CN107604249A - 一种经济型抗hic及抗ssccx80ms管线钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢，成分设计原理采用适量的C、Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金化元素，同时加入少量Mo、Cu、Ni等元素，结合特定TMCP工艺，以便最终保证各项力学性能，尤其是较高Mn含量下的抗HIC及抗SSCC性能。制造流程为：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+水冷后堆冷→矫直，特定的TMCP是包括两阶段轧制和中间坯冷却，解决了在较高Mn含量下X80钢级钢板抗HIC及抗SSCC性能问题，并具有优异的低温韧性，同时成本经济且生产稳定。

Description

一种经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢及其制造方法

技术领域

本发明属于X80管线钢板制造技术领域，具体涉及一种经济型抗HIC及抗SSCC性能要求X80MS管线钢及其制造方法。

背景技术

目前世界需求的能源中化石能源还占能源结构中的主体地位，近年来世界经济的急速增长极大带动了化石能源需求的急速增长，陆地及中性石油天然气等资源已开采上百年，面临日益枯竭。因此人类已逐渐将目光投向酸性石油天然气领域，酸性油气田的特性是在石油或天然气中含有一定H2S等酸性气体，给输送管道造成腐蚀，其腐蚀方式主要有HIC(氢致裂纹)及SSCC（应力腐蚀）两种方式，目前抗HIC及SSCC管线钢应用的最高钢级为X65MS，还未有X70MS-X80MS钢级应用的报道。

[1]申请专利号为CN201010130911.8申请专利公布了涉及X42-X80钢级抗HIC及抗SSCC性能，但该专利有如下特点：1）该申请专利为无缝管生产工艺；2）该申请专利中钢管专利后续需要进行正火或调质处理。

[2]申请专利号为201410714743.5申请专利公布了一种抗HIC及抗SSCC性能要求X80钢级管线钢专利，但该专利有如下特点：1）该专利Mn含量很低，最高在1.1%左右，Mn主要是提高强度元素，在低Mn条件下，要提高强度到X80钢级，需要通过其它贵重合金才能弥补强度损失；2)该申请专利从其轧制工艺及其它工艺情况看，更多只是一种试验工艺，实际工业应用不可能实现（单从其轧制工艺就可知）；

[3]申请专利号200410025585.9申请专利公布了一种抗HIC X80钢级管线钢专利，该申请专利具有如下特点：1）该专利为热卷生产工艺；2）该专利只涉及到抗HIC性能，并未提到抗SSCC性能，且Mn含量为1.7-1.95%。

[4]申请专利号201310404493.0申请专利公布了一种抗HIC X80钢级管线刚专利，该申请专利具有如下特点：1）该专利也为热卷生产工艺；2）该专利只涉及到抗HIC性能，未涉及到抗SSCC性能，且Mn含量为1.1-1.4%。

[5]本申请专利为申请专利号为201510153165.7及20151015315.X等申请专利在钢级上的延伸，同时与上述两个申请专利相比，主要通过提高Mn含量来提高强度，从而将钢级提升到X80钢级，同时通过工艺创新来获得均有抗HIC及抗SSCC性能的X80钢级管线钢，且成本经济。

发明内容

本发明提供一种经济型抗HIC及抗SSCC性能要求的X80MS管线钢板及其制造方法，具有生产稳定且成本经济等特点。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.01～0.07%、Mn：1.45～1.70%，Si：0.01～0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.010%，Nb：0.045～0.08%、Ti：≤0.012%、V：≤0.08%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo ：0.05～0.60%， Cu：≤0.30%、Ni：≤1.5%，Cr：≤0.35%，0.7≤Mo+Cu+Ni+Cr ≤2.0%，Ca/S≥1：Ceq：0.37～0.43%，Pcm：0.15～0.20%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

优选地，所述钢板的最大厚度为33mm；所述钢板的屈服强度≥555Mpa；抗拉强度≥625Mpa，屈强比≤0.88，板样延伸率≥40%，-30℃冲击功≥470J，-40℃冲击功≥450J，-60℃冲击功≥350J，SA%(-15℃DWTT) ≥88%, SA%(-25℃DWTT) ≥85%, SA%(-30℃DWTT) ≥80%, SA%(-40℃DWTT) ≥70%(均为全壁厚落锤),钢板具有优异的抗HIC及抗SSCC性能。

本发明成分设计原理是采用适量的C、Mn，通过加入微量Nb、V、Ti等微合金化元素，同时加入少量Mo、Cu、Ni等元素，结合特定TMCP工艺，以便最终保证各项力学性能，尤其是优异的低温韧性及抗HIC性能及抗SSCC性能，其主要的基本元素的添加原理如下：

C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但对钢的韧性及延性以及焊接性能带来不利影响，因此管线钢的发展趋势是近可能降低C含量，但考虑到热煨工艺及强度及韧性的匹配关系，将C含量控制在不高于0.07%。

：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中弥补因C含量降低而引起强度损失的最主要的元素，Mn同时还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性，降低韧脆性转变温度，Mn也是提高钢的淬透性元素。考虑到检验过程中发现Mn偏析对抗HIC性能不利，但同时考虑到热煨工艺同时兼顾到强度要求，本发明中Mn含量设计在1.45～1.70%范围,为缓解因Mn较高所带来的中心偏析，连铸时采用轻压下。

：是现代微合金化钢特别是管线钢中最主要的微合金化元素之一，对晶粒细化的作用非常明显。通过Nb的固溶拖曳及热轧过程中的Nb（C，N）应变诱导析出可阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经TMCP使未再结晶区轧制的形变奥氏体在相变时转变为细小相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，本发明主要是通过C与Nb含量的关系来确定Nb含量范围,

V：具有较高的析出强化和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金化元素中复合使用时，V主要起析出强化作用。

：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸过程中即可形成TiN析出相，这种细小的析出相可有效阻止板坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时可改善焊接热影响区的冲击韧性，是管线钢中不可缺少的元素，但过高的Ti会形成大的TiN质点，影响落锤性能，因此本申请专利将Ti控制在不高于0.015%之间。

：可推迟γ→α相变时先析出铁素体相的形成，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变起到重要作用，同时也是提高钢的淬透性元素。在一定的冷却速度和终冷温度下通过添加一定Mo即可获得明显的针状铁素体或贝氏体组织，考虑到TMCP工艺和热煨工艺，Mo含量控制在不低于0.05%。

、P：是管线钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，通过超低硫及Ca处理改变硫化物形态可使管线钢具有很高的冲击韧性。

、Ni：可通过固溶强化提高钢的强度，Ni的加入一方面可提高钢的韧性，同时改善Cu在钢中易引起的热脆性，Ni含量控制在不低于0.2%。

：Cr的加入可提高钢的淬透性，且相对经济。

本发明的另一目的是提供上述经济型抗HIC及抗SSCC性能要求X80管线钢板的制造方法：

将冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼，LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，并将B类夹杂控制在不高于1.0级，连铸时采用轻压下以改善因Mn含量高造成的芯部偏析，制造出满足化学成分要求、厚度不高于350mm的连铸坯，同时压缩比不低于10；

将连铸坯再加热，二加段温度控制在不高于1300℃，此加热段停留时间不低于4小时；出炉后进行包括两阶段轧制和中间坯冷却的特定TMCP工艺：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度不高于1200℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%；中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯适度冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式是在箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速为6-12℃/s，保证再结晶区轧制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差较小；第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于 950℃，直到最终厚度，终轧温度控制不高于850℃；轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于800℃，终止冷却温度控制为不高于480℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。

本发明采用的中间坯适度冷却系统设置在轧机生产线的粗轧机和精轧机之间，该系统为箱体结构，共计长18m，在箱体顶部，密集分布喷淋喷嘴，对粗轧后的中间坯进行适度冷却，根据不同中间坯厚度，获得的中间坯冷却速度为4～18℃/s，中间坯厚度根据产品和生产需要通常在40～180mm厚左右，小于40mm厚中间坯由于较薄，除非需要，一般不需进行开启中间坯适度冷却；对于厚规格中间坯，考虑到设计极限，最大冷却速度在4℃/s，对于薄规格，最大冷却速度可达到18℃/s。

本申请中间坯适度冷却系统的作业流程：坯料经再结晶区轧制完成后得到中间坯，中间坯进入中间坯适度冷却系统后，系统内相应的辊道进入摆动模式，使中间坯在系统内来回摆动，同时喷嘴喷淋对中间坯喷水，控制中间坯以特定的冷却速度冷却至第二阶段轧制的开轧温度，待中间坯冷却到第二阶段轧制的开轧温度后，中间坯将从中间坯适度冷却系统内送出，进入第二阶段轧制工序。

根据H原子或离子的特性，在钢中的扩散是必然的，H进入钢中后会形成H陷阱，有些氢陷阱内H将会大量聚集，最终形成宏观缺陷。这类氢陷阱与不同组织，夹杂物类型及形貌、不同组织界面有关。

为保证优良的抗HIC及抗SSCC性能，钢的纯净度非常重要，其中需要尽可能控制钢中S含量及S夹杂物含量和形貌，本发明将S控制在0.001%及以下，同时通过Ca处理来使MnS以球化方式存在，这样MnS在钢中总量很少，且基本上被球化。实践表明当钢中S含量低至0.0005%及以下，Ca/S比控制在1～2时，MnS已球化完全，此时钢中Ca含量不会过量，因而不会对炉衬过分侵蚀；另外通过控制B类夹杂级别，对改善抗HIC性能极其有利。

带状组织是导致HIC的重要原因之一。对于管线钢X80钢级，强度已非常高，通常为保证管线钢的抗HIC性能，Mn含量均不超过1.45%左右，在这种低Mn情况下，为确保X80钢级强度及抗HIC性能，需要较多的合金，从而大大增加成本。而本发明从成本考虑，仍然采用较高的Mn含量设计，采用从工艺上对Mn偏析形成进行控制，也就是说通过连铸+高温加热工艺以及特定的TMCP工艺来控制钢中原始及二次带状特别是心部带状组织，从而在低合金成本条件下保证X80钢级管线钢板心部优良的抗HIC能及优异的抗SSCC性能。

本发明具有如下特点：

1）采用比较经济成分和特定工艺，解决较高Mn含量下的抗HIC性能及抗SSCC性能问题，使得X80管线钢板兼具有优异低温韧性及优异的抗HIC和抗SSCC性能。

2）该发明仅通过工艺解决较高Mn含量下X80钢级钢板抗HIC及抗SSCC性能的问题，没有设备和化学原料的额外投资，现场工艺容易实现，具有成本经济，同时生产效率高、工艺简单的特点。

附图说明

图1为本发明X80管线钢的组织结构图；

图2为本发明实施例钢板的HIC试验后的外形图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

经济性抗HIC及抗SSCC X80钢级管线钢板的制造流程为：配比备料→进行转炉或电炉冶炼→炉外精炼→连铸→板坯再加热→特定TMCP工艺+水冷→矫直。

具体工艺步骤如下：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，精炼时控制Ca/S比不低于1，同时将B类夹杂控制在1.0级及以下，连铸时采用轻压下工艺，目的在于改善因Mn含量较高造成的芯部偏析。制造出满足化学成分要求、350mm厚的连铸坯；板坯加热时二加段温度控制在不高于1300℃，并在此加热段停留时间不低于4小时；随后进行特定TMCP工艺+水冷+矫直。

特定TMCP工艺包括两阶段轧制和中间坯冷却：第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度控制在不高于1200℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%；

中间坯冷却是通过适度冷却系统对中间坯快速冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式为是在适度冷却系统 箱体内采用来回摆动式进行冷却，冷速速度为6-12℃/s，保证再结晶区轧制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差较小；

第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于950℃，终轧温度控制在不高于850℃。

轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于800℃，终止冷却温度控制为不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。

各实施例所涉及钢板的具体化学成分见表1，具体TMCP工艺参数见表2，主要力学性能见表3。

表1

实施例

C

Mn

Si

S

P

Nb

Ti

V

Alt

Mo+Cu+Ni+Cr

Ca/S

B类夹杂评级

1

≤0.10

1.45-1.85

≤0.45

≤0.0005

≤0.01

≤0.08

≤0.015

0.007

≤0.060

≤1.5

≥1

≤1.5

2

≤0.10

1.45-1.85

≤0.45

≤0.0005

≤0.010

≤0.08

≤0.015

0.008

≤0.068

≤1.5

≥1

≤1.5

3

≤0.05

1.45-1.85

≤0.45

≤0.0005

≤0.010

≤0.08

≤0.015

0.007

≤0.060

≤1.5

≥1

≤1.5

表2

表3

表3续

表3续

各实施例所生产钢板的抗HIC及抗SSCC性能如表4。

表4

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.01～0.07%、Mn：1.45～1.70%，Si：0.01～0.45%，S：≤0.001%，P：≤0.010%，Nb：0.045～0.08%、Ti：≤0.012%、V：≤0.08%，Alt：≤0.06%，N: ≤0.0040%，O：≤0.004%，Mo ：0.05～0.60%， Cu：≤0.30%、Ni：≤1.5%，Cr：≤0.35%，0.7≤Mo+Cu+Ni+Cr ≤2.0%，Ca/S≥1：Ceq：0.37～0.43%，Pcm：0.15～0.20%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢，其特征在于：钢板的最大厚度为33mm；所述钢板的屈服强度≥555Mpa；抗拉强度≥625Mpa，屈强比≤0.88，板样延伸率≥40%，-30℃冲击功≥470J，-40℃冲击功≥450J，-60℃冲击功≥350J，SA%(-15℃DWTT)≥88%, SA%(-25℃DWTT) ≥85%, SA%(-30℃DWTT) ≥80%, SA%(-40℃DWTT) ≥70%(均为全壁厚落锤),钢板具有优异的抗HIC及抗SSCC性能。

3.一种制造如权利要求1所述的经济型抗HIC及抗SSCCX80MS管线钢的方法，其特征在于：工艺步骤如下

将冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼，LF 精炼、RH 真空精炼和连铸，精炼时采用Ca处理，Ca/S不低于1，并将B类夹杂控制在不高于1.0级，连铸时采用轻压下以改善因Mn含量高造成的芯部偏析，制造出满足化学成分要求、厚度不高于350mm的连铸坯，同时压缩比不低于10；

将连铸坯再加热，二加段温度控制在不高于1300℃，此加热段停留时间不低于4小时；出炉后进行包括两阶段轧制和中间坯冷却的特定TMCP工艺：

第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度不高于1200℃，再结晶区轧制时控制连续两至三道次的单道次压下率不低于22%；

中间坯冷却是通过Mild cooling冷却系统对中间坯适度冷却至第二阶段的非再结晶区开轧温度，冷却方式是在箱体内采用来回摆动的方式进行冷却，冷速为6-12℃/s，保证再结晶区轧制变形后奥氏体晶粒不再长大，中间坯表面与心部温差较小；

第二阶段为非再结晶区轧制，开轧温度不高于 950℃，直到最终厚度，终轧温度控制不高于850℃；

轧后以水冷方式冷却钢板，开始冷却温度控制为不高于850℃，终止冷却温度控制为不高于500℃，冷却速度为10～35℃/s；冷却后矫直，最后直接冷却到室温即得钢板成品。