CN114737110B - 抗hic油气管道用x52直缝焊管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢及其制造方法，钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.035％～0.05％、Si 0.10％～0.25％、Mn 0.45％～0.65％、Zr 0.02％～0.04％、Cu 0.12％～0.2％、P≤0.010％、S≤0.005％、Nb 0.045％～0.065％、Ti 0.015％～0.025％、Al 0.015％～0.045％、N0.004％～0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。该钢板具有高强度、高韧性、组织中弥散分布2‑10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相，具有优异的探伤合格率，和良好的综合性能，可以保证抗HIC油气管道用服役安全性。
Description
技术领域
本发明涉及低碳微合金钢生产技术领域，尤其涉及一种抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢及其制造方法。
背景技术
管线运输是长距离输送天然气最经济、最方便、最主要的运输方式。为了降低长距离输送油气管线的建设投资和运营维护成本，提高输送效率，长距离油气输送管道向大管径、高压力方向发展；同时，在保证其服役经济性、安全性，一些支线项目钢管的厚度在逐渐减小，需要相应的管线钢板必须满足壁厚(10-20mm)、管径在Φ1016mm以下、X52钢级以下的要求；由于输送能源介质的多样性，部分石油、天然气中含有少量的硫化氢等腐蚀介质，对管道有一定的腐蚀性，严重影响到输送管道的安全性。为防止由于硫化氢腐蚀导致的开裂，行业内开发了多种抗HIC、SSC管线钢板，对于传统的天然气X52钢级的管线钢，采用碳含量0.04％-0.09％的“低碳”成分设计，锰含量较高范围在1％～1.45％并且添加铌、钒、钛等合金元素来保证性能。但对于抗HIC油气管线钢而言，碳作为管线钢的主要固溶强化元素，其含量增加时，钢管HIC敏感性增大。这是因为钢中碳含量增加，会使钢在热轧状态下生成对HIC最为敏感的马氏体组织。锰和磷是易偏析元素，热轧板中极易在钢板中心偏析，生成对HIC敏感的低温转变硬显微组织带。硫含量对HIC性能有很大影响，从环境中渗入材料内部的氢原子容易在长条状的硫化物夹杂(如硫化锰)尖端处聚积，形成较大的氢内压，进而诱发微裂纹。此外，随着X52钢板合金成分设计体系改变，其炼钢、连铸及轧制工艺将发生明显变化，其次钢板性能、探伤合格率、带状、Mn和P偏析元素的控制以及冶炼、轧制等生产过程关键工艺参数的控制等都将发生显著变化。由此可见，如何解决上述生产管径在Φ1016mm以下的X52钢级抗HIC管线钢所存在的问题，是X52钢级抗HIC油气管线钢开发的关键。
与现有技术对比：
迄今为止，国内外对生产抗HIC油气管道用X52钢级管线钢报导甚少。在本发明之前，申请号为CN 201010243258.6的专利公开了一种X52钢级管线钢的制造方法，其化学成分按质量百分比计为C 0.070～0.090％、Si 0.15～0.30％、Mn 1.10～1.30％、S≤0.006％、P≤0.020％、Nb 0.020～0.040％、Ti 0.010～0.020％、N≤0.008％、Als 0.010～0.040％，为了使钢板具备强度高、低温韧性优异的管线钢，该方案在成分设计上需要添加较高Mn、Nb金属元素，但其生产工艺针对天然气用卷板，且钢板的厚度及宽度也未明确。
申请号为CN 201910949817.6的专利公开了一种超厚规格X52管线钢热轧卷板及其生产方法，其化学成分按质量百分比计为：C 0.060～0.070％、Si 0.15～0.25％、Mn1.40～1.50％、Nb 0.034～0.050％、Ti 0.008～0.022％、Cr 0.11～0.17％、Al 0.015～0.045％、P≤0.02％、S≤0.008％、N≤0.008％，且Pcm≤0.17％，为了使钢板具备高强度、高韧性等性能的X52管线钢，该方案在成分设计上需要添加较多的金属元素Mn、Nb和Cr等，且厚度规格只针对20mm以上天然气用卷板。
期刊论文“中碳低成本L360管线钢的开发”(《冶金管理》2019)中提到的中碳L360低成本生产工艺，采用了中碳成分设计：C为0.14～0.19％，Mn为0.14～0.19％，V≤0.03％，Ti≤0.03％，合金成本低，但其主要针对天然气用管线钢板，且生产厚度、宽度也未明确。
以上专利文献公开的钢虽然具有高强韧性，但是它们或者是卷板，或者是针对天然气管线用钢，因此不适合生产低成本、薄规格抗HIC油气管线用钢板等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢及其制造方法，用于制造10-20mm，管径为Φ1016mm及以下抗HIC油气管道用X52钢级直缝焊管的制造方法。无需后续离线热处理就能满足超宽抗HIC油气管道用X52钢板的技术要求，通过优化成分及工艺，解决了其轧制抗力、钢板性能均匀性和抗HIC油气管道成分设计和轧制工艺等技术问题，该钢板具有高强度、高韧性、组织中弥散分布2-10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相，具有优异的探伤合格率，和良好的综合性能，可以保证抗HIC油气管道用服役安全性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.035％～0.05％、Si 0.10％～0.25％、Mn 0.45％～0.65％、Zr 0.02％～0.04％、Cu 0.12％～0.2％、P≤0.010％、S≤0.005％、Nb 0.045％～0.065％、Ti 0.015％～0.025％、Al0.015％～0.045％、N0.004％～0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质，H≤0.0020％，O≤0.0050％，其它杂质元素总量低于0.05％。
所述X52直缝焊管用钢厚度目标为10-20mm。
所述X52直缝焊管用钢用于制造管径为Φ1016mm及以下抗HIC油气管道。
本发明钢板化学成分中各主要元素的作用如下：
C：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高C含量对钢的塑性、韧性和焊接性有负面影响。为此，本发明将C含量范围设定为0.035％～0.05％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，同时补偿因C含量降低而引起钢板强度损失。此外，还可降低γ-α相变温度，进而细化铁素体晶粒，有助于获得细小的低温相变产物，提高其韧性。但提高Mn的含量，会加剧连铸坯中心偏析及组织恶化，生成对HIC敏感的低温转变硬显微组织带，不利于钢板低温韧性的提高，也无法保证钢板横截面组织均匀性，因此，本发明的Mn含量范围设计为0.45％～0.65％。
Si：具有炼钢脱氧与提高基体强度的作用。但Si过量，会降低母材焊接热影响区的韧性，提高Si的含量，可以净化铁素体，减小珠光体的含量，有利于减少基体材料的包辛格效应。因此，Si含量在本发明中设定为0.10％～0.25％。
Nb：是现代微合金化管线钢中常用元素之一，具有良好的细晶强化与沉淀强化效果；也会延迟奥氏体再结晶，但过量的Nb会增加生产成本与连铸工艺控制难度。本发明选取Nb含量范围0.045％～0.065％，配合合理的TMCP工艺，可以获得均匀的以针状铁素体或M-A岛的形成组织为主的复合相，使其具有良好韧性。
N：钢中N元素除了形成细小的TiN颗粒细化奥氏体晶粒外，并没有其它明显的作用，因此需要保持在一个较低的含量水平，本发明选取的N含量范围0.004％～0.006％。
Ti：是强的固N元素，在连铸坯中以TiN形式存在。细小的TiN粒子可有效地抑制连铸坯再加热时的奥氏体晶粒长大，且有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，改善焊接热影响区的冲击韧性。当Ti添加量超过某一定值，TiN颗粒就会粗化，提升颗粒界面与基体的应力集中水平。因此，本发明选取Ti含量范围0.015％～0.025％。
Cu：可通过固溶强化和析出强化提高钢的强度，还可改善耐蚀性能，但过高的Cu会引起热脆性，对韧性不利，因此，本发明选取Cu含量范围0.12％～0.2％。
Zr：Zr是强碳化物和强淬透性形成元素，加入少量Zr会显著细化晶粒，改善钢的低温韧性，提高钢的淬透性，进而提高钢强度和组织均匀性，同时Zr改善钢的热脆性，因此，本发明选取Zr含量范围0.02％～0.04％。
Al：通常作为钢中脱氧剂，如果形成AlN还有细化组织的作用。当Al的含量超过0.045％，过量的氧化铝夹杂会降低钢的洁净度。Al含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物，因此Al的含量下限设定为0.015％。
P、S：是钢中不可避免的杂质元素，磷是易偏析元素，热轧板中极易在钢板中心偏析，生成对HIC敏感的低温转变硬显微组织带。硫含量对HIC性能有很大影响，从环境中渗入材料内部的氢原子容易在长条状的硫化物夹杂(如硫化锰)尖端处聚积，形成较大的氢内压，进而诱发微裂纹，因此P、S应越低越好。但出于冶炼成本和工艺的考虑，不能无限制的低。因此，本发明将P、S含量上限设定为0.010％与0.005％。
抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢的制造方法，使用厚度为200-250mm连铸坯在中厚板往复式轧机上进行生产，冷却介质为水。工艺路径包括钢水冶炼→炉外精炼、脱气→连铸+缓冷→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→钢板缓冷，具体包括如下步骤：
1)炼钢及连铸：原料经KR铁水预处理，控制S的含量低于0.015％，扒渣后进入转炉；转炉冶炼中采用双渣法脱P，控制P的含量≤0.01％，转炉冶炼终点控制C的含量在0.035～0.05％，出钢时吹氩气15～20min；接着进行LF精炼和RH真空脱气，RH真空保持30min以上(加速液态铁水中的氢以分子形式快速溢出)；随后进行板坯连铸，连铸过热度为15～25℃，连铸拉坯速率为1.5～1.8m/min；在水平扇形段，即凝固末端投入重压下，连铸坯压下量12～15mm，连铸坯下线后进行堆垛缓冷，堆垛连铸坯块数不少于10块，同时用高温石棉进行保温，缓冷时间≥32h，(减少铸坯的中心疏松级别、偏析，加速H分子扩散，提高成品铸坯和钢板探伤合格率)；
2)铸坯加热：将铸坯(厚度200-250mm)送入步进式加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段后出炉；其预热段温度区间为980～1150℃(促使Nb、Zr的碳化物和氮化物快速充分固溶于基体中，并进行充分扩散)，加热段温度区间为1220～1240℃，均热段温度区间为1210～1220℃，在炉时间4.5～5.5小时(使C、N等元素进一步分布均匀，促进H分子进一步扩散和溢出，同时控制在炉时间，抑制晶粒过度长大)；
3)高压水除鳞、控制轧制和缓冷：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行除鳞1.5～2min，除鳞机压力20～25MPa；分两阶段轧制：第一阶段为再结晶轧制(粗轧)开轧温度≥1100℃，粗轧终轧温度区间为1000～1050℃，粗轧不多于六道，道次压下制度是前二道保证压下率在15％以上，后三道有一道不小于10％，所得中间坯的厚度为成品厚度的3.5～4.5倍；中间坯待温1～1.5min(促进富Cu、Zr和Nb的纳米相弥散析出)，第二阶段为非在结晶轧制(精轧)开轧温度区间900～930℃，终轧温度区间为780～840℃，精轧不多于八道，道次压下制度是前四道有二道保证压下率在20％以上，后二道保证有一道不小于15％，(通过两阶段轧制使不同阶段晶粒组织细化并在中间坯待温过程中发生动态在结晶，使晶粒分布均匀，和促进2-10nm纳米相弥散析出)，升速轧制(通过中间坯头部低速咬入后，辊道速度快速增加由20r/min快速增加到40～60r/min，预防终轧温度低于要求温度区间)，轧后采用慢速抛钢，抛钢速度1.5～2.5m/s(进一步促富Cu、Zr和Nb的纳米相弥散析出)，预矫投入(预防轧制过程中钢板板头上翘，在随后控冷过程中，钢板表面存水，影响性能均匀性；同时也有利于释放钢板轧制过程中产生的热应力)，随后采用层流冷却，开冷温度范围为760～820℃，返红温度区间550～580℃，冷却速度20～30℃/s(提高终冷温度，进一步抑制带状组织产生)，控冷后的钢板进行堆垛缓冷，堆垛的钢板用木方隔离，缓冷温度不低于300℃(进一步加速H分子扩散)。
采用上述成分与控轧控冷方案，克服了现有技术存在的不足，实现了一种用于制造厚度规格10-20mm，管径为Φ1016mm以下抗HIC油气管道用X52钢级直缝焊管的钢板的生产与应用，钢板的组织为铁素体和珠光体为主的复相组织，且组织中弥散分布2-10nm的富Cu和富Nb、Zr、Ti的纳米析出相。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)KR铁水预处理深脱硫后扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，使铸坯的P、S含量较低，控制吹氩气时间和RH真空脱气时间，从而克服由于Mn含量较高所带来的铸坯中心偏析、夹杂物和H、O含量超标等缺陷，有利于提高抗HIC油气管线钢的塑韧性。合理控制连铸坯过热度和拉坯速率，并投入重压下，有助于减小钢坯偏析，细化奥氏体晶粒，减少内部组织缺陷，下线后的铸坯进行堆垛缓冷，使钢坯中心富集合金元素逐渐扩散，H分子进一步扩散，减少铸坯的中心疏松级别、偏析，和H含量过高，提高成品钢板探伤合格率。
2)本发明设计的成分合理，通过降低C、Mn、P和S含量，配合加入少量微合金元素Cu、Zr和Nb，使组织中弥散分布2-10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相，采用高温轧制，降低粗轧和精轧阶段高温变形抗力，有利于提高每道次压下量，有利于保证薄规格X52钢板的综合性能。
3)采用两阶段控制轧制工艺，控制粗轧与精轧道次压下量，保证中间坯待温时间，优化中间坯厚度，同时提高了精轧开轧温度，且轧后无需弛豫等待，通过轧后慢速抛钢，预矫投入，层流冷却等，控制钢板的返红温度在550～580℃，抑制了钢板带状组织产生，同时也进一步促进了组织中2-10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相弥散分布，保证了钢板技术指标满足抗HIC油气管道要求。
4)本发明通过优化成分设计，通过调控炼钢、连铸和控轧控冷工艺获得了一种薄规格(10～20mm)，管径为Φ1016mm以下抗HIC油气管道用X52直缝焊管的钢板，组织以铁素体、珠光体为主，且组织中弥散分布2-10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相，具有良好的低温韧性控制。具体性能为：横向拉伸的屈服强度性能介于400～450MPa之间，抗拉强度介于500～540MPa之间，强度区间范围窄，延伸率≥30％，-20℃横向夏比冲击功≥250J，硬度值≤210HV10，-15℃的DWTT剪切面积(％)≥85％，按照NACE TM0284-2011(A溶液)标准，裂纹长度率(CLR)≤15％，裂纹厚度率(CTR)≤5％，裂纹敏感率(CSR)≤1.5％。钢板探伤合格率在99.5％以上。钢板具有高强度与优异的低温韧性等特征。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
其中表1为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的冶炼工艺制度，表3为实施例钢的铸坯的加热制度及连铸坯轧前高压水除鳞工艺；表4为实施例钢不同轧制阶段各道次压下量；表5为实施例钢控冷主要工艺参数；表6为实施例钢板横向力学性能。
表1本发明实施例的化学成分(wt，％)
| 实施例 | C | Si | Mn | Ti | Zr | Cu | Nb | N | Al |
| 1 | 0.038 | 0.12 | 0.55 | 0.015 | 0.021 | 0.12 | 0.046 | 0.0042 | 0.015 |
| 2 | 0.042 | 0.15 | 0.65 | 0.018 | 0.032 | 0.15 | 0.058 | 0.0051 | 0.026 |
| 3 | 0.037 | 0.23 | 0.46 | 0.022 | 0.038 | 0.18 | 0.062 | 0.0047 | 0.044 |
| 4 | 0.048 | 0.18 | 0.62 | 0.025 | 0.022 | 0.2 | 0.048 | 0.0058 | 0.036 |
| 5 | 0.049 | 0.22 | 0.57 | 0.023 | 0.025 | 0.17 | 0.049 | 0.0045 | 0.045 |
| 6 | 0.039 | 0.12 | 0.49 | 0.019 | 0.035 | 0.16 | 0.064 | 0.0059 | 0.031 |
注：钢中杂质元素P≤0.01％；S≤0.005％；H≤0.0020％，0≤0.0050％，其它杂质元素总量低于0.05％。
表2实施例钢的冶炼工艺制度
表3实施例钢的铸坯的加热制度及连铸坯轧前高压水除鳞工艺
表4实施例钢的加热、轧制及控冷参数
表5实施例钢不同轧制阶段各道次压下量
表6为实施例钢板横向力学性能
表7为实施例钢板的抗HIC性能
由此可见，与现有技术相比，本发明的X52钢级抗HIC管线钢采用低C、Mn、P和S，和Nb、Cu和Zr复合添加成分设计体系，无需后续离线热处理就能满足超宽抗HIC油气管道用X52钢板的技术要求，该钢板具有高强度、高韧性、组织中弥散分布2-10nm的富Cu和富Nb、Zr的纳米析出相，具有优异的探伤合格率，和良好的综合性能，可用于制造10-20mm的管径在Φ1016mm以下的X52钢级的抗HIC管线钢管。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.035％～0.05％、Si 0.10％～0.25％、Mn 0.45％～0.65％、Zr 0.02％～0.04％、Cu0.12％～0.2％、P≤0.010％、S≤0.005％、Nb 0.045％～0.065％、Ti 0.015％～0.025％、Al 0.015％～0.045％、N0.004％～0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质，H≤0.0020％，O≤0.0050％，其它杂质元素总量低于0.05％；
抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢的制造方法，包括如下步骤：
1)炼钢及连铸：原料经KR铁水预处理，转炉冶炼中采用双渣法脱P，出钢时吹氩气15～20min；接着进行LF精炼和RH真空脱气，RH真空保持30min以上，连铸过热度为15～25℃，连铸拉坯速率为1.5～1.8m/min；连铸坯压下量12～15mm，连铸坯下线后进行堆垛缓冷，堆垛连铸坯块数不少于10块，缓冷时间≥32h；
2)铸坯加热：将铸坯送加热炉加热，预热段温度区间为980～1150℃，加热段温度区间为1220～1240℃，均热段温度区间为1210～1220℃，在炉时间4.5～5.5小时；
3)高压水除鳞、控制轧制和缓冷：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行除鳞1.5～2min；分两阶段轧制：粗轧开轧温度≥1100℃，粗轧终轧温度区间为1000～1050℃，粗轧不多于六道，道次压下制度是前二道保证压下率在15％以上，后三道有一道不小于10％，所得中间坯的厚度为成品厚度的3.5～4.5倍；中间坯待温1～1.5min精轧开轧温度区间900～930℃，终轧温度区间为780～840℃，精轧不多于八道，道次压下制度是前四道有二道保证压下率在20％以上，后二道保证有一道不小于15％，抛钢速度1.5～2.5m/s，随后采用层流冷却，开冷温度范围为760～820℃，返红温度区间550～580℃，冷却速度20～30℃/s，控冷后的钢板进行堆垛缓冷，缓冷温度不低于300℃。
2.根据权利要求1所述的抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，其特征在于，所述X52直缝焊管用钢厚度目标为10-20mm。
3.根据权利要求1所述的抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，其特征在于，所述X52直缝焊管用钢用于制造管径为Φ1016mm以下抗HIC油气管道。
4.根据权利要求1所述的抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，其特征在于，所述铸坯厚度为200-250mm。
5.根据权利要求1所述的抗HIC油气管道用X52直缝焊管用钢，其特征在于，上述步骤3)开轧前高压除鳞水除鳞机压力20～25MPa。
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