專利名稱：用作導(dǎo)管的無縫鋼管和獲得所述鋼管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好機(jī)械強(qiáng)度、良好韌性并且耐腐蝕的鋼，更具體地，涉及大尺寸無縫鋼管，該鋼管機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，能夠防止金屬基體以及熱影響區(qū)開裂，并且耐腐蝕，這類鋼管即所謂具有懸鏈構(gòu)造的導(dǎo)管，它們用作處于高溫(優(yōu)選最高達(dá)130℃)和高壓(優(yōu)選最高達(dá)680大氣壓)下的流體的導(dǎo)管，并且涉及所述管路的制備方法。
背景技術(shù)：
在開發(fā)深海石油資源中，所使用的是稱為具有懸鏈構(gòu)造(catenaryconfiguration)的導(dǎo)管，在石油工業(yè)中被稱作鋼懸鏈提升機(jī)的流體導(dǎo)管。這些導(dǎo)管位于水下結(jié)構(gòu)的上部，即處于水表面與所述結(jié)構(gòu)觸及海床的第一點(diǎn)之間，并且，僅僅是整個傳輸體系的一部分。
這種管道體系基本由導(dǎo)管構(gòu)成，其作用是將流體從海床輸送至海洋表面。目前，這種管道由鋼制成，并且一般通過焊接連接一起。
這些導(dǎo)管存在幾種可能的結(jié)構(gòu)，其中之一是非對稱懸鏈構(gòu)造的導(dǎo)管。其名稱源于描述兩端(海洋底部與海洋表面)固定的輸送體系的曲線，并且被稱作懸鏈曲線。
例如上述的導(dǎo)管體系暴露在波浪與海流的波動運(yùn)動中。因此，在這種管路中抗疲勞性能非常重要，使得管道焊接處成為關(guān)鍵部位。所以，有限的尺寸公差、均勻的機(jī)械性能以及防止金屬基體和熱影響區(qū)開裂的高韌性是這類管路的主要特征。
同時(shí)，在導(dǎo)管內(nèi)循環(huán)的流體可能含有H2S，因而，也必須要求該產(chǎn)品非常耐腐蝕。
應(yīng)該考慮的另一個重要因素是導(dǎo)管將輸送的流體非常熱，因而，這就必須要求構(gòu)成該體系的管路能夠在高溫下保持其性能。
此外，管路有時(shí)必須處的工作的介質(zhì)意味著其能夠甚至在極低溫度下保持可操作性。許多沉積物位于溫度極低的緯度處，這就要求管路甚至在這種溫度下能夠保持其機(jī)械性能。
鑒于上述概念，并且，由于在更深位置進(jìn)行資源開發(fā)，石油工業(yè)已發(fā)現(xiàn)必須使用能夠獲得比過去使用鋼具有更好性能的鋼合金。
用于提高鋼產(chǎn)品強(qiáng)度(resistance)的常用方法是在產(chǎn)品中添加合金元素如C和Mn，實(shí)施硬化和回火熱處理，以及添加產(chǎn)生析出硬化的元素如Nb和V。但是，這類鋼產(chǎn)品如導(dǎo)管不僅要求高的強(qiáng)度和韌性，而且要求其他性能，如高的耐腐蝕性，以及一旦管路焊接完成金屬基體和熱影響區(qū)具有高的開裂抗力。
眾所周知的事實(shí)是提高鋼的某些性能意味著損害其他性能，因此，必須滿足的挑戰(zhàn)是獲得在各種性能之間實(shí)現(xiàn)可接受的平衡的材料。
管路，例如導(dǎo)管，是輸送液體、氣體或者二者兼而有之的管道。所述管道按照各種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、說明和指令制造而成，在大多數(shù)情況下，上述規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、說明和指令決定著輸送管路的制造。此外，這類管路的特征和不同于大多數(shù)輸送管路之處在于其化學(xué)組成的范圍、受限制的機(jī)械性能(屈服強(qiáng)度、應(yīng)力抗力及其關(guān)系)的范圍、低硬度、高韌性、受內(nèi)徑限制的尺寸公差和嚴(yán)格的檢測標(biāo)準(zhǔn)。
在大尺寸管路用鋼的設(shè)計(jì)和制造中，會存在在較小尺寸管路的制造中未曾出現(xiàn)的問題，例如正確的硬化、在整個厚度范圍具有所述性能的均勻混合和整個管路范圍的均勻厚度以及較小偏心率的獲得。
另一個更為復(fù)雜的問題是制造具有導(dǎo)管所要求的各性能適當(dāng)平衡的大尺寸管路。
目前，為了制造用作導(dǎo)管的管路，我們可以參考MIYATA Yukio及其合作者的專利EP1182268，該專利公開了一種用來制造傳輸管或?qū)Ч艿暮辖痄摗?br> 該專利中，公開了下述各元素的作用C，Mo，Mn，N，Al，Ti，Ni，Si，V，B和Nb。所述專利指出當(dāng)碳含量大于0.06％時(shí)，鋼在回火期間容易萌生裂紋并開裂。
這不一定正確，因?yàn)樯踔猎诖蟪叽绻艿乐校⑶冶３只瘜W(xué)組成中其余部分相同，當(dāng)碳含量最高達(dá)0.13％時(shí)，也未觀察到開裂。
而且，當(dāng)試圖重現(xiàn)MIYATA及其合作者的工作時(shí)，可以得出如下結(jié)論由于C是提高材料淬透性的主要元素，最大含碳量0.06％的材料不能用來制造大尺寸導(dǎo)管，而且，將會證明通過添加其他元素例如鉬和錳獲得所要求的高強(qiáng)度的代價(jià)非常昂貴，因?yàn)殂f在某種程度上也會損害金屬基體以及熱影響區(qū)的韌性，而錳則會促進(jìn)偏析，這一點(diǎn)我們在后面將會更詳細(xì)介紹。如果碳含量很低，則鋼的淬透性會受到明顯影響，結(jié)果，在管材的半值層中將會產(chǎn)生厚的不均勻針狀組織，損害材料的淬透性，并且導(dǎo)致在管材的半值層中強(qiáng)度均勻性不一致。
此外，在MIYATA及其合作者的專利中，表明Mn含量改善基體材料以及焊接熱影響區(qū)中材料的韌性。這一斷言也不正確，因?yàn)镸n是一種提高鋼淬透性的元素，因而促進(jìn)馬氏體的形成，并且提高組元MA的比例，這對韌性有害。Mn促進(jìn)用于制造管材的鋼棒中發(fā)生高度中心偏析，當(dāng)存在P時(shí)甚至更為嚴(yán)重。Mn是偏析指數(shù)第二高的元素，并且促進(jìn)MnS夾雜物的形成，而且，甚至在用Ca處理鋼時(shí)，由于Mn的中心偏析量超過1.35％，無法消除這種夾雜物。
當(dāng)Mn含量大于1.35％時(shí)，觀察到氫致開裂(稱作HIC)的敏感性會受到顯著的不利影響。因此，Mn是對表達(dá)式CE(碳當(dāng)量，表達(dá)式IIW)影響最大的第二種元素，Mn的存在會使最終的CE含量增大。CE含量高意味著從硬度角度考慮會使材料出現(xiàn)焊接問題。另一方面，已知雖然不可能同時(shí)獲得高韌性，但是，添加最高達(dá)0.1％的V能夠使這種大尺寸管材獲得充分的強(qiáng)度。
制造這種管材的一種已知方法是采用皮爾格軋制層壓法。即使采用這種方法確實(shí)能夠獲得大尺寸管材，但是這種管材不具有良好質(zhì)量的表面光潔度。這是因?yàn)椴捎闷柛褴堉茖訅悍庸さ墓懿臅@得波浪狀且不均勻的外表面。這些因素對管材不利，因?yàn)樗鼈兛赡軙档凸懿谋仨殦碛械膲簼⒖沽Α?br> 另一方面，對外表面不光滑的管材進(jìn)行涂覆很復(fù)雜，而且，也使得采用超聲波探測缺陷變得不準(zhǔn)確。
具有懸鏈結(jié)構(gòu)、尺寸大、應(yīng)力抗力和淬透性低，并且應(yīng)滿足對熱影響區(qū)(HAZ)中裂紋韌性和裂紋擴(kuò)展抗力以及這類應(yīng)用所必需的腐蝕抗力的要求的輸送系統(tǒng)，其制造可使用的鋼尚待發(fā)明，由于沒有大尺寸產(chǎn)品的質(zhì)量，簡單的化學(xué)組成和熱處理不能獲得這種產(chǎn)品所必需的性能。
前述分析表明問題還沒有得到完全解決，為了獲得完整的認(rèn)識，必須分析其它參量和可能的解決途徑。
發(fā)明目標(biāo)本發(fā)明的主要目標(biāo)是提供制造無縫鋼管用鋼的化學(xué)組合物，以及制備方法，該方法能夠使產(chǎn)品在室溫和最高達(dá)130℃的溫度下具有高的機(jī)械強(qiáng)度、高的韌性、低的淬透性，在含H2S的介質(zhì)中耐腐蝕，并且韌度高，采用CTOD實(shí)驗(yàn)(裂紋尖端張開位移)評價(jià)，具有抗HAZ中裂紋擴(kuò)展能力。
另一個目標(biāo)是能夠獲得在上述各品質(zhì)間具有可接受平衡并且滿足在高壓，即高于680atm下輸送液體的導(dǎo)管應(yīng)該具有的性能要求的產(chǎn)品。
又一個目標(biāo)是能夠獲得具有良好的耐高溫性能的產(chǎn)品。
第四個目標(biāo)是提供熱處理工藝，采用該工藝處理無縫鋼管，有利于獲得所必需的機(jī)械性能和耐腐蝕性。
當(dāng)研究下面的描述時(shí)，并且，通過本描述中給出的實(shí)施例，本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，所述實(shí)施例具有說明性而非限制性特點(diǎn)。
發(fā)明簡述具體地，本發(fā)明的一個方面在于機(jī)械鋼，它在室溫至130℃的溫度下耐溫性很高，具有良好的韌性和低淬透性，此外，還非常耐腐蝕，而且，當(dāng)管材與另一根管材焊接一起用于制造符合水下管路系統(tǒng)的鋼管時(shí)在HAZ中抗開裂的能力也很強(qiáng)。
本發(fā)明的另一個方面是一種制造這種管材的方法。
關(guān)于所述方法，首先，制造出具有所要求組成的合金鋼。該鋼應(yīng)該含有如下元素(以重量百分?jǐn)?shù)計(jì))C0.06-0.13，Mn1.00-1.30，Si最多0.35，P最多0.015，S最多0.003，Mo0.10-0.20，Cr0.10-0.30，V0.050-0.10，Nb0.020-0.035，Ni0.30-0.45，Al0.015-0.040，Ti最多0.020，Cu最多0.2，以及N最多0.010。
為了確保材料具有令人滿意的淬透性和良好的焊接性，上述各元素應(yīng)該滿足如下關(guān)系0.5＜(Mo+Cr+Ni)＜1(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.14將所獲得的鋼凝固成鋼坯或鋼棒，然后，穿孔并層壓成管狀。然后，將母管材調(diào)整至最終尺寸。
為了完全滿足本發(fā)明的計(jì)劃目標(biāo)，除了已限定的化學(xué)目標(biāo)之外，已確定應(yīng)使管壁的尺寸≥30mm。
接下來，對鋼管進(jìn)行熱硬化和回火處理，使其具有一種顯微組織和最終性能。
附圖簡述

圖1示出了本發(fā)明人設(shè)計(jì)的用于制造管路的幾種不同鋼的屈服強(qiáng)度測量值(Ksi)和轉(zhuǎn)變溫度(FATT)測量值(℃)。表1示出了“基礎(chǔ)鋼”合金“A”、“B”、“C”、“D”、“E”和“F”的化學(xué)組成。
圖2示出了不同奧氏體化和回火溫度以及是否添加Ti對不同合金的屈服強(qiáng)度測量值(Ksi)和轉(zhuǎn)變溫度(FATT)測量值(℃)的影響。表2示出了所分析的不同合金的化學(xué)組成。
圖3是一個參照，以便更好地理解圖2，其中，可以看到添加或未添加Ti的每種鋼所采用的不同奧氏體化(Aust)和回火(Temp)溫度。
結(jié)果，如圖2所示編號為1的鋼含有0.001％Ti，在溫度為920℃奧氏體化，630℃回火。該鋼含有化學(xué)組成A，如表2所示。
鋼17(具有化學(xué)組成E)含有更多的Ti(0.015％)，并且熱處理?xiàng)l件與前述鋼相同。
也采用其它奧氏體化和回火溫度依次對合金A，B，C，D，E，F(xiàn)和G進(jìn)行了處理，如圖3所示。
發(fā)明詳述本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)將各元素，例如其中的Nb-V-Mo-Ni-Cr按預(yù)定量組合，能夠使金屬基體獲得優(yōu)異的應(yīng)力抗力、韌性、淬透性、高CTOD值和良好的氫致開裂(HIC)抗力的組合，而且，還能夠使焊接接頭的熱影響區(qū)(HAZ)獲得高的CTOD值。
進(jìn)而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種化學(xué)組成能夠消除在制造具有上述特性的大尺寸管路時(shí)出現(xiàn)的問題。
實(shí)施了不同的實(shí)驗(yàn)，以便發(fā)現(xiàn)能夠滿足上述要求的最佳化學(xué)組成。上述實(shí)驗(yàn)之一包括制造具有不同合金添加元素的大尺寸試樣，然后，測量每個試樣的屈服強(qiáng)度/極限抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。
由圖1可以看到這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。采用化學(xué)組成如表1所示、名稱為“基礎(chǔ)鋼”的“基礎(chǔ)”合金作為起始點(diǎn)。已證實(shí)通過在合金(鋼A)中添加Mo和Ni，能夠改善前述性能。
下一個步驟是將碳含量降低至0.061％(鋼B)，發(fā)現(xiàn)對所評價(jià)的兩個性能指標(biāo)均有害。我們再次從鋼A開始，將V從組成中去除(鋼C)。在這種情況下，轉(zhuǎn)變溫度稍有改善，但是，材料的極限抗拉強(qiáng)度未達(dá)到最低要求。
下面一個步驟是測試添加元素Cr。將Cr添加至鋼A(得到鋼D)以及鋼C(得到鋼E)中。兩種鋼的應(yīng)力抗力和轉(zhuǎn)變溫度均得到改善，而鋼D能夠更好地滿足所要求的標(biāo)準(zhǔn)。
因此，結(jié)論是采用合金D的化學(xué)組成，能夠獲得抗力/轉(zhuǎn)變溫度的最佳組合。
本發(fā)明人接連進(jìn)行了其他系列實(shí)驗(yàn)，以測試可能影響管道用材料性能的三個重要因素合金中的Ti含量、奧氏體晶粒尺寸的作用以及在鋼的熱處理期間的回火溫度。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)將奧氏體晶粒尺寸從12微米增大至20微米，能夠提高鋼的抗力，但是同時(shí)會損害轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)已發(fā)現(xiàn)合金中添加Ti對轉(zhuǎn)變溫度有不利影響。
另一方面，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金中不含Ti時(shí)，將鋼的回火溫度改變約30℃，對材料的機(jī)械性能影響不大。但是，在含Ti最高達(dá)0.015％的合金中，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)回火溫度從630℃提高至660℃時(shí)，抗力下降。
在圖2中可以看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用化學(xué)組成如表2所示、分別用字母A，B，C和D表示的不含Ti鋼制備出四種不同鑄件。然后，采用化學(xué)組成與前述相似但是添加Ti的鋼制備出另外三個鑄件。這些鑄件的化學(xué)組成在表2中用字母E，F(xiàn)和G表示。
已發(fā)現(xiàn)在不考慮所采用的奧氏體化溫度和回火溫度的情況下，在鋼A，B，C和D中添加Ti對轉(zhuǎn)變溫度有不利影響，如含Ti的鋼E，F(xiàn)和G的性能所示。在同一圖中，可以看到未添加Ti的鋼的轉(zhuǎn)變溫度比已添加Ti的鋼低。
下面是已發(fā)現(xiàn)最佳并且在本發(fā)明中使用的化學(xué)組成的范圍。
C 0.06-0.13碳是最經(jīng)濟(jì)的元素，而且，對鋼的機(jī)械抗力的影響最大，因此，其百分含量不能太低。為了使屈服強(qiáng)度≥65Ksi，對于大尺寸管道，含碳量必須高于0.6％。
此外，C是提高材料淬透性的主要元素。如果其百分?jǐn)?shù)太低，則鋼的淬透性會受到顯著影響，結(jié)果，在管材的半值層中形成粗大針狀組織的傾向?qū)⒊蔀槠湟粋€特征。這一現(xiàn)象會導(dǎo)致材料的抗力比要求值低，而且還會損害韌性。
碳含量不應(yīng)高于0.13％，以避免生產(chǎn)率過高和兩個管材接頭焊縫處熱硬化過低，并且避免金屬基體中CTOD(根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)E 1290實(shí)施)的實(shí)驗(yàn)值在不高于-40℃下超過0.8mm，以及避免在不高于0℃下HAZ中CTOD的實(shí)驗(yàn)值超過0.5mm。因此，碳含量應(yīng)為0.06-0.13％。
Mn 1.00-1.30Mn是一種提高鋼淬透性的元素，因而促進(jìn)馬氏體的形成，并且提高組分MA的比例，這對韌性有害。Mn促進(jìn)在用于層壓制造管材的鋼棒中發(fā)生高度中心偏析。此外，Mn是偏析指數(shù)第二高的元素，促進(jìn)MnS夾雜物的形成，而且，甚至在用Ca處理鋼時(shí)，由于Mn超過1.35％產(chǎn)生的中心偏析問題，無法消除這種夾雜物。
另一方面，當(dāng)Mn含量大于1.35％時(shí)，觀察到由于形成前述的MnS，氫致開裂(HIC)的敏感性會受到顯著的不利影響。Mn是影響表達(dá)式CE(碳當(dāng)量，表達(dá)式IIW)第二大元素，Mn的存在會使最終的CE含量增大。
必須保證最低錳含量為1.00％，而且，與前述范圍的碳組合，將確保材料所必需的淬透性，以便滿足抗力的要求。
因此，Mn的優(yōu)選含量應(yīng)該為1.00-1.35％，更具體地，應(yīng)該為1.05-1.30％。
Si最多0.35硅是煉鋼過程必需的脫氧劑，而且，也是材料獲得更好應(yīng)力抗力的必需元素。該元素，同錳一樣，促進(jìn)P在晶界偏聚，因此，證明有害，其含量應(yīng)該保持盡可能最低，優(yōu)選低于0.35％(重量)。
P最多0.015磷是金屬料中不可避免的元素，其含量高于0.015％時(shí)，會在晶界偏析，這會降低HIC抗力。其含量必須保持低于0.015％，以便避免出現(xiàn)韌性和氫致開裂問題。
S最多0.003硫含量高于0.003％時(shí)，會同高濃度Mn一起，促進(jìn)細(xì)長的MnS夾雜物形成。這類硫化物在存在H2S時(shí)對材料的耐腐蝕性有害。
Mo 0.1-0.2鉬能夠提高回火溫度，并且還會防止脆化元素在奧氏體晶界偏析。
該元素也是改善材料回火性能的必需元素。已發(fā)現(xiàn)最佳的最低含量應(yīng)該是0.1％。已確定最多0.2％作為上限，因?yàn)楦哂诖撕?，會看到管體以及焊縫熱影響區(qū)的韌性下降。
Cr 0.10-0.30鉻能夠產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，并且提高材料的淬透性，從而提高材料的應(yīng)力抗力。Cr也是一種在化學(xué)配料中存在的元素。這就是其必須具有0.10％最低含量的原因。但是，同樣地，過量會帶來損害問題。因此，推薦保持其最大量為0.30％。
V 0.050-0.10該元素在固溶體中作為碳化物析出，結(jié)果提高材料的應(yīng)力抗力，因此，最低含量應(yīng)該為0.050％。如果該元素的量超過0.10％(即使超過0.08％)，由于在鑄模中存在過量的碳化物或碳氮化物，焊接拉伸強(qiáng)度可能受到影響。因此，其含量應(yīng)該為0.050-0.10％。
Nb 0.020-0.035該元素同V一樣，在固溶體中以碳化物或碳氮化物形式析出，結(jié)果提高材料的抗力。此外，這些碳化物或氮化物能夠抑制晶粒的過度長大。但是，該元素過多沒有什么好處，而且，實(shí)際上可能會導(dǎo)致對韌性有害的化合物的析出。這就是為什么Nb應(yīng)該為0.020-0.035的原因。
Ni 0.30-0.45鎳是一種提高基體材料和焊縫韌性的元素，但是過多添加會使這一效應(yīng)達(dá)到飽和。因此，對于大尺寸管材，該元素的優(yōu)選含量為0.30-0.45％。已發(fā)現(xiàn)Ni的最佳含量為0.40％。
Cu最多0.2為了使材料獲得良好的焊接性和避免出現(xiàn)可能對焊接接頭質(zhì)量有害的缺陷，應(yīng)保持Cu含量低于0.2％。
Al 0.015-0.040同Si一樣，鋁作為煉鋼過程中的脫氧劑。該元素也細(xì)化材料的晶粒，從而能夠獲得更高的韌性。另一方面，Al含量高會產(chǎn)生氧化鋁夾雜，從而降低材料的韌性。因此，應(yīng)該將鋁含量限制為0.015-0.040％。
Ti最多0.020Ti是一種用來脫氧和細(xì)化晶粒的元素。含量高于0.020％，并且存在元素如N和C時(shí)，可以形成對轉(zhuǎn)變溫度有害的Ti的碳氮化物或氮化物。
如圖2所示，已證實(shí)為了避免管材的轉(zhuǎn)變溫度明顯下降，Ti含量應(yīng)該不高于0.02％。
N最多0.010N含量應(yīng)該保持低于100ppm，以便使所獲鋼中析出相的數(shù)量不會降低材料的韌性。
添加元素例如Mo，Ni和Cr能夠在回火之后形成下貝氏體顯微組織，角形鐵素體和少量高碳馬氏體區(qū)，殘余奧氏體(MA組元)分散在基體中。
為了確保材料具有適當(dāng)?shù)拇阃感院土己玫暮附有?，下述元素?yīng)該滿足此處關(guān)系
0.5＜(Mo+Cr+Ni)＜1(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/5≤0.14.
已發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的奧氏體晶粒尺寸為9-10級(根據(jù)ASTM)。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)所述的化學(xué)組成能夠獲得充分平衡的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，這能夠使管道滿足各種功能要求。
由于鋼中某些性能的改善意味著對其他性能的損害，因此，有必要設(shè)計(jì)能夠同時(shí)具有高應(yīng)力抗力、良好韌性、高CTOD值，金屬基體的耐腐蝕性高以及熱影響區(qū)(HAZ)的裂紋擴(kuò)展抗力高的材料。
優(yōu)選地，含有所述詳細(xì)化學(xué)組成的大尺寸無縫鋼管應(yīng)該具有如下性能平衡室溫屈服強(qiáng)度(YS)≥65Ksi130℃下屈服強(qiáng)度(YS)≥65Ksi室溫極限抗拉強(qiáng)度(UTS)≥77Ksi130℃下極限抗拉強(qiáng)度(UTS)≥77Ksi2”的延伸率≥20％(最小值)關(guān)系式Y(jié)S/UTS≤0.89(最小值)-10℃下測得的能量吸收值≥100焦耳(最小值)剪切面積(-10℃)＝100％硬度≤240HV10(最大值)金屬基體的CTOD(試驗(yàn)溫度不高于-40℃)≥0.8mm(最小值)熱影響區(qū)(HAZ)的CTOD(試驗(yàn)溫度0℃)≥0.50mm腐蝕實(shí)驗(yàn)HIC，根據(jù)NACE TM0284采用溶液A進(jìn)行CTR1.5％(最大值)；CLR5.0％(最大值)本發(fā)明的另一個方面在于適合用于具有上述化學(xué)組成的大尺寸管材的熱處理工藝，以便獲得所要求的機(jī)械性能和耐腐蝕性。
與上述化學(xué)組成一起，本發(fā)明人同時(shí)也發(fā)展了制造方法，特別是熱處理參量，目的是獲得合適的機(jī)械性能和耐腐蝕性之間的關(guān)系，同時(shí)使材料在130℃下獲得高機(jī)械抗力。
制造所述產(chǎn)品的方法在于下面的步驟首先，制造出具有指定化學(xué)組成的合金鋼。這種鋼，如前所述，應(yīng)該含有如下元素(以重量百分?jǐn)?shù)計(jì))C0.06-0.13，Mn1.00-1.30，Si最多0.35，P最多0.015，S最多0.003，Mo0.10-0.20，Cr0.10-0.30，V0.050-0.10，Nb0.020-0.035，Ni0.30-0.45，Al0.015-0.040，Ti最多0.020，Cu最多0.2，以及N最多0.010。
此外，這些元素的量應(yīng)該滿足如下關(guān)系0.5＜(Mo+Cr+Ni)＜1；(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.14.
通過弧形或立式(curved or vertical)連鑄將所述鋼澆鑄成固態(tài)棒材。然后，對棒材進(jìn)行穿孔并隨后層壓，最后獲得最終尺寸的產(chǎn)品。
為了獲得良好的偏心率，管材外壁表面具有令人滿意的質(zhì)量以及良好的尺寸公差，優(yōu)選采用靜止心軸(still mandrel)實(shí)施層壓過程。
一旦制成管材，則對其進(jìn)行熱處理。在熱處理期間，首先在奧氏體化爐中將管材加熱至Ac3溫度以上。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)對于上述化學(xué)組成，奧氏體化溫度應(yīng)為900-930℃。已表明這一溫度范圍充分高，足于使碳化物在基體中適當(dāng)溶解，同時(shí)又不太高，能夠抑止晶粒過分長大，這種長大將對管材的轉(zhuǎn)變溫度有害。
另一方面，奧氏體化溫度高于930℃時(shí)，會引起能有效抑止晶粒尺寸過度長大的Nb(C，N)析出相部分溶解，而這種部分溶解對管材的轉(zhuǎn)變溫度有害。
一旦管材離開奧氏體化爐，馬上在回火介質(zhì)為水的箱體中進(jìn)行外-內(nèi)回火。實(shí)施回火的箱體應(yīng)該能夠當(dāng)管材浸泡在水中時(shí)使管材旋轉(zhuǎn)，以便優(yōu)先在整個管體范圍獲得均勻組織。同時(shí)，管材相對于噴水嘴自動排列也能夠更好的實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的目標(biāo)。
下一個步驟是管材的回火處理，一種確保最終顯微組織的工藝。所述顯微組織將使產(chǎn)品具有其機(jī)械和腐蝕性能。
已發(fā)現(xiàn)這種熱處理同上述的化學(xué)組成一起，將形成低碳的細(xì)化貝氏體基體，和良好分散的MA組元(如果仍存在)的小區(qū)域，這有利于獲得管路鋼所要求的性能。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，相反，存在大量MA組元以及基體和晶界存在析出相均對轉(zhuǎn)變溫度有害。
回火溫度高能夠有效提高材料的韌性，因?yàn)樗梢葬尫糯罅康臍堄鄳?yīng)力并且使部分組元溶入固溶體中。
因此，為了使該材料在回火之后具有所要求的屈服強(qiáng)度，有必要保持低比例的多角形鐵素體，優(yōu)選低于30％，并且主要促進(jìn)下貝氏體形成。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)和在鋼各種性能之間達(dá)到必需的平衡，回火溫度應(yīng)該為630-690℃。
已知根據(jù)鋼具有的化學(xué)組成，可以確定熱處理參量，主要是奧氏體化溫度和回火溫度。結(jié)果，根據(jù)鋼的化學(xué)組成，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了一種能夠確定最佳的回火溫度的關(guān)系。該溫度根據(jù)如下關(guān)系式確定T回火(℃)＝[-273+1000/(1.17-0.2C-0.3Mo-0.4V)]+/-5下面介紹實(shí)施本發(fā)明的最佳方法。
根據(jù)前述的概念制備出金屬料，并且在電弧爐中進(jìn)行澆注。在金屬料的熔煉階段，在不高于1550℃下，對鋼進(jìn)行脫磷處理，然后，去除氧化皮，并且形成新的氧化皮，以使硫含量有所降低。最后，將碳脫至要求水平，將鋼液澆注到熔壺中。
在澆注期間，添加鋁以便對鋼進(jìn)行脫氧，并且，還要添加估計(jì)量的鐵合金，直至其達(dá)到最后組成的80％。接下來進(jìn)行脫硫處理、調(diào)整鑄件組成和溫度，并且將鋼送至真空脫氣站，減少氣體(H，N，O和S)的含量。最后的處理是添加CaSi，以使夾雜物漂浮。
一旦澆注材料的組成和溫度達(dá)到要求，則將其送至連鑄機(jī)或鑄錠機(jī)，將鋼液轉(zhuǎn)變成具有要求直徑的固態(tài)棒材。該過程完成時(shí)獲得的產(chǎn)品是具有上述化學(xué)組成的鑄錠、棒材或鋼坯(blossoms)。
下一個步驟是將鋼坯重新加熱至實(shí)施穿孔和隨后層壓所必需的溫度。然后，將獲得的母管調(diào)整至最終的要求尺寸。
接下來，根據(jù)前面詳細(xì)介紹的參量，對鋼管進(jìn)行硬化和回火熱處理。
實(shí)施例下面是表格形式的本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例。
表3示出了不同的化學(xué)組成，基于這些組成開展了用于驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)。表4給出了這種組成和指定的熱處理對產(chǎn)品機(jī)械和抗腐蝕性能的影響。例如，用編號1表示的管材具有表3所示的化學(xué)組成，即C 0.09，Mn 1.16，Si 0.28，P 0.01，S 0.0012，Mo 0.133，Cr 0.20，V 0.061，Nb 0.025，Ni 0.35，Al 0.021，Ti 0.013，N 0.0051，Mo+Cr+Ni＝0.68，(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.10。
在給定時(shí)刻，按照表4中“T奧氏體化”和“T回火”二欄中所示，對同樣材料進(jìn)行熱處理，即奧氏體化溫度T奧氏體化＝900℃，回火溫度T回火＝650℃。
在表4相應(yīng)各欄中給出了同樣鋼編號的管材具有的性能，即厚度35mm，屈服強(qiáng)度(YS)75Ksi，極限抗拉強(qiáng)度(UTS)89Ksi，屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度之比(YS/UTS)0.84，130℃下屈服強(qiáng)度測量值69Ksi，130℃下極限抗拉強(qiáng)度測量值82Ksi，130℃下測得的屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度之比0.84，采用CTOD實(shí)驗(yàn)在-10℃下測得的開裂抗力1.37mm，采用Charpy實(shí)驗(yàn)在-10℃下測得的吸收能量440焦耳，韌/脆面積之比100％，硬度215HV10，而且，根據(jù)NACE TM0284，采用規(guī)范NACE TM0177中的溶液A進(jìn)行HIC實(shí)驗(yàn)測得的耐腐蝕性對于CTR最大值1.5％；對于CLR最大值5.0％。
表1圖1所示鋼的化學(xué)組成
表2圖2所示鋼的化學(xué)組成
表3本發(fā)明的化學(xué)組成實(shí)例
表4本發(fā)明的性能平衡實(shí)例
(*)根據(jù)如下公式確定T回火(℃)＝[-273+1000/(1.17-0.2C-0.3Mo-0.4V)]+/-5
已對本發(fā)明進(jìn)行了充分介紹，這樣，具有本專業(yè)知識的任何人都能夠重復(fù)和獲得我們在本發(fā)明中提及的結(jié)果。但是，本發(fā)明領(lǐng)域的任何專業(yè)人員都能夠進(jìn)行本申請中未提及的改變，但將這些改變用于確定的材料或者所述及的制造方法，要求在附后的權(quán)利要求中主張的主題，所述材料和所述方法應(yīng)理解為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械抗力高、韌性好、金屬基體和熱影響區(qū)(HAZ)的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征在于制造所述鋼管的材料主要含有Fe和下述化學(xué)組成，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)C 0.06-0.13Mn 1.00-1.30Si最多0.35P最多0.015S最多0.003Mo 0.10-0.20Cr 0.10-0.30V 0.050-0.10Nb 0.020-0.035Ni 0.30-0.45Al 0.015-0.040Ti最多0.020N最多0.010Cu最多0.2而且，化學(xué)組成中各合金元素間還滿足如下關(guān)系0.5＜(Mo+Cr+Ni)＜1；(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.14
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械抗力高、硬度高、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征還在于鈦含量不高于0.002重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征還在于在-40℃下采用CTOD實(shí)驗(yàn)測得的金屬基體開裂抗力≥0.8mm，在0℃下采用CTOD實(shí)驗(yàn)測得的熱影響區(qū)開裂抗力≥0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征在于根據(jù)NACE TM0284，采用溶液A進(jìn)行HIC實(shí)驗(yàn)測得的耐腐蝕性對于CTR最大值1.5％；對于CLR最大值5.0％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征在于大尺寸壁厚≥30mm。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征在于大尺寸壁厚≥40mm。
7.根據(jù)任意前述權(quán)利要求1-6的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管，其特征在于其擁有如下性能YS室溫≥65KsiYS130℃≥65KsiUTS室溫≥77KsiUTS130℃≥77Ksi在不高于-10℃下評價(jià)的吸收能量≥焦耳硬度≤240HV10(最大值)
8.根據(jù)任意前述權(quán)利要求1-7的機(jī)械抗力高、硬化性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力佳以及耐腐蝕性優(yōu)的無縫鋼管，其特征在于其擁有如下性能YS室溫≥65KsiYS130℃≥65KsiUTS室溫≥77KsiUTS130℃≥77KsiYS/UTS≤0.89延伸率≥20％在不高于-20℃下評價(jià)的吸收能量≥380焦耳-10℃下的剪切面積＝100％硬度≤220HV10。
9.一種制造機(jī)械抗力高、韌性好、金屬基體和HAZ的開裂抗力優(yōu)異以及耐腐蝕性優(yōu)良的無縫鋼管的方法包括步驟1.煉制鋼；2.獲得固態(tài)的柱狀工件；3.對所述工件穿孔；4.層壓所述鋼工件；5.對所層壓的管材進(jìn)行熱處理，所述方法的特征在于在煉制期間添加一定量的元素并且去除其他元素，以使最終的組成中，除了鐵和不可避免的雜質(zhì)之外，還含有如下元素，以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)C 0.06-0.13Mn 1.00-1.30Si最多0.35P最多0.015S最多0.003Mo 0.10-0.20Cr 0.10-0.30V 0.050-0.10Nb 0.020-0.035Ni 0.30-0.45Al 0.015-0.040Ti最多0.020N最多0.010Cu最多0.2而且，化學(xué)組成中各合金元素間還滿足如下關(guān)系。0.5≤(Mo+Cr+Ni)＜1；(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.14
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的無縫鋼管的制備方法，其特征在于所述熱處理包括在900-930℃溫度下奧氏體化，之后，在水中進(jìn)行內(nèi)-外硬化，然后，在630-690℃溫度下進(jìn)行回火熱處理，其中，回火溫度由下述方程確定T回火(℃)＝[-273+1000/(1.17-0.2C-0.3Mo-0.4V)]+/-5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在室溫和高達(dá)130℃溫度下具有高機(jī)械強(qiáng)度、高韌性，金屬基體耐腐蝕并且當(dāng)焊接成管道時(shí)抗熱影響區(qū)(HAZ)開裂的鋼。更具體地，本發(fā)明涉及具有厚壁并且機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好和耐腐蝕的無縫鋼管，這類鋼管即所謂具有懸鏈構(gòu)造的導(dǎo)管。本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)有優(yōu)勢，原因在于它提供一種用于制造具有高機(jī)械抗力、良好韌性、良好HAZ斷裂韌性和良好耐腐蝕性的厚無縫鋼管的鋼的化學(xué)組成，而且還在于提供一種可以用于制備所述鋼管的方法。上述優(yōu)勢的基礎(chǔ)在于使用一種主要包含F(xiàn)e和特定化學(xué)組成的組成物。
文檔編號C21D1/18GK1788103SQ03826686
公開日2006年6月14日 申請日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者M·M·提維里, A·伊茲奎爾多加西亞, D·科爾勒羅里, G·庫米諾 申請人:墨西哥鋼管股份有限公司, 達(dá)爾米內(nèi)公司