基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用高性能抗大變形管線鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高強(qiáng)度管線鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用高性能 抗大變形管線鋼及制備方法，具有優(yōu)良的抗大變形能力、低溫韌性、CTOD斷裂韌性、抗酸性 能，以及可焊性能優(yōu)良的抗大變形管線鋼，適用于基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)的油氣管道工程建設(shè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油天然氣資源的快速發(fā)展，世界上油氣田的開采向著邊遠(yuǎn)的荒漠、地震帶、 極地凍土帶和海洋等環(huán)境苛刻區(qū)域發(fā)展，輸送管道也不可避免的經(jīng)受著復(fù)雜多變的地質(zhì)災(zāi) 害環(huán)境，嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。為保證管道建設(shè)和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全性，管線鋼的 發(fā)展趨勢必將是高強(qiáng)度、高韌性、耐低溫、良好的焊接性和抗大變形能力。高強(qiáng)等級經(jīng)濟(jì)型 抗大變形管線鋼因具有良好的綜合性能，尤其是優(yōu)良的抗變形能力，必將是未來管線鋼產(chǎn) 品發(fā)展的一個重要方向，工程應(yīng)用前景非常廣闊，市場需求日益迫切，已引起全球管道行業(yè) 的高度重視，各國均在積極推動大變形管線鋼的研制開發(fā)及應(yīng)用推廣工作。
[0003] 抗大變形管線鋼由于其應(yīng)用的特殊性，對性能的要求非常嚴(yán)格，不僅要滿足同鋼 級常規(guī)管線鋼的各項性能要求，如較高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌性，而且要求其縱向性 能必須要有足夠的抗大變形能力，即要求有較高的形變強(qiáng)化指數(shù)（η)、較大的均勻延伸率 (UEL% )、較低的屈強(qiáng)比（RtO. 5/Rm)、良好的各項應(yīng)力應(yīng)變比值、拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線為圓 屋頂形（不能有屈服平臺）等。
[0004] 抗大變形管線鋼由于其金相組織形態(tài)的特殊性，其低溫CTOD斷裂韌性、焊接性能 和抗酸性能等比較敏感，容易出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，尤其是環(huán)焊縫接頭性能及其高效性對現(xiàn)場 焊接工藝比較敏感，再加上中國油氣管道施工隊伍90%以上環(huán)焊縫采用的是半自動藥芯自 保護(hù)焊設(shè)備和工藝，其環(huán)焊縫焊接技術(shù)和焊接材料還不成熟，其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用受到限制， 因此，要想在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用抗大變形管線鋼，需要盡快開發(fā)出具有優(yōu)良的抗大變形能力 和低溫韌性，并解決了產(chǎn)品的CTOD斷裂韌性、抗酸性能，以及可焊性能，適用于半自動藥芯 自保護(hù)焊工藝的抗大變形管線鋼產(chǎn)品及其生產(chǎn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用高性能抗大變形管線鋼及制備 方法，產(chǎn)品具有優(yōu)良的抗大變形性能和低溫韌性，并解決了現(xiàn)有抗大變形管線鋼的CTOD斷 裂韌性、抗酸性能和可焊性能，適用于半自動藥芯自保護(hù)焊工藝的現(xiàn)場環(huán)焊縫焊接。
[0006] 本發(fā)明的基于應(yīng)變設(shè)計地區(qū)用高性能抗大變形管線鋼的化學(xué)成分為：C :0. 04~ 0· 07%，Nb :0· 02 ~0· 05%，Si :0· 10 ~0· 30%，Mn :1. 00 ~I. 60%，Alt :0· 01 ~0· 05%， Ti :0· 015 ~0· 025 %，Ni :0· 15 ~0· 40 %，Cr :0· 10 ~0· 30 %，Cu :0· 10 ~0· 30 %，P : 彡 0· 012%，S :彡 0· 003%，N :彡 0· 005%，0 :彡 0· 002%，B :彡 0· 0004%，余量為 Fe 和不可 避免雜質(zhì)元素，且 C+Nb :0· 08 ~0· 10%，Cr+Cu :0· 20 ~0· 40%，P+S+N+0+B 016%，均 為重量百分?jǐn)?shù)；
[0007] 該鋼由細(xì)小的多邊形先共析鐵素體構(gòu)成的第一相，和包含貝氏體、馬氏體、Μ/A島 中的一種或多種構(gòu)成的第二相；第一相先共析鐵素體晶粒尺寸為1~8 μπι ;
[0008] 該鋼力學(xué)性能為：母材縱向拉伸性能的屈強(qiáng)比彡0. 80,均勻延伸率UEL多10%， RtL 5/RtO. 5 彡 1. 10, Rt2. 0/Rtl. 0 彡 1. 06, Rt5. 0/Rtl. 0 彡 1. 10, RtO. 4/RtO. 8 彡 0· 93， RtO. 8/Rtl. 5彡0. 97，Rtl. 5/Rm彡0. 95 ;母材橫向-10°C夏比沖擊功達(dá)到300J以上，-10°C 落錘（DWTT)剪切面積達(dá)到85%以上；半自動藥芯自保護(hù)環(huán)焊縫接頭-KTC焊縫金屬和熔合 區(qū)夏比沖擊功達(dá)到100J以上；直縫埋弧焊的-KTC焊縫金屬和熱影響區(qū)夏比沖擊功穩(wěn)定達(dá) 到150J以上；母材在-KTC時斷裂韌性CTOD值在0. 2mm以上；母材B溶液條件下抗酸裂紋 長度率CLR < 15 %，裂紋厚度率CTR < 5 %，裂紋敏感率CSR < 2 %。
[0009] 本發(fā)明所述高性能抗大變形管線鋼的制備方法，包括鋼水冶煉、鋼坯連鑄、鋼坯再 加熱、控制乳制、弛豫冷卻、加速冷卻等工序，其特征在于：
[0010] (1)鋼坯再加熱溫度為1120-1180°C，加熱時間按0· 5-1. Omin/mm控制，均熱段加 熱時間控制在40-70min ;
[0011] (2)鋼板分兩階段控乳，第一階段終乳溫度為930-10KTC，粗乳末兩道次壓下率 控制在20-50%，然后進(jìn)行待溫，待溫厚度為成品鋼板厚度的3-5倍，第二階段開乳溫度為 800-860°C，乳制速度為2. 5-5m/s，終乳溫度控制在730-790°C范圍，精乳末兩道次壓下率 控制在10-20% ;
[0012] (3)鋼板熱乳后進(jìn)行弛豫冷卻，弛豫時間0-90s，冷卻速度0. 2-l°C /s，形成細(xì)小的 多邊形先共析鐵素體構(gòu)成的第一相；
[0013] (4)然后進(jìn)行加速冷卻，開冷溫度為680-740°C，終冷溫度為200-300°C，冷卻速度 為26-40 °C /s，形成由貝氏體、馬氏體、Μ/A島中一種或多種構(gòu)成的第二相。
[0014] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
的構(gòu)成要點立足于以下認(rèn)識：
[0015] C元素對提高鋼材的強(qiáng)度是有效的，但同時對其低溫沖擊韌性、抗酸性能及其可焊 性是有害的，眾所周知，C是易偏析元素和碳化物形成元素，較高的C含量會在焊接過程中 造成焊接性能的嚴(yán)重下降，尤其對于抗大變形管線鋼來說，添加過多的C對環(huán)焊縫性能有 害。本發(fā)明進(jìn)行了大量試驗，通過對比不同的C含量抗大變形管線鋼的環(huán)焊縫性能，發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)C含量大于0. 07 %時，其環(huán)焊縫沖擊韌性較差，當(dāng)C含量小于0. 04%時，其抗拉強(qiáng)度較 低，屈強(qiáng)比偏高，抗大變形能力不足。因此本發(fā)明中C含量控制在0. 04~0. 07%范圍內(nèi)。
[0016] Nb元素在管線鋼中主要起到固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，對提抗大變形管線鋼的 強(qiáng)度和低溫韌性是有效的，但較高的Nb含量會在焊接過程中造成焊縫金屬沖擊性能的嚴(yán) 重下降。本發(fā)明進(jìn)行了大量試驗，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Nb含量大于0. 05%時，其環(huán)焊縫沖擊韌性較差， 而且Nb含量高會導(dǎo)致產(chǎn)品屈服強(qiáng)度較高，影響屈強(qiáng)比和各項應(yīng)力應(yīng)變比值，抗大變形能力 較差。因此本發(fā)明中Nb含量控制在較低碳含量0.02~0.05%范圍內(nèi)。并且C含量和Nb 含量的復(fù)合疊加作用也會對環(huán)焊縫性能帶來影響，C+Nb含量之和過高，會造成環(huán)焊縫沖擊 韌性下降，所以必須控制C+Nb :0. 08~0. 10%范圍內(nèi)。
[0017] Mn元素是常用的固溶強(qiáng)化元素，提高強(qiáng)度和韌性，同時降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。但 由于錳在鋼中與碳、磷元素一樣均易形成偏析帶，造成鋼的組織和硬度不均勻性。為避免硬 的帶狀組織出現(xiàn)，錳的添加量要受到限制，Mn含量控制在1.0~1.6%范圍，可顯著提高產(chǎn) 品的抗酸性能、CTOD斷裂韌性，以及環(huán)焊縫性能。
[0018] Cr和Cu元素對提高管線鋼的抗拉強(qiáng)度是有效的，可顯著降低材料的屈強(qiáng)比。但 較高的Cr、Cu含量會對環(huán)焊縫性能不利。本發(fā)明進(jìn)行了大量試驗，通過對比不同的Cr、Cu 含量，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Cr+Cu含量大于0. 40%時，其環(huán)焊縫沖擊韌性明顯降低，但Cr+Cu含量小于 0. 20%時，其抗拉強(qiáng)度較低，屈強(qiáng)比偏高，抗大變形能力較差。因此本發(fā)明中Cr+Cu含量控 制在0.20~0.40%范圍內(nèi)。
[0019] Ni元素是奧氏體穩(wěn)定性元素，能降低γ - α轉(zhuǎn)變溫度，能有效提高管線鋼的低溫 韌性。Ni可通過固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，彌補(bǔ)厚規(guī)格鋼材中因厚度的增加引起的強(qiáng)度 下降，本發(fā)明進(jìn)行了大量試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ni含量大于0. 15%時，其低溫CTOD斷裂韌性、抗酸性 能和環(huán)焊縫性能良好，但Ni為貴重金屬，對合金成本影響較大，一般控制在0. 15~0. 40% 范圍內(nèi)。
[0020] Ti元素是細(xì)化晶粒的作用，本發(fā)明控制Ti :0.015~0.025%范圍，可以獲得良 好的綜合性能。鋼中雜質(zhì)元素越低越好，為了獲得抗大變形的高性能，本發(fā)明進(jìn)行大量試 驗，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)元素控制在P :彡0.012%，S :彡0.003%，K 0.005%，0:彡0.002%，B : 彡0. 0004%，且P+S+N+0+B :彡0. 016%，對產(chǎn)品的低溫韌性、CTOD斷裂韌性、抗酸性能和可 焊性有益。
[0021] 本發(fā)明采用該生產(chǎn)工藝的依據(jù)是：
[0022] 控制加熱溫度1120-1180°(：，加熱時間0.5-1.01^11/臟，和均熱段時間大于401^11， 本發(fā)明大量試驗表明，控制加熱對原始奧氏體晶?？刂朴欣筛纳飘a(chǎn)品低溫韌性、斷裂韌 性和抗酸性能等。第一階段通過控制較低的終乳溫度930-10KTC