中心一致，减少疲劳裂纹，保证几十年的服役寿命。此外在海上铺设海洋立管时，因场地限制，钢管尺寸精度要求苛刻，主要尺寸方面技术指标要求钢管管端壁厚精度±1mm，管端内径偏差控制在±0.25mm。传统的无缝钢管生产方式难以满足海洋立管的要求。而采用热轧钢管+内镗外扒，虽然可以满足尺寸精度要求，但是海洋立管较长，其长度＞12m，内镗时，镗杆受到重力自然下垂，钢管中部加工力度不够，故加工后尺寸难以满足要求，此外采用内镗外扒方式，废弃金属过大，成本较高。另外，采用无缝钢管+冷轧的方法，仅可以满足部分薄壁小口径钢管的尺寸要求，中大口径、壁厚≥20mm的钢管，冷轧存在轧制抗力大、生产效率极低和成本较高等缺点。采用普通的无缝钢管+冷拔方法+热处理生产工艺，虽然壁厚精度能够满足其要求，但是随后的热处理和矫直工序，钢管内径难以满足其要求。另外管线用无缝钢管，特别是海洋立管，其重量方面有要求，壁厚厚，重量重，内孔有足够机加工余量，但是整个立管平台承受更大的力，影响服役安全。而钢管壁厚薄，重量轻，后续管端内孔加工余量又不够，后续的管端尺寸差，无法成材。因此，立管的尺寸需要综合设计，既能满足尺寸和重量偏差，又不影响后续管端机加工，需要在钢管尺寸、重量、加工余量三者之间找到一个平衡点。

发明内容

本发明旨在提供一种管线用无缝钢管及其制备方法，以提供一种新的管线管用的X65钢级的新钢种。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种管线用无缝钢管。该管线用无缝钢管的化学组分重量百分比为：C：0.06％～0.12％，Si：0.10％～0.45％，Mn：1.35％～1.65％，Cr：0.12％～0.25％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.01％～0.05％，Al：0.025％～0.060％，Nb:0.01％～0.04％,Ni：0.15％～0.45％，N：0.003％～0.010％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.15％，Ti≤0.01％、CE_pcm：≤0.25％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，C：0.08％～0.11％，Si：0.25％～0.45％，Mn：1.35％～1.55％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.10％，Ni：0.20％～0.30％，Cr：0.15～0.20％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.02％～0.03％，Nb：0.01％～0.02％，Ti：＜0.01，Al：0.025％～0.045％，N：0.003％～0.008％，B≤0.0005％，Ca：＜0.005％，Al/N＞2.0，CE_pcm≤0.22％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述管线用无缝钢管的制备方法。该制备方法包括以下步骤：S1，按管线用无缝钢管的化学组分进行配料、冶炼、铸造成坯料；S2，将准备好的坯料轧制成无缝钢管；S3，对无缝钢管进行冷拔处理；S4，将冷拔所得无缝钢管进行热处理；S5，对无缝钢管管端内孔进行加工，得到管线用无缝钢管。

进一步地，S1具体包括：配料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气以及弧形连铸得到坯料；优选的，S1中配料的原料包括铁水、管头、纯净料、废钢、铁合金和铝中的多种，铁水加入量≥60％；其中，铁水是指P≤0.20％、S≤0.050％、As≤0.015％、Sn≤0.015％、Pb≤0.003％的铁水；纯净料是指无锈、无油污、无涂层的废钢散料；废钢中As+Sn+Pb+Bi≤0.020％；优选的，电炉冶炼的过程中，出钢条件为：钢水温度≥1620℃，P≤0.008％，C≤0.05％；优选的，电炉冶炼的过程中，采用低钛低硼高铝渣和石灰的比例为1:3～1:4，低钛低硼高铝渣中钛的含量＜0.010％，硼的含量＜0.0005％，铝的含量为0.020％～0.050％。

进一步地，炉外精炼的过程中，采用全程吹氩精炼工艺，并分批均匀加入碳化钙、铝粒和碳粉进行脱氧，真空脱气工艺：极限真空条件下气压≤67Pa，保持时间≥20min，真空脱气后喂入纯钙包芯线0.7～2.0m/t进行钙处理；吹氩时间≥10min；优选的，进行弧形连铸的过程中，拉坯速度控制在0.3～1.0m/min，过热度控制在35～44℃。

进一步地，炉外精炼的过程还包括深度脱磷、脱硫以及降低Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量；优选的，脱硫包括添加BaO和Li₂O渣进行脱硫，BaO和Li₂O渣包括：CaO 40％～60％，SiO₂2％～10％，Al₂O₃ 15％～30％，BaO 5％～15％，Li₂O 0.1％～2％和MgO 3％～10％；优选的，入炉料砷含量控制在0.03％以下，炉渣碱度R2控制在1.10-1.25，渣量310-330kg/t，铁水温度1465～1490℃，高炉顶压180～200KPa。

进一步地，S2包括：将坯料在环形炉中加热，加热到1220～1300℃得到热坯，对热坯进行穿孔，得到毛管，利用轧管机组将毛管轧制成荒管，将荒管定径得到热轧无缝钢管。

进一步地，轧管机组为周期轧管机组，轧制比≥8，热轧后荒管的可晶粒度≥7级；优选的，周期轧管机组的周期轧辊孔型包括锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段；周期轧辊孔型的精轧段的侧壁角为20～22°，周期轧管机组的轧辊的辊缝值为50～60mm；优选的，锻轧段为轧辊的减径减壁区域，锻轧段的曲线采用包络曲线，包络曲线的应圆心角为80～90°，

其中，Y为孔型深度，A＝L-B/tanη，^b＝a/tanη-1，a＝B/A，η为锻轧段起始点的切角，B为锻轧段的开口深度，L为锻轧段的长度，X为锻轧段的变形点游动位置；A、a、b为计算系数；优选的，精轧段将锻轧段轧制过的毛管进一步均壁轧制，使荒管的壁厚达到尺寸要求，精轧段的轧槽底部半径是不变的，精轧段的曲线采用直线，精轧段的圆心角为65～80°；优选的，终轧段使荒管表面逐渐脱离轧辊，终轧段的圆心角为15～20°；优选的，轧辊在空轧段不与钢管接触，空轧段的曲线采用抛物线、包络线和圆弧的一种或者几种组合构成。

进一步地，S3中的冷拔处理中，在冷拔外模两侧装有外冷却水环，冷拔所得的无缝钢管的钢管头尾外径差≤0.1mm，冷拔所得无缝钢管的外径精度控制在±0.5mm内，外径椭圆度≤0.6mm，壁厚偏心率≤6％S，其中，S表示钢管实际壁厚。

进一步地，S4中的热处理包括，在880℃～1000℃温度区间下，采用内喷外淋方式强制冷却进行淬火，出淬火炉后，冷却速度：10～100℃/S，优选20℃～100℃/S，更优选30～100℃/S；将无缝钢管强制冷却到50℃以下，更优选冷却到35℃以下；在660～700℃温度区间下，对已淬火无缝钢管进行回火，得到回火组织，无缝钢管的贝氏体含量超过80％，晶粒度≥8级。

进一步地，回火后的无缝钢管，延伸率≥25％，韧脆转变温度在-80℃以下，-30℃下CTOD(裂纹尖端张开位移值)大于1.5mm。

进一步地，热处理后，无缝钢管的管端直线度≤1.5mm/1.5m。

应用本发明的技术方案，通过严格控制组分含量，可以使制备得到的管线用无缝钢管的尺寸精度在标准要求之内，能够满足海洋立管X65钢级的要求；并且钢管的屈服强度、拉伸强度、伸长率、硬度、晶粒度、低温韧性与X65钢级的要求几乎相当或甚至更高，尤其是低温韧脆转变温度和CTOD值(裂纹尖端张开位移)远优于普通管线管。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了海洋立管使用示意图；

图2示出了根据本发明一实施方式的冷拔内外模具的结构示意图，其中，在图2中，1为外模，2为内模，3为冷却水，4为钢管；

图3示出了X65钢级所选钢种的CCT曲线(即过冷奥氏体连续冷却转变曲线)；

图4示出了根据本发明一实施方式的管端内孔加工示意图；

图5示出了实施例1中457.2×31.8规格冷拔内模结构示意图：

图6示出了实施例1中457.2×31.8规格冷拔外模结构示意图；

图7示出了实施例1的钢种的CCT曲线；

图8示出了实施例1中制备的钢材的回火贝氏体组织图；

图9示出了实施例1中的标准试样结构示意图；

图10示出了实施例1的冲击韧脆转变曲线图；

图11示出了实施例1的无缝钢管的车削内孔后管端尺寸示意图；

图12示出了实施例2中323.9×27规格冷拔内模结构示意图；

图13示出了实施例2中323.9×27规格冷拔外模结构示意图；

图14示出了实施例2的钢种的CCT曲线；

图15示出了实施例2中制备的钢材的回火贝氏体组织图；

图16示出了实施例2的冲击韧脆转变曲线图；以及

图17示出了实施例2的无缝钢管的车削内孔后管端尺寸示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

针对现有技术中的不足，本发明提供了下列技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种管线用无缝钢管。该管线用无缝钢管的化学组分重量百分比为：C：0.06％～0.12％，Si：0.10％～0.45％，Mn：1.35％～1.65％，Cr：0.12％～0.25％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.01％～0.05％，Al：0.025％～0.060％，Nb:0.01％～0.04％,Ni：0.15％～0.45％，N：0.003％～0.010％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.15％，Ti≤0.01％、CE_pcm：≤0.25％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

应用本发明的技术方案，通过严格控制组分含量，可以使制备得到的管线用无缝钢管的尺寸精度在标准要求之内，能够满足海洋立管X65钢级的要求；并且钢管的屈服强度、拉伸强度、伸长率、硬度、晶粒度、低温韧性与X65钢级的要求几乎相当或甚至更高，尤其是低温韧脆转变温度和CTOD值(裂纹尖端张开位移)远优于普通管线管。

进一步地，C：0.08％～0.11％，Si：0.25％～0.45％，Mn：1.35％～1.55％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.10％，Ni：0.20％～0.30％，Cr：0.15～0.20％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.02％～0.03％，Nb：0.01％～0.02％，Ti：＜0.01，Al：0.025％～0.045％，N：0.003％～0.008％，B≤0.0005％，Ca：＜0.005％，Al/N＞2.0，CE_pcm≤0.22％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其主要设计思路为低碳、微合金，降低P、S和五害元素，采用大的轧制比，破碎铸造枝晶，获得较细的晶粒度。设计合适钢种淬透性来获得一定强度和高韧性的下贝氏体金相组织，得到良好的机械性能，低的碳当量CE_pcm保证钢管优异的焊接性能。其中，P≤0.015％、S≤0.003％，降低钢中五害元素含量，确保钢的质量稳定，以确保后续钢材韧性和CTOD性能。

其中，CE_pcm：＝C+Mn/6+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

以下，对本发明中管线用无缝钢管的化学成分进行如上所规定的理由进行说明，其中，表示化学组成的含量(浓度)的“％”的含义是“质量％”。

C：0.06％～0.12％

C为碳化物形成元素，能有效提高钢的强度和淬透性，钢的强度随碳含量的增加而提高，但冲击韧性和延伸率则明显下降，并对焊接性能不利，因此，C含量控制在0.06％～0.12％，既可以保持钢的强度和韧性，又不会对焊接性能产生不利的影响。

Mn：1.35％～1.65％

Mn为奥氏体形成元素，即能提高钢管的强度，又能提高钢管的淬透性和降低淬火温度，同时具有脱氧和脱硫功效，能削弱硫的不良影响，但Mn含量过高时，有使晶粒粗化和增加回火脆性的敏感性，不利于无缝钢管的韧性，特别是低温冲击韧性和CTOD值。因此，将Mn含量上限设为1.65％，为了确保强调和提高淬火，优选将Mn含量的下限设为1.35％，优选Mn含量下限为1.45％。

Si：0.10％～0.45％

Si能实现脱除钢中氧的作用，进而提高钢管的韧性，Si含量过高会促进回火脆性的发展，使塑性降低，并且，Si含量过高，会影响焊接性能。而且，Si透热能力较差，加入较多的Si，钢坯轧制过程易出现内折、裂纹等轧制缺陷。因此，作为脱氧所需，将最低Si含量设在0.1％，Si含量的上限设为0.45％。

Cr：0.12％～0.25％

Cr为碳化物形成元素，可以提高钢管的强度和淬透性，同时Cr和Fe形成的复杂碳化物细小且难溶解，能够细化晶粒和提高回火稳定性，但Cr过高提高钢的脆性转变温度和降低钢的低温冲击韧性，并且影响焊接性能。

Mo：0.15％～0.25％

Mo可以提高钢的淬透性，并通过在晶界上形成弥散分布的碳化物来提高钢的强度、细化晶粒和提高钢的回火稳定性，能够降低或抑制其他元素所导致的回火脆性，所以在提高钢的强度同时显著提高钢的冲击韧性和CTOD值。但Mo含量过高会影响焊接性能和韧性。

V：0.01％～0.05％

V在钢中容易和C、N形成极为稳定的碳化物和氮化物，而碳化钒和氮化钒在钢中通常以细小、弥散的形式存在，所以能够显著地细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，从而同时提高钢的强度和韧性，同时当含量较高时回火过程中会形成二次硬化现象，同时碳化钒和氮化钒会在晶粒内部析出导致钢的韧性降低。

Ni：0.15％～0.45％

Ni是一种形成和稳定奥氏体的主要合金元素，能够与Fe互溶的形式存在于钢中而提高钢的强度，同时通过细化α相的晶粒改善钢的低温韧性和降低钢的低温脆性转变温度和提高CTOD值，这对立管在海洋低温环境下使用有极重要的作用，但Ni含量过高易饱和，且对钢的焊接性能不利。

Al：0.025％～0.060％

Al是钢中良好的脱氧剂，能够与Si配合脱除原料中的氧，并能够生成高度细碎的、超显微的氧化物，能够有效阻止钢加热时晶粒的长大，能够细化晶粒。由于Al的脱氧效果饱和以及避免夹杂物以团状形式出现，但是在含Cr钢中加入过量的Al会使钢管表面形成一层更为致密的氧化铁皮，在高压水下不容易去除，因此，Al含量的上限为0.060％。

P：0.015％以下

P会在晶界处偏析而很难获得均匀的组织，同时很少的P都会提高钢的回火脆性的敏感性，因此，P会增加钢的脆性，尤其是低温脆性，所以应尽量降低P含量。P含量设为0.015％，更优选为0.010％。

S：0.003％以下

S会形成硫化物夹杂，严重降低钢的延展性和韧性，特别是冲击韧性和CTOD值，所以应尽量降低S含量，设为最大0.003％。

B：0.0005％以下

B具有提高淬透性的效果，但是B含量超过0.0005％会促进晶界粗大碳化物的生成，导致钢的韧性下降。因此，B含量设最大0.0005％。

Nb：0.010～0.040％

Nb作为稀土元素，可以起到细化晶粒的效果。其与钢中的C、N形成碳化物和氮化物，抑制钢中奥氏体加热长大，但是其容易饱和，因此，Nb含量设计为0.010～0.040％。

Ca：0.001～0.005％

加入少量的Ca，可以对杂质元素S进行固定，形成球状物，有利于钢韧性和CTOD值。但是，钢中的Ca易饱和，因此，Ca设计为：0.001％～0.005％。

CE_pcm：≤0.22％。

CEpcm：＝C+Mn/6+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，当碳当量CEpcm≤0.22％，可以同时获得高的强度，韧脆性能和CTOD值优异，而且焊接性能良好。当碳当量CEpcm＞0.22％后，强度变高，其CTOD值急剧变差，冲击和焊接性能也变差。

本发明的管线钢管中，Ti、W、N、As、Sn、Pb、Sb、Bi为冶炼带来杂质元素或非必须添加元素，应尽量去除或不加入，剩余为Fe。

本发明为解决钢管尺寸精度较高难题，常规的采用热轧、冷拔或机加工均难以单独解决，本发明提供一种新型的工艺路线，采用热轧+冷拔+热处理+管端机加工内孔方式，解决了钢管要求尺寸精度高，同时又有重量限制的难题。

根据本发明的一种典型的实施方式，提供一种上述管线用无缝钢管的制备方法。该制备方法包括以下步骤：S1，按管线用无缝钢管的化学组分进行配料、冶炼、铸造成坯料；S2，将准备好的坯料轧制成无缝钢管；S3，对无缝钢管进行冷拔处理；S4，将冷拔所得无缝钢管进行热处理；S5，对无缝钢管管端内孔进行加工，得到管线用无缝钢管。

本发明涉及管线用无缝钢管的冶炼工艺，具体包括：配料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气以及弧形连铸得到截面为圆形的连铸坯料。

根据本发明的一种典型的实施方式，配料的原料包括优质铁水、优质废钢、纯净料和铁合金，所述的优质铁水加入量≥50％。其中优质铁水、优质废钢、纯净料主要指相比同类原辅材料，五害元素和夹杂含量更少。其中，优质铁水中，P≤0.20％，S≤0.050％，As≤0.015％，Sn≤0.015，Pb≤0.003。纯净料指纯净废钢散料，例如，钢坯、管头、钢轨、线材、板材或者各种边角料，干净无锈、无油污、无涂层。优质废钢和纯净料其五害元素要求如下：As+Sb+Sn+Pb+Bi≤0.020％。

在本发明一种实施方式中，电炉冶炼采用泡沫渣工艺操作，前期低温快速脱磷，后期快速脱碳、去气、去夹杂。电炉冶炼的出钢条件为：钢水温度：1620～1650℃，P≤0.008％，C≤0.05％。电炉冶炼采用低钛低硼高铝渣和石灰的比例约为1:3～1:4。

在本发明一种实施方式中，炉外精炼采用全程吹氩精炼工艺，精炼过程中，分批均匀加入碳化钙和碳粉进行脱氧，并保持精炼良好的还原气氛。每隔10～15min测温取成分样，根据取样结果对钢水成分调整，加入适量其它合金。

在本发明一种实施方式中，VD真空脱气，去除钢水中的氢气和氮气，以免对钢的韧性造成影响。真空脱气工艺：VD真空度≤67Pa，保持时间≥15min。VD(真空脱气)后喂入纯钙包芯线0.7～2.0m/t进行钙处理；吹保护性氩气时间≥10min。

在本发明一种实施方式中，弧形连铸过程中，在结晶器中采用两组电磁搅拌器，均匀钢水成分，减少成分偏析。拉坯速度控制在0.3～1.0m/min，过热度控制在19～25℃，拉坯速度和过热度控制在上述范围有利于改善无缝钢管产品的组织偏析程度，有利于提高冲击韧性。弧形连铸得到截面为圆形的圆管坯。

根据本发明一种典型的实施方式，炉外精炼的过程还包括深度脱磷、脱硫以及降低Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量，即深度脱磷、脱硫以及降低五害工艺。P、S和五害元素含量较低，从而保证各项理化性能以及钢管服役安全性。

其中，脱磷需要较好的热力学和动力学条件，需要渣具有较高的碱度和氧化性，要求渣流动性良好，钢渣界面反应强烈。冶金理论和电弧炉炼钢实践表明，钢中的P含量与电炉出钢的下渣量有关。下渣量越大，渣中P含量越高，钢包渣的还原性越强，则钢水回磷量就越大，因此控制好电炉下渣量及降低电炉渣中P含量是减少钢水回磷量的关键。电炉采用熔氧结合工艺操作，根据电能消耗来进行电炉操作步骤，在熔化70％～80％时开始喷粉，实行全程泡沫渣工艺。电炉采用强化脱磷技术，氧化前期主要任务是脱磷，氧化末期在1600℃时取出钢样。在炼钢时，要求P≤0.008％才能出钢。

脱硫工艺，一般抗腐蚀管线管要求S≤0.008％。钢中S含量越低越好，研究表明当S≤0.003％时，钢管的CTOD(裂纹尖端位移开裂)值较高。因此，海洋立管要求将硫含量尽量控制在0.003％以下。在传统的脱硫渣系基础上，本发明提供了一种含有BaO和Li₂O的深脱硫渣系，渣系的组分为：CaO 40％～60％，SiO₂ 2％～10％，Al₂O₃ 15％～30％，BaO 5％～15％，Li₂O 0.1％～2％和MgO 3％～10％。理论研究表明：BaO的光学碱度是CaO的1.15倍，理论上比CaO脱硫效果更好。从离子结构理论分析，BaO在渣液中的离子半径较CaO大，离子间吸引力较小，且离子百分数BaO比CaO高，所以BaO更容易释放出氧离子，相同摩尔数的BaO的脱硫能力大于CaO；BaO自身的熔点为1918℃，低熔点物质取代高熔点物质能有效地降低精炼渣的熔点值，且对渣-钢界面张力几乎不产生影响。Li₂O的光学碱度与CaO一样，为1.0，Li₂O在渣中能与SiO₂生成低熔点(900℃)的相2Li₂O·SiO₂，降低整个渣系的熔点。另外，Li₂O本身碱性强，相对原子质量低，也导致其脱硫效果好。

脱As技术，控制As使用50％铁水+40％优质纯净废钢配料，将铁水的As控制在0.008％以内，将纯净废钢的As控制在0.005％以内，并动态控制钢水过热度在19～25℃之间，适当的过热度，有利将钢中As元素氧化，从渣中带走，从而可以将钢中五害元素控制在0.010％以下，从而降低有害元素对钢的危害。

本发明的管线用无缝钢管不仅能用于一般的陆地油气管线，更适用于深海立管。本发明设计出相应的化学成分，通过大轧制比轧制和精准热处理，获得金相组织中下贝氏体体积超过80％，晶粒度≥8级。此钢种淬透性能良好，即使是壁厚在30～50mm的厚壁钢管，也能保证钢管壁厚中心淬火效果。其不但有优秀的低温冲击性能和高的CTOD值的同时，还能得到合适的拉伸性能和优异焊接性能。

本发明提供的一种周期式轧辊孔型，轧制出壁厚精度优异的钢管，后续通过高精度冷拔、精准热处理、管端机加工工艺路线，得到成品钢管，其成材率高，尺寸精度优异。

根据本发明一种典型的实施方式，轧管工艺包括坯料准备、穿孔、轧制和定径工序。将弧形连铸所得的圆管坯冷锯切下料，在环形炉中加热，加热到1220～1300℃得到塑性良好的热坯；对热坯进行穿孔，得到毛管；利用轧管机组将毛管轧制成荒管；将荒管定径得到热轧无缝钢管。

在本发明一实施方式中，坯料准备：坯料的加热过程依次包括预热段加热、加热I段加热、加热II段加热、加热III段加热、加热Ⅳ段以及均热段；其中，坯料加热成热坯料的加热时间根据连铸圆坯的直径来确定。预热段加热将坯料的温度加热到≤940℃；加热I段加热将坯料的温度加热到960℃～1040℃，加热II段加热将坯料的温度加热到1070℃～1150℃，加热III段加热将坯料的温度加热到1180℃～1240℃，加热Ⅳ段将坯料加热到1230℃～1310℃。均热段的温度保持在1240～1280℃，各段加热时间和加热总时间根据连铸圆管坯直径来确定。通过上述的分段加热，使管坯逐渐升至设定温度，管坯充分加热，同时避免升温过快造成热轧钢管产生裂纹缺陷。

穿孔，将坯料加热塑性最佳温度区，穿孔得到毛管。

在本发明一实施方式中，轧制，采用周期轧管，也可采用其它轧管机组轧管，将穿孔所得毛管采用周期式轧管机组轧制得到荒管。周期轧管在一个轧辊孔型内，完成粗轧、精轧过程，变形量大，钢材在轧辊孔型内受到三向压应力状态，综合了锻、轧、挤几种变形方式，可以焊合铸坯小缺陷，有效的破碎铸造枝晶，得到晶粒细小的组织。本发明采用的周期轧管工艺，其轧制比，即坯料与钢管的横截面积比值，轧制比≥8，相比传统的连轧工艺更大，钢坯变形量更大，带来更好的破碎枝晶的效果，焊合铸坯小缺陷，热轧后组织晶粒度≥7级。

根据上述无缝钢管的制作方法，坯料到无缝钢管的加工过程中，毛管采用周期式轧管机组进行轧管得到荒管。因钢管有重量限制，特别是海洋立管，其重量越重，水面平台承受力也越大，其壁厚不能无限制轧厚，而钢管壁厚轧薄的或者壁厚单边，会导致后续管端加工余量不足而加工不起报废，或导致管端内孔加工后钢管壁厚仍然超差或单边，因此，将钢管壁厚偏差和直线度控制好，是后续机加工的基础。虽然有冷拔工序修正热轧管的外径和壁厚，但是，其修正改善有限，仍然需要在热轧工序即控制好钢管的壁厚偏差。

根据本发明一种典型的实施方式，提供一种周期轧辊孔型，具有改善钢管壁厚效果。为改善钢管壁厚偏差，增加轧辊的工作段长度，减少轧辊孔型的侧壁角，设计合理的辊缝值，使其更适合轧制15～50mm之间的钢管。周期轧辊孔型分为锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段。将轧辊孔型精轧段的侧壁角设计为20～22°，轧辊的辊缝值设计为50～60mm。

轧辊锻轧段是轧辊主要减径减壁区域，其曲线采用包络曲线，其应圆心角为80～90°，

其中，Y为孔型深度，A＝L-B/tanη，^b＝a/tanη-1，a＝B/A,η为锻轧段起始点的切角，B为锻轧段开口深度，L为锻轧段长度，X为锻轧段变形点游动位置；A、b、a为计算系数。

精轧段将锻轧段轧制过的毛管进一步均壁轧制，使荒管的壁厚达到尺寸要求，精轧段的轧槽底部半径是不变的，其曲线采用直线，精轧段圆心角65～80°。

终轧段的作用是使荒管表面逐渐脱离轧辊，终轧段圆心角为15～20°。

轧辊在空轧段不与钢管接触，其曲线可采用抛物线、包络线和圆弧的一种或者几种组合构成。

在本发明一典型的实施方式中，周期轧管工序还准备专用芯棒，将芯棒头尾的外径差控制在1mm内，防止因芯棒外径不同带来纵向壁厚不均。

周轧后的荒管，晶粒细小，可以不实施在线常化而直接经过定径得到热轧无缝钢管。也可以进行在线常化，周期轧制后钢管温度冷却到550℃以下，再加热定径，晶粒度更优。

冷拔工艺

本发明设计出改善钢管整体壁厚的冷拔模具，采用该冷拔模具，所得钢管具有壁厚均匀，外径椭圆度小的优点。

热轧所得钢管，因其尺寸偏差和重量偏差无法达到要求，需要进行冷拔。在本发明一种典型性的实施方式中，提供一种冷拔内外模具，并在冷拔外模两侧增加冷却水，示意图见图2，减少冷拔过程中模具摩擦发热，引起的外模膨胀，导致冷拔开始和冷拔终了钢管头尾外径偏差，冷拔后钢管头尾平均外径差值≤0.1mm。而未采用冷却水冷却冷拔外模的工艺，冷拔后钢管头尾平均外径差值在0.2～0.4mm之间，对于普通钢管影响不大，但是其值会影响机加工后管端壁厚，导致一端较另一端壁厚厚。

在本发明一典型的实施方式中，冷拔包括冷拔前的准备和冷拔过程，冷拔前准备有酸洗、磷化、皂化。

酸洗

将热轧所得无缝钢管放入盛有盐酸溶液的酸洗槽内进行酸洗，去除热轧管的氧化铁皮。其中，盐酸溶液的质量浓度控制在10％～20％之间，酸洗时间控制在60～100min之间，得到酸洗后钢管。

磷化

将酸洗后的荒管使用磷酸锌溶液进行外表面磷化处理，以生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌溶液的质量浓度控制在30％～35％之间，磷酸锌溶液的温度控制在50℃～80℃之间，酸洗后的荒管磷化时间控制在30min～60min之间，以得到磷化后的钢管。

皂化

将磷化后的荒管通过皂化液进行皂化处理，使荒管表面形成金属皂润滑覆膜，皂化过程中的温度控制在60℃～80℃之间，皂化的时间控制在20min～35min之间，皂化液PH值控制在8.5～9.5之间，得到皂化后的钢管。

冷拔

将皂化后的钢管通过拉拔机进行冷拔工序，拉拔机拉拔力300～1250吨，冷拔机的冷拔速度在0.85m/min～1.25m/min之间。冷拔属于非奥氏体区变形，相比热轧，其外径精度和壁厚均有明显改善。冷拔钢管尺寸主要由冷拔模具决定，冷拔后，管线钢管外径精度在±0.5mm内，外径不圆度≤0.5mm，壁厚偏心率≤6％S。

热处理

冷拔后，对所得无缝钢管进行调质处理。通过模拟得到的X65钢级牌号的CCT(过冷奥氏体连续冷却)曲线，见图3。从图3中可以看出，冷却速度在10～100℃/S后，可以得到贝氏体组织。冷却速度在1～10℃/S，冷却过程中，发生组织转变成铁素体，机械性能达不到X65钢级的要求。根据金属学原理，共析钢在550～350℃之间获得上贝氏体，在240～350℃之间获得下贝氏体。而在下贝氏体组织中，碳化物弥散分布在铁素体基体中，起到弥散强化的作用，能显著提高钢的强度和韧性，具有较低的韧脆转变温度。此为本发明所需要获得的组织。

在880～1000℃温度区间下，对冷拔得到的原始细晶粒组织(晶粒度≥7级)的钢管进行淬火前的加热保温，保温时间根据钢管的壁厚适宜决定。出淬火炉后进行内喷外淋强制冷却，平均冷却的速度：10～100℃/S，优选≥20～100℃/S，更优选30～100℃/S，钢管强制冷却到50℃以下，更优选的强制冷却到30℃以下。使钢的组织尽可能多的发生转变，从奥氏体转化成贝氏体；在660～700℃温度区间下，对冷却后的钢管进行回火，保温时间根据钢管的壁厚适宜决定，得到回火贝氏体，主要由粒状、针状和岛状贝氏体构成，其比例≥80％，另有少量的铁素体和碳化物弥散分布。调质后钢管的晶粒度≥8级，具有很好的细晶强化效果。而回火后的组织具有优良的韧性和CTOD值，其韧脆转变温度最低在-80℃以下。

因为钢管后续需要管端机加工，因此如何避免钢管弯曲也是热处理必须要处理问题点。钢管弯曲变形缺陷是热处理常见缺陷之一，管体弯曲大多可以通过六辊矫直机进行矫直，但由于六辊矫直机存在矫直盲区。管端弯曲无法矫直，对于钢管后续加工质量和加工效率带来不利影响。热处理弯曲变形的主要是由于加热后钢管各部位冷热不均，在热应力和组织应力作用下造成的，可以通过提高钢管加热均匀性及水淬均匀性等减少钢管变形量，以减少钢管后续加工不因管端弯曲造成加工失败。

经过热处理，所得管线钢管具有优异的性能，尤其是冲击韧性和CTOD试验(裂纹尖端张开位移)值。在不同热处理工艺条件下，本发明的管线钢管的冲击转变温度最低可以到-80℃，在-30℃条件下，CTOD值≥1.5mm。管端直线度≤1.5mm/1.5m。

管端内孔机加工。

经热处理所得管线钢管，经过常规的水压和探伤后，先采用机械卡尺以钢管外圆为基准校圆，以保证内孔加工圆心尽量和外圆同心。加工校准后，采用先粗车后精车方式。粗车时，采用普通刀具以每分钟0.5mm进给量进刀，车床转速为80～100r/min；精车时，采用R10半圆形刀具以每分钟0.1～0.35mm/min进给量进刀，车床转速控制在40～60r/min，减慢车削速度防止钢管抖动在加工面形成波浪纹。主要加工参数见图，内孔圆柱段车削完成后，按照1:8锥面过渡到未机加工表面，圆柱面与锥面过渡圆弧半径最小为R1.6mm，机加工表面光洁度最大为250微英寸(6.4微米)。管端内孔加工示意图见图4(在图4中，A为过渡区域放大图，L为车削内孔平行段长度，t为车削后壁厚，d为车削后内径，D为外径，α为过渡区倒角)。

在本发明一实施例中，车削完成后，管道机加工端壁厚精度控制在±1mm，内孔精度±0.25mm，分别采用机械式码表和超声波测厚仪测量内径和壁厚，内径椭圆度≤0.15mm，壁厚在目标壁厚±1mm范围内。加工完成后，得到成品管线钢管，适合陆地海洋油气开采，尤其适合做深海立管。

本发明的管线用无缝钢管，可用于海洋油气开发，特别适合作海洋立管。

本发明提供一种制造管线用无缝钢管及其制造方法，尤其适合作为深海立管。其相比一般的无缝钢管生产工艺，本发明提出热轧+冷拔+热处理+管端机械加工的工艺路线，具有尺寸精度高、生产效率高、金属消耗低的特点。

本发明的管线用无缝钢管，具有较高的尺寸精度，而且还有API规范规定的X65钢级以上强度的高强度、高韧性，韧脆转变温度为-80℃以下，延伸率大于25％，晶粒度≥8级，CTOD值高，并具有优异的焊接性能。不但适用用于陆地油气输送，还能适用于海底油气开采领域，特别适用于深海油气出油管道或立管。

下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。

实施例1

通过制造

规格X65钢级管线钢管来说明本发明。

根据本发明设计的化学组分配料，并将原料经电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气以及弧形连铸得到坯料。

坯料冶炼过程包括：配料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气以及弧形连铸。

配料的原料包括优质铁水、管头、纯净料、优质废钢、铁合金等多种。所述的优质铁水加入量≥50％，其中，优质铁水、管头、纯净料、优质废钢主要指相比同类原辅材料，其中五害元素和夹杂含量更少。其中，优质铁水中，P≤0.20％，S≤0.050％，As≤0.015％，Sn≤0.0015％，Pb≤0.003％。管头、纯净料(纯净料指纯净废钢散料，例如，管坯、管头、钢轨、线材、钢板或各类边角余料，其干净无锈、无油污、无涂层)、优质废钢，其有害元素要求如下：As+Sn+Pb+Bi≤0.020％。

电炉冶炼过程中，出钢条件：钢水温度≥1620℃，P≤0.008％，C≤0.05％。电炉冶炼采用低钛低硼高铝渣和石灰的比例约为1:3～1:4。在炼钢过程中，采用深度脱磷、脱硫和控制五害技术。

在炉外精炼的过程中，采用全程吹氩精炼工艺，并分批均匀加入碳化钙、铝粒和碳粉进行脱氧。

真空脱气(简称VD)工艺：极限真空条件下，气压≤67Mpa，保持时间≥20min，VD后喂入纯钙包芯线0.7～2.0m/t进行钙处理，吹氩时间≥10min。

进行所述弧形连铸的过程中，拉坯速度控制在0.3～1.0m/min，过热度控制在35～44℃。

通过上述过程，获得外径为

连铸圆管坯，任选一炉，其成分如下表1：

表1

通过穿孔和轧管工序，获得热轧无缝钢管。准备好的坯料到轧管过程中，穿孔毛管采用周期式轧管机组进行轧管得到荒管，荒管经过定径工序获得热轧无缝钢管。周期轧管工序还采用特殊芯棒，将芯棒头尾的外径差控制在1mm内，防止因芯棒外径不同带来纵向壁厚不均。

轧管前，设计专用的周期轧棍490孔型，其设计思路为增加轧辊的工作段长度，减少部分轧辊孔型的侧壁角，设计合理的辊缝值，使之更适合轧制高精度尺寸的钢管。在轧制过程中，控制毛管的喂入量为40mm～50mm/次，控制轧辊转速在40～45rpm/min，喂料器风压设在5.5～7bar。周期轧管所得的无缝钢管，经过定径，得到半成品无缝钢管。

周期轧管机轧辊490孔型。采用辊径1400mm的周期式轧辊，轧辊在单道次完成锻轧、精轧、终轧、空轧翻转过程，具有变形量大，轧件在孔型中始终受到三向压应力，类似于锤头锻造过程。设计重轧系数≥3；轧辊精轧段侧壁角设为20°。

轧辊的辊缝值设为60mm；锻轧段起始入口导角设为：23°；

锻轧段对应圆心角设为：80°；精轧段对应圆心角设为：85°；

终轧段对应圆心角设为：20°；空轧段对应圆心角设为：175°；

锻轧段开口深度设为：88mm；空轧段最大开口深度设为：102mm

锻轧段曲线方程为：

精轧段曲线方程为；Y＝215，(80°＜X≤165°)；

终轧段曲线方程为：Y＝215+(X-155)/20，(165°＜X≤185°)

周轧后的荒管，在一个轧辊孔型内，完成粗轧、精轧过程，变形量大，钢材在轧辊孔型内受到三向压应力状态，综合了锻、轧、挤几种变形方式，可以焊合铸坯小缺陷，有效的破碎铸造枝晶，得到晶粒细小的组织。本实施例采用的周期轧管孔型，其轧制比，即坯料与钢管的横截面积比值，轧制比≥8，相比传统的连轧工艺更大，钢坯变形量更大，带来更好的破碎枝晶的效果，焊合铸坯小缺陷，热轧后即可晶粒度≥7级。也可以不实施在线常化而直接经过定径得到热轧无缝钢管。也可以进行在线常化，周期轧制后钢管温度冷却到550℃以下，再加热定径，晶粒度更优。

通过热轧工序，将钢管壁厚偏差控制在实际壁厚的±5％S范围内，外径偏差控制在±1mm范围内，得到热轧态无缝钢管。

热轧所得钢管，因其尺寸偏差和重量偏差无法达到要求，需要进行冷拔。设计专用的冷拔内外模具(参见图3)，并在冷拔外模两侧增加冷却水，减少冷拔过程中摩擦发热，引起的外模膨胀，导致冷拔开始和冷拔终了钢管头尾外径偏差。

冷拔工艺

冷拔包括冷拔前的准备和冷拔过程，冷拔前准备有酸洗、磷化、皂化。

酸洗

将热轧所得无缝钢管放入盛有盐酸溶液的酸洗槽内进行酸洗，去除热轧管的氧化铁皮。其中，盐酸酸溶液的质量浓度控制在10％～20％之间，酸洗时间控制在60～100min之间，得到酸洗后钢管。

磷化

将酸洗后的荒管使用磷酸锌溶液进行外表面磷化处理，以生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌溶液的质量浓度控制在30％～35％之间，磷酸锌溶液的温度控制在50℃～80℃之间，酸洗后的荒管磷化时间控制在30min～60min之间，以得到磷化后的钢管。

皂化

将磷化后的荒管通过皂化液进行皂化处理，使荒管表面形成金属皂润滑覆膜，皂化过程中的温度控制在60℃～80℃之间，皂化的时间控制在20min～35min之间，皂化液PH值控制在8.5～9.5之间，得到皂化后的钢管。

冷拔

将皂化后的钢管通过拉拔机进行冷拔工序，拉拔机拉拔力300～1250吨，冷拔机的冷拔速度在0.85m/min～1.25m/min之间。冷拔属于非奥氏体区变形，相比热轧，其外径精度和壁厚均有明显改善。冷拔钢管尺寸主要由冷拔模具决定，冷拔后，管线钢管外径精度在±0.5mm内，外径不圆度≤0.5mm，壁厚偏心率≤6％S。

457.2×31.8规格冷拔内模如图5所示。

457.2×31.8规格冷拔外模如图6所示。

在冷拔过程中，内外模配和使用，限制钢管的外径和内径，得到高尺寸精度的钢管，其外径精度±0.7mm，外径椭圆度≤0.7mm，壁厚精度±3％S。较高的尺寸精度，对于后续钢管车削内孔极为关键，尺寸精度较差，钢管局部可能车削不起，钢管可能报废，成材率低。

热处理

冷拔后，对所得无缝钢管进行调质处理。通过模拟得到的X65钢级对应的牌号的CCT(过冷奥氏体连续冷却)曲线。从图7(457.2×31.8规格的CCT曲线)中可以看出，冷却速度在10～100℃/S时，可以得到贝氏体组织。冷却速度在1～10℃/S，冷却过程中，组织转变成铁素体，机械性能达不到X65钢级的要求。需要进一步增加冷速。根据金属学原理，共析钢在550～350℃之间获得上贝氏体，在240～350℃之间获得下贝氏体。而在下贝氏体组织中，碳化物弥散分布在铁素体基体中，起到弥散强化的作用，能显著提高钢的强度和韧性，具有较低的韧脆转变温度。此为本发明所需要获得的组织。

在880～1000℃温度区间下，对热轧得到的原始细晶粒组织(晶粒度≥7级)的钢管进行淬火前的加热保温，保温时间根据钢管的规格确定。出淬火炉后进行内喷外淋强制冷却，平均冷却的速度：35～50℃/S，钢管强制冷却到50℃以下，更优选的强制冷却到35℃以下。使钢的组织尽可能多的发生转变，从奥氏体转化成贝氏体；在660～700℃温度区间下，对冷却后的钢管进行回火，保温时间根据钢管的壁厚适宜决定，得到回火贝氏体，其晶粒≥8级，主要由粒状、针状和岛状贝氏体构成，其比例≥80％，另有少量的铁素体和碳化物，呈弥散分布。调质后钢管的晶粒度≥8.5级，具有很好的细晶强化效果。而回火后的金相具有优良的韧性和CTOD值，其韧脆转变温度最低在-80℃。回火贝氏体组织见图8(500×金相组织)。

热处理所得的钢管，取样进行冲击和CTOD试验(裂纹尖端张开位移)。

依据BS7748:PartⅠ：1991、BS7748:Part2:1997、ISO12315和ASTM E1290标准对热处理所得钢管进行CTOD试验。其分为三部分：制样、预制疲劳裂纹和试验。

制样，试样采用ISO 12135中定义的单边缺口弯曲试样。母材试样为XY，沿厚度方向开缺口，见下图9(左图为在钢管取样示意图，右图为制成CTOD试样示意图)制成300mm(长)*24±0.1mm*24±0.1的标准试样。

预制疲劳裂纹。所有试样都进行了疲劳裂纹的预制。按BS7448-2要求，预制疲劳裂纹分为两步，第一步，采用应力比R＝0.1直至预制疲劳裂纹长度1mm；第二步，采用应力比R＝0.7预制到预定长度。

试验，在-30℃的环境箱中进行，按照规范BS7748-1要求，控制和记录温度精确到±2℃。当环境温度稳定在-30℃后，试样在环境箱中冷冻时间不少于30分钟。加载速度保证应力强度因子(K)的变化率在0.5MPa·m^0.5S^-1至3.0MPa·m^0.5S^-1范围内。

通过上述步骤，得到-30℃条件下

规格的CTOD试验结果如下表，随机选取10个炉号，每个炉号取一个样块，制成3个CTOD标准试样，见表2。

表2

通过上表可以看出，通过本实施例得到优异的钢材CTOD性能，单值和平均值均大于1.5mm，CTOD性能优异，这表明此材料在-30℃条件下，具有较好的抗断裂性能，其做焊接接头性能优异。

在热处理后钢管上取横向冲击试样，每组3个试样，试样规格10×10mm，试样制备应符合ASTM A370标准，加工V8型缺口，分别在20℃、0℃、-10℃、-30℃、-50℃、-70℃、-80℃、-90℃、-100℃、-110℃、-120℃温度做冲击试验，根据试验结果绘制成冲击韧脆转变曲线，见图10。

通过图10可以看出，通过合适的热处理工艺，其热处理后，

规格其它机械性能见下表3。

表3

机械性能	结果
		平均屈服强度/Mpa	508
最小屈服强度-最大屈服强度/Mpa	484-519
		平均抗拉强度/Mpa	597
最小抗拉强度～最大抗拉强度/Mpa	570-632
		平均伸长率A<sub>f</sub>	30.0％
最大硬度/HV10	214
		-30℃横向最小冲击值(J)	209
-30℃横向平均冲击值(J)	365
		最小晶粒度/级	8.5

热处理所得无缝钢管，随后进行矫直、探伤、水压工序，最后，在卧式重型车床上加工钢管管端内孔，得到成品管线管钢管，使管端内孔达到高的内径和壁厚精度，满足深海立管的焊接要求。车削内孔后管端尺寸见图11。

车削后，随机统计5炉钢管的基本尺寸如下表4：

表4

从上表4可以看出，此材料拉伸性能适中，-30℃冲击性能较好，CTOD性能优异，尺寸精度较高，钢管的重量偏差、壁厚偏差和机加工余量达到较优的组合，能适用于作为深海海底管线和深海立管。

实施例2

通过制造

规格X65钢级管线钢管来说明本发明。

本实施例基本与实施例1相同，不同之处如下：

通过上述过程，获得外径为

连铸圆管坯，随机选一炉，其成分如下表5：

表5

轧管前，准备专用的周期轧棍340孔型。在轧制过程中，控制毛管的喂入量为35mm～45mm/次，控制轧辊转速在50～55rpm/min，喂料器风压设在5.5～7bar。

设计周期轧管机轧辊340孔型。采用辊径1100mm的周期式轧辊。

轧辊的辊缝值设为50mm；锻轧段起始入口导角设为：23°；

锻轧段对应圆心角设为：80°；精轧段对应圆心角设为：90°；

终轧段对应圆心角设为：20°；空轧段对应圆心角设为：170°；

锻轧段开口深度设为：90mm；空轧段最大开口深度设为：105mm

锻轧段曲线方程为：

精轧段曲线方程为；Y＝145，(80°＜X≤170°)；

终轧段曲线方程为：Y＝145+(X-155)/20，(170°＜X≤190°)

通过热轧工序，将钢管壁厚偏差控制在实际壁厚的±5％S范围内，外径偏差控制在±1.5mm范围内，得到热轧态无缝钢管。

冷拔

冷拔钢管尺寸主要由冷拔模具决定，冷拔后，管线钢管外径精度在±0.6mm内，外径不圆度≤0.5mm，壁厚偏心率≤6％S。

323.9×27规格冷拔内模如图12所示。

323.9×27规格冷拔外模如图13所示。

在冷拔过程中，内外冷拔模具采用C12MoV锻件，内外模配和使用，限制钢管的外径和内径，得到高尺寸精度的钢管，其外径精度±0.7mm，外径椭圆度≤0.7mm，壁厚精度±3％S。

热处理

冷拔后，对所得无缝钢管进行调质处理。通过模拟得到的X65钢级牌号的CCT(过冷奥氏体连续冷却)曲线，见图14(323.9×27规格的CCT曲线)中可以看出，冷却速度在10～100℃/S后，可以得到贝氏体组织。冷却速度1～10℃/S，冷却过程中，就会产生块状铁素体组织，对韧性和CTOD试验不利。根据金属学原理，共析钢在550～350℃之间获得上贝氏体，在240～350℃之间获得下贝氏体。而在下贝氏体组织中，碳化物弥散分布在铁素体基体中，起到弥散强化的作用，能显著提高钢的强度和韧性，具有较低的韧脆转变温度。此为本发明所需要获得的组织。

在850～1000℃温度区间下，对热轧得到的原始细晶粒组织(晶粒度≥7级)的钢管进行淬火前的加热保温，保温时间根据钢管的壁厚适宜决定。出淬火炉后进行内喷外淋强制冷却，平均冷却的速度：以35～100℃/S速度冷却下来，钢管强制冷却到50℃以下，更优选的强制冷却到30℃以下。使钢的组织尽可能多的发生转变，从奥氏体转化成贝氏体；在660～700℃温度区间下，对淬火冷却后的钢管进行回火，保温时间根据钢管的壁厚适宜决定，得到回火贝氏体，其晶粒≥8级，主要由粒状、针状和岛状贝氏体构成，其比例≥80％，另有少量的渗碳体，弥散分布。调质后钢管的晶粒度≥8级，具有很好的细晶强化效果。而回火后的金相具有优良的韧性和CTOD值，其韧脆转变温度最低在-80℃。回火贝氏体组织见图15(500×金相组织)。

根据同实施例1相同的步骤测试得到-30℃条件下

规格的CTOD试验结果如下表6，随机选取5个炉号，每个炉号取一个样块，制成3个CTOD标准试样。

表6

通过上表可以看出，通过本实施例得到优异的钢材CTOD性能，单值和平均值均大于1.5mm，CTOD性能优异，这表明此材料在-30℃条件下，具有较好的抗断裂性能，其做焊接接头性能优异。

通过图16可以看出，通过合适的热处理工艺，其韧脆转变温度在-80℃以下。

热处理后，

其它机械性能见下表7。

表7

机械性能	结果
		平均屈服强度/Mpa	508
最小屈服强度～最大屈服强度/Mpa	485-531
		平均抗拉强度/Mpa	587
最小抗拉强度～最大抗拉强度/Mpa	571-606
		平均伸长率A<sub>f</sub>	28.9％
最大硬度/HV10	203
		-30℃横向平均冲击值(J)	392
-30℃横向最小冲击值(J)	293
		最小晶粒度/级	8级

从上表7可以看出，此材料拉伸性能适中，-30℃冲击性能较好，能适用于作为深海海底管线和深海立管。

车削内孔后管端尺寸见图17。

车削后，随机统计5炉钢管的基本尺寸如下表8：

表8

从上表8可以看出，此材料拉伸性能适中，-30℃冲击性能较好，CTOD性能优异，尺寸精度较高，钢管的重量偏差、壁厚偏差和机加工余量达到较优的组合，适用于作为深海海底管线和深海立管。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种管线用无缝钢管，其特征在于，所述管线用无缝钢管的化学组分重量百分比为：C：0.06％～0.12％，Si：0.10％～0.45％，Mn：1.35％～1.65％，Cr：0.12％～0.25％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.01％～0.05％，Al：0.025％～0.060％，Nb:0.01％～0.04％,Ni：0.15％～0.45％，N：0.003％～0.010％，P：≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.15％，Ti≤0.01％、CE_pcm：≤0.25％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的管线用无缝钢管，其特征在于，C：0.08％～0.11％，Si：0.25％～0.45％，Mn：1.35％～1.55％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cu:0.01％～0.10％，Ni：0.20％～0.30％，Cr：0.15～0.20％，Mo：0.15％～0.25％，V：0.02％～0.03％，Nb：0.01％～0.02％，Ti：＜0.01，Al：0.025％～0.045％，N：0.003％～0.008％，B≤0.0005％，Ca：＜0.005％，Al/N＞2.0，CE_pcm≤0.22％，Sn≤0.010％、As≤0.010％、Pb≤0.005％、Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.一种权利要求1或2所述的管线用无缝钢管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，按所述管线用无缝钢管的化学组分进行配料、冶炼、铸造成坯料；

S2，将准备好的所述坯料轧制成无缝钢管；

S3，对所述无缝钢管进行冷拔处理；

S4，将冷拔所得无缝钢管进行热处理；

S5，对无缝钢管管端内孔进行加工，得到所述管线用无缝钢管。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S1具体包括：配料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气以及弧形连铸得到坯料；

优选的，所述S1中配料的原料包括铁水、管头、纯净料、废钢、铁合金和铝中的多种，所述铁水加入量≥60％；其中，所述铁水是指P≤0.20％、S≤0.050％、As≤0.015％、Sn≤0.015％、Pb≤0.003％的铁水；所述纯净料是指无锈、无油污、无涂层的废钢散料；所述废钢中As+Sn+Pb+Bi≤0.020％；

优选的，所述电炉冶炼的过程中，出钢条件为：钢水温度≥1620℃，P≤0.008％，C≤0.05％；

优选的，所述电炉冶炼的过程中，采用低钛低硼高铝渣和石灰的比例为1:3～1:4，所述低钛低硼高铝渣中钛的含量＜0.010％，硼的含量＜0.0005％，铝的含量为0.020％～0.050％。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述炉外精炼的过程中，采用全程吹氩精炼工艺，并分批均匀加入碳化钙、铝粒和碳粉进行脱氧，真空脱气工艺：极限真空条件下气压≤67Pa，保持时间≥20min，真空脱气后喂入纯钙包芯线0.7～2.0m/t进行钙处理；吹氩时间≥10min；

优选的，进行所述弧形连铸的过程中，拉坯速度控制在0.3～1.0m/min，过热度控制在35～44℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述炉外精炼的过程还包括深度脱磷、脱硫以及降低Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量；

优选的，所述脱硫包括添加BaO和Li₂O渣进行脱硫，所述BaO和Li₂O渣包括：CaO 40％～60％，SiO₂ 2％～10％，Al₂O₃ 15％～30％，BaO 5％～15％，Li₂O 0.1％～2％和MgO 3％～10％；

优选的，入炉料砷含量控制在0.03％以下，炉渣碱度R2控制在1.10-1.25，渣量310-330kg/t，铁水温度1465～1490℃，高炉顶压180～200KPa。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S2包括：将所述坯料在环形炉中加热，加热到1220～1300℃得到热坯，对所述热坯进行穿孔，得到毛管，利用轧管机组将所述毛管轧制成荒管，将所述荒管定径得到热轧无缝钢管。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述轧管机组为周期轧管机组，轧制比≥8，热轧后所述荒管的可晶粒度≥7级；

优选的，所述周期轧管机组的周期轧辊孔型包括锻轧段、精轧段、终轧段和空轧段；所述周期轧辊孔型的所述精轧段的侧壁角为20～22°，所述周期轧管机组的轧辊的辊缝值为50～60mm；

优选的，所述锻轧段为轧辊的减径减壁区域，所述锻轧段的曲线采用包络曲线，所述包络曲线的应圆心角为80～90°，

其中，Y为孔型深度，A＝L-B/tanη，b＝a/tanη-1，a＝B/A，η为锻轧段起始点的切角，B为所述锻轧段的开口深度，L为所述锻轧段的长度，X为所述锻轧段的变形点游动位置；A、a、b为计算系数；

优选的，所述精轧段将所述锻轧段轧制过的所述毛管进一步均壁轧制，使所述荒管的壁厚达到尺寸要求，所述精轧段的轧槽底部半径是不变的，所述精轧段的曲线采用直线，所述精轧段的圆心角为65～80°；

优选的，所述终轧段使所述荒管表面逐渐脱离轧辊，所述终轧段的圆心角为15～20°；

优选的，所述轧辊在所述空轧段不与钢管接触，所述空轧段的曲线采用抛物线、包络线和圆弧的一种或者几种组合构成。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S3中的所述冷拔处理中，在冷拔外模两侧装有外冷却水环，冷拔所得的无缝钢管的钢管头尾外径差≤0.1mm，冷拔所得无缝钢管的外径精度控制在±0.5mm内，外径椭圆度≤0.6mm，壁厚偏心率≤6％S，其中，S表示钢管实际壁厚。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S4中的所述热处理包括，在880℃～1000℃温度区间下，采用内喷外淋方式强制冷却进行淬火，出淬火炉后，冷却速度：10～100℃/S，优选20℃～100℃/S，更优选30～100℃/S；将所述无缝钢管强制冷却到50℃以下，更优选冷却到35℃以下；在660～700℃温度区间下，对已淬火所述无缝钢管进行回火，得到回火组织，所述无缝钢管的贝氏体含量超过80％，晶粒度≥8级。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，回火后的所述无缝钢管，延伸率≥25％，韧脆转变温度在-80℃以下，-30℃下裂纹尖端张开位移值大于1.5mm。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述热处理后，所述无缝钢管的管端直线度≤1.5mm/1.5m。

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