一种低温韧性优异的厚规格X80管件钢管及其制备方法与流程

本发明属于低合金高强度管件钢管制造的技术领域，具体的涉及一种低温韧性优异的厚规格X80管件钢管及其制备方法。

背景技术：

随着石油管道行业的陆续开工，特别是中俄东线的开工，管线需要经过高寒地区、永久冻土等一系列地质恶劣的地区，在这些地区铺设管道时，需要部分耐低温的厚规格管件钢管。管道所需部分管件需要裸露在的气温-45℃温度下，管件厚度达到50mm以上，这类管件钢在钢板卷管时由于合金含量高，容易加工硬化，在保证热处理后钢管的强度的基础上很难再兼顾低温韧性。因此，迫切需要对在极寒环境下韧性优异的厚规格管件钢管进行研究和生产，满足管件市场的需求。

为满足厚规格X80管件钢管低温韧性指标的要求，必须以其高性能为目标，从成分设计、卷管、焊接和热处理工艺之初就详细周密制定，采用这些技术能够提供安全可靠的系统，同时稳定生产及安全的工程应用。本发明针对生产高低温韧性优异的厚规格X80管件钢管的诸多难题，结合现场的生产实践和工艺装备，采用低碳多元微合金独特成分设计，合理控制Ti/Al比和Al/N比，精准控制卷管、焊接和热处理工艺来保证厚规格X80管件钢在热处理后具有优异的低温韧性性能，解决了厚规格X80级别管件钢卷管工艺窗口窄，性能不稳定特别是热处理后韧性差的难题。实现了厚规格X80管件钢的高效、稳定、批量化生产。为推进厚规格管件钢的大规模工业化生产起到了积极重要的作用。

现有技术中均没有考虑到Ti/Al比和Al/N比对管件钢低温韧性的影响，亦没有从系统考虑成分设计、成型工艺参数、预焊、内外焊工艺、扩径工艺和热处理关键工艺对管件钢低温韧性的影响，只是涉及部分工艺参数，没有从整体上考虑各工艺的衔接和协调，很难稳定的保证管件钢板的低温韧性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种低温韧性优异的厚规格X80管件钢管及其制备方法，在提高现场生产效率和保证钢板稳定生产前提下，生产出具有低温韧性性能优异的X80管件钢管。借助低碳多元微合金成分设计，综合利用精准的卷管、焊接及热处理工艺生产出具有优异低温韧性性能的厚规格X80管件钢管。

本发明的技术方案为：一种低温韧性优异的厚规格X80管件钢管，化学组成按照重量百分比如下：C：0.04-0.07%，Si：0.20-0.30%，Mn：1.70-1.90%，P≤0.01%，S≤0.005%，Nb：0.035-0.070%，Mo:0.20-0.25%，Cu:0.10-0.20%，Cr:0.15-0.25%，Ni:0.15-0.30%，Ti：0.03-0.04%，Al：0.01-0.02%，N≤0.005%，2≤Ti/Al≤3，2≤Al/N≤5，V:0.02-0.04%，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.22%，

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.41%-0.53%；余量为Fe及其不可避免的杂质。

所述低温韧性优异的厚规格X80管件钢管制备方法，包括以下步骤：（1）原料钢板入库及检验；（2）钢板上料；（3）钢板超声波探伤；（4）铣边；（5）预弯；（6）钢板成型；（7）预焊；（8）预焊后检查、修补；（9）内焊；（10）1#超声波探伤及外观检查；（11）1#X射线探伤及内焊缝检查；（12）外焊；（13）机械扩径；（14）水压试验；（15）管端倒棱；（16）2#超声波探伤及外观检查；（17）管端磁粉探伤；（18）2#X射线探伤；（19）弯制成型；（20）热处理。

所述步骤（4）铣边中钢板两边铣边均为20mm，钢板采用JCOE成型工艺，先把钢板压成“J”形，再将钢板的另一半压成“C”形，最后形成开口的“O”形，冲压道次共计21道次或者23道次，其中压制“J”形道次4-5道，“C”形道次13-15道，压制“O”形道次3-5道次，每道次压制完成后间歇5-6秒进行下一道次变形，道次压下量采用递增方式进行直至理想屈率，总压下量为580±3mm。

所述步骤（7）预焊中采用CO2气体保护焊，气体焊丝为直径3.2mm的CHW-60C焊丝，焊接前进行预热，预热温度15℃-20℃，气体混合比为CO₂/Ar=18%/82%,流量为45-55L/min，焊接线能量为6-7KJ/CM，焊速2-3m/min，采用直流反接电流1050-1250A，电压20-26V。

所述步骤（9）内焊中第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1050-1250A，电压U=20-26V；第二丝电流I=785-920A，电压U=35-40V ；第三丝电流I=685-820A，电压U=35-40V；第四丝电流I=580～700A，电压U=35-40V；焊丝间距d=18±2mm，焊接速度V=1.0-1.20m/min，焊接线能量为55-70KJ/CM。

所述步骤（12）外焊中第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1050-1250A，电压U=20-26V；第二丝电流I=720-880A，电压U=35-40V ；第三丝电流I=675-820A，电压U=35-40V；第四丝电流I=630～750A，电压U=35-40V；焊丝间距d=18±2mm，焊接速度V=1.00-1.20m/min。

所述步骤（13）机械扩径中机械扩径率为0.50-0.55%。

所述步骤（20）热处理中采用整体淬火+低温保温+回火热处理工艺，淬火温度880℃-930℃，淬火保温时间按照3.0min/mm，淬火介质为质量分数15%NaCl的盐水，低温保温温度为150-180℃，保温介质为硅油，保温时间为20-30min，回火温度650±50℃，回火时间为4.2min/mm，回火后随炉冷却至室温。

本发明的有益效果为：本发明所述低温韧性优异的厚规格X80管件钢管其成分设计中各个元素的作用如下：

C：碳是提高强度最主要也是最廉价的元素，随着碳含量的增加，钢的强度增加，但同时钢板的焊接性能及塑韧性变差，因此本发明选用低碳成分设计，使得钢板具有良好的塑韧性和优良的焊接性能。

Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，它是弱碳化物形成元素，它在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响，还可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益。同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。在低碳条件下它对贝氏体转变有显著的促进作用。但Mn含量过高时，则钢硬化而延展性变坏。Mn因其效果明显，成本低廉在高性能钢板生产中成为主要的添加元素之一。

Si：硅起到脱氧剂的作用，同时有固溶强化作用，还可以极大的延缓碳化物的形成，滞后渗碳体的长大，增加了奥氏体稳定性。但是Si含量高，钢种易出现夹杂物，钢材易生锈，热轧生产中铁锈容易被轧入钢板表层，热镀锌性能差，同时Si都显示出对多线程焊接时局部脆性区域有危害性。

Cu：铜元素的析出强化是提高钢的强度的重要手段，此外，Cu对钢的耐蚀性、改善焊接性、低温韧性、成型性与机加工性能等都非常有益。但是另一方面，Cu含量高时连铸钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须根据强度级别和钢板厚度的不同添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。

Ni：镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高。但它是较贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在钢中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。根据Cu的含量，将Ni含量控制在Cu含量的0.7-1倍。

Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素。另外Ti有强烈的析出强化作用，可以提高钢的强度，对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用在最佳状态下，Ti的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。Ti低于0.005%时，固N效果差，超过0.03%时，固N效果达到饱和，过剩的Ti可以单独或与Nb一起形成碳氮化物，强化钢材，但有时会形成大块的析出相，将会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。但是，过多的Ti含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利。因此，一般将Ti成分控制在0.02%左右。

Cr：铬的添加可以降低钢种的相变点，细化组织，有效的提高强度，还可以提高钢种抗氧化性及高温耐腐蚀性能等，但是Cr过多则析出粗大，导致钢的脆化，对焊接性能不好，因此Cr含量设计为≤0.30％。

Ti/Al比：钢中添加Ti主要利用钢液在凝固过程中形成细小弥散分布的TI系氧化物，这些氧化物可在奥氏体晶粒内部诱发针状铁素体的形成（晶内铁素体），从而起到细化晶粒的作用，适当增加Ti含量降低Al含量可以避免形成Al₂O₃促进形成细小的Ti₂O₃，但过低的Ti/Al比不足以形成足量细小弥散的Ti₂O₃，过高的Ti/Al比容易形成粗大的一次夹杂物反而对钢的性能不利，因此，本发明将设计为2≤Ti/Al≤3。

Al/N比：Al/N比对管件钢的性能有重要影响，合适的Al/N比可以细化晶粒和改善钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度，必须控制好Al/N比及其含量，本发明将Al/N比控制在2≤Al/N≤5之间。

本发明所生产的管线钢管-45℃母材冲击≥350J，剪切面积均为100%，焊缝冲击≥250J，剪切面积均为100%；热影响区冲击为≥290J，剪切面积为≥85%。厚规格X80管件钢低温韧性性能优异。

本发明所述制造方法是在上述低碳复合微合金化成分设计的基础上，合理控制Ti/Al比和Al/N比，精准控制卷管、焊接和热处理工艺来保证厚规格X80管件钢在热处理后具有优异的低温韧性性能，解决厚规格X80级别管件钢卷管工艺窗口窄，性能不稳定特别是热处理后韧性差的难题。实现厚规格X80管件钢的高效、稳定、批量化生产。

采用低碳多元微合金独特成分设计，合理控制Ti/Al比和Al/N比，精准控制卷管、焊接和热处理工艺来保证厚规格X80管件钢在热处理后具有优异的低温韧性性能，解决了厚规格X80级别管件钢卷管工艺窗口窄，性能不稳定特别是热处理后韧性差的难题。实现了厚规格X80管件钢的高效、稳定、批量化生产。为推进厚规格管件钢的大规模工业化生产起到了积极重要的作用。该低温韧性优异的厚规格X80管件钢管及制造方法，包含与上述化学成分相应的纯净钢冶炼、递增式JCOE成型工艺，CO2气体保护预焊工艺，内外焊和扩径系统控制工艺技术，以及和钢管整体“淬火+低温保温+回火热处理工艺”等工艺。

本发明原始连铸坯厚度为250mm。

综上所述，本发明采用低碳多元微合金独特成分设计，严格控制Ti/Al比和Al/N比在一定范围内，特别是利用Ti和Al脱氧和晶粒细化，发挥各元素特性和相互之间的协同作用，巧妙利用递增式JCOE成型工艺，借助CO2气体保护预焊，精准控制内外焊和扩孔关键工艺参数，独创性发明钢管整体“淬火+低温保温+回火热处理工艺”，实现厚规格管件钢的低温韧性性能，兼顾卷管工艺的可行性和安全性，更适宜大规模工业化生产。

附图说明

图1 为本发明中母材组织的金相图。

图2为本发明中焊缝组织的金相图。

图3为本发明中热影响区组织的金相图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

所述低温韧性优异的厚规格X80管件钢管是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.04%，Si：0.20%，Mn：1.70%，P=0.005%，S=0.001%，Nb：0.035%，Mo:0.20%，Cu:0.10%，Cr:0.15%，Ni:0.15%，Ti：0.03%，Al：0.01%，N=0.002%， Ti/Al=3， Al/N=5，V:0.02%,Pcm=0.16%,Ceq =0.41%。

余量为Fe和不可避免的杂质。

所述制备方法如下：

1）钢板铣边、成型工序：钢板两边铣边均为20mm，钢板采用JCOE成型工艺，先把钢板压成“J”形，再将钢板的另一半压成“C”形，最后形成开口的“O”形，冲压道次共计21道次，其中压制“J”形道次4道，“C”形道次13道，压制“O”形道次4道次，每道次压制完成后间歇5秒进行下一道次变形，道次压下量采用递增方式进行直至理想屈率，总压下量为577mm。

2）钢管预焊工序：采用CO2气体保护焊，气体焊丝为直径3.2mm的CHW-60C焊丝，焊接前进行预热，预热温度15℃，气体混合比为CO2/Ar=18%/82%,流量为45L/min，焊接线能量为6KJ/CM，焊速2m/min，采用直流反接电流1050A，电压20V。

3）钢管内焊工序：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1050A，电压U=2V；第二丝电流I=785A，电压U=35V ；第三丝电流I=685A，电压U=35V；第四丝电流I=580A，电压U=35V；焊丝间距d=16mm，焊接速度V=1.0m/min，焊接线能量为55KJ/CM。

4）钢管外焊工序：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1050A，电压U=20V；第二丝电流I=720A，电压U=35V ；第三丝电流I=675A，电压U=35V；第四丝电流I=630A，电压U=35V；焊丝间距d=16mm，焊接速度V=1.0m/min。

5）机械扩径工序：钢管全长机械扩径率为0.50%。

6）热处理工序：钢管采用整体淬火+低温保温+回火热处理工艺，淬火温度880℃，淬火保温时间按照3.0min/mm，淬火介质为浓度为15%NaCl的盐水，低温保温温度为150℃，保温介质为硅油，保温时间为20min，回火温度600℃，回火时间为4.2min/mm，回火后随炉冷却至室温。

7）经检测，本实例的主要性能如下：其特征在于：-45℃母材冲击为380J，400J，392J，剪切面积为100%，100%,100%；焊缝冲击为280J。，286J,290J，剪切面积为100%，100%,100%；热影响区冲击为310J,321J，318J，剪切面积为95%，92%,95%。

实施例2

所述低温韧性优异的厚规格X80管件钢管是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.07%，Si：0.30%，Mn：1.90%，P=0.010%，S=0.005%，Nb：0.070%，Mo:0.25%，Cu:20%，Cr:0.25%，Ni:0.30%，Ti：0.04%，Al：0.02%，N=0.005%，Ti/Al=3，Al/N=2，V:0.04%,Pcm=0.22%,Ceq =0.53%。

所述制备方法如下：

1）钢板铣边、成型工序：钢板两边铣边均为20mm，钢板采用JCOE成型工艺，先把钢板压成“J”形，再将钢板的另一半压成“C”形，最后形成开口的“O”形，冲压道次共计23道次，其中压制“J”形道次5道，“C”形道次15道，压制“O”形道次3道次，每道次压制完成后间歇6秒进行下一道次变形，道次压下量采用递增方式进行直至理想屈率，总压下量为583mm。

2）钢管预焊工序：采用CO2气体保护焊，气体焊丝为直径3.2mm的CHW-60C焊丝，焊接前进行预热，预热温度20℃，气体混合比为CO2/Ar=18%/82%,流量为55L/min，焊接线能量为7KJ/CM，焊速3m/min，采用直流反接电流1250A，电压26V。

3）钢管内焊工序中：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1250A，电压U=26V；第二丝电流I=920A，电压U=40V；第三丝电流I=820A，电压U=40V；第四丝电流I=700A，电压U=40V；焊丝间距d=20mm，焊接速度V=1.20m/min，焊接线能量为70KJ/CM。

4）钢管外焊工序：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1250A，电压U=26V；第二丝电流I=880A，电压U=40V ；第三丝电流I=820A，电压U=40V；第四丝电流I=750A，电压U=40V；焊丝间距d=20mm，焊接速度V=1.20m/min。

5）机械扩径工序：钢管全长机械扩径率为0.55%。

6）.热处理工序：钢管采用整体淬火+低温保温+回火热处理工艺，淬火温度930℃，淬火保温时间按照3.0min/mm，淬火介质为浓度为15%NaCl的盐水，低温保温温度为180℃，保温介质为硅油，保温时间为30min，回火温度700℃，回火时间为4.2min/mm，回火后随炉冷却至室温。

7）经检测，本实例的主要性能如下：其特征在于：-45℃母材冲击为360J，365J，372J，剪切面积为100%，100%,100%；焊缝冲击为270J。，277J,272J，剪切面积为100%，100%,100%；热影响区冲击为300J,295J，298J，剪切面积为93%，90%,95%。

实施例3

所述低温韧性优异的厚规格X80管件钢管是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.05%，Si：0.25%，Mn：1.80%，P=0.008%，S=0.002%，Nb：0.050%，Mo:0.20%，Cu:0.15%，Cr:0.20%，Ni:0.20%，Ti：0.031%，Al：0.015%，N=0.004%，Ti/Al=2，Al/N=3.75，V:0.03%,Pcm=0.19%,Ceq =0.46%。

所述制备方法如下：

1）钢板铣边、成型工序：钢板两边铣边均为20mm，钢板采用JCOE成型工艺，先把钢板压成“J”形，再将钢板的另一半压成“C”形，最后形成开口的“O”形，冲压道次共计23道次，其中压制“J”形道次4道，“C”形道次14道，压制“O”形道次5道次，每道次压制完成后间歇5.5秒进行下一道次变形，道次压下量采用递增方式进行直至理想屈率，总压下量为580mm。

2）钢管预焊工序：采用CO₂气体保护焊，气体焊丝为直径3.2mm的CHW-60C焊丝，焊接前进行预热，预热温度18℃，气体混合比为CO2/Ar=18%/82%,流量为50L/min，焊接线能量为6.5KJ/CM，焊速2.5m/min，采用直流反接电流1150A，电压25V。

3）钢管内焊工序中：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1150A，电压U=25V；第二丝电流I=800A，电压U=38V ；第三丝电流I=700A，电压U=38V；第四丝电流I=600A，电压U=38V；焊丝间距d=18mm，焊接速度V=1.10m/min，焊接线能量为60KJ/CM。

4）钢管外焊工序：第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；第一丝电流I=1150A，电压U=25V；第二丝电流I=800A，电压U=38V ；第三丝电流I=720A，电压U=38V；第四丝电流I=700A，电压U=38V；焊丝间距d=18mm，焊接速度V=1.10m/min。

5）机械扩径工序：钢管全长机械扩径率为0.53%。

6）.热处理工序：钢管采用整体淬火+低温保温+回火热处理工艺，淬火温度900℃，淬火保温时间按照3.0min/mm，淬火介质为浓度为15%NaCl的盐水，低温保温温度为160℃，保温介质为硅油，保温时间为25min，回火温度650℃，回火时间为4.2min/mm，回火后随炉冷却至室温。

7）经检测，本实例的主要性能如下：其特征在于：-45℃母材冲击为370J，365J，372J，剪切面积为100%，100%,100%；焊缝冲击为275。，280J,268J，剪切面积为100%，100%,100%；热影响区冲击为295J,298J，300J，剪切面积为90%，92%,93%。