屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板及其生产方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板及其生产方法。

背景技术：

随着我国经济的高速发展带来了对以石油和天然气为主要能源需求的高速增长，巨大的石油和天然气等能源缺口只能通过从境外输入或在境内寻找新的资源和提高石油开采技术来补充，因此需要大量的高附加值、高级别石油天然气输送用管。近年来，通过西气东输一线、二线的建设，我国在大口径、高压力、高钢级管道技术方面在世界范围内实现了从追赶到引领。

腐蚀是管线事故的主要原因，而硫化氢腐蚀是主因，统计表明，在含有湿H₂S的介质作用下，油气管道极易产生硫化氢腐蚀。硫化氢腐蚀主要有两种形式，即氢致开裂和应力腐蚀开裂。为了防止氢腐蚀，国际上规定，当H₂S分压达到300Pa时，所使用的管材需具有抗酸性腐蚀的性能，在这种环境下管线钢的碳含量、Ca/S、探伤有着特殊的要求，要求做HIC（抗氢致开裂）和SSCC（抗硫化物应力开裂）试验。由于抗酸管线钢板属于高附加值管线钢板，生产难度较大，具有较高利润，因此开发酸性环境服役管线钢板产品具有较好的市场前景。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板；本发明还提供了一种屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板，所述钢板化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.00～1.20%，P≤0.010%，S≤0.002%，Nb：0.040～0.060%，Ni：0.15～0.30%，Cr：0.15～0.25%，Cu：0.18～0.30%，Alt：0.020～0.040%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述钢板的组织为铁素体、贝氏体的复合组织；晶粒度≥9级，带状组织≤1.5级。

本发明所述钢板最大厚度为25mm；Ceq：0.25～0.35%。

本发明所述钢板屈服强度450～500MPa，抗拉强度550～600MPa，延伸率≥30%，屈强比≤0.90，-40℃冲击功均值≥150J。

本发明还提供了一种屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法，所述方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序；所述轧制工序，采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺。

本发明所述加热工序，钢坯的最高加热温度1240～1250℃，均热温度1200～1220℃，总加热时间≥220min，均热段在炉时间≥60min。

本发明所述轧制工序，采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺，第一阶段轧制温度为1000～1100℃，单道次压下量为10～20%，累计压下率为30～50%；第二阶段轧制温度为930～950℃，累计压下率为30～50%。

本发明所述冷却工序，轧后进行ACC水冷，入水温度为790～810℃，返红温度580～630℃。

本发明所述冶炼工序，钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.2～1.4kg/t钢；钢水温度达到1530－1550℃转入VD炉真空脱气处理，真空脱气处理前加入CaSi块1.0～1.5kg/t钢改变夹杂物形态，真空脱气处理的真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥20min。

本发明所述连铸工序，采用200mm厚度连铸坯成材，钢坯按照1.1min/mm进行加热。

本发明成分设计思路如下：

C、Mn固溶强化；加入适量的Nb细化晶粒，其碳氮化物起到弥散强化作用；通过后续精准的控轧控冷工艺，使钢板具有良好的力学性能,加入Cu、Ni等合金元素提高钢板抗HIC能力，其中，各组分及含量在本发明中的作用是：

C：碳对钢的屈服、抗拉强度、焊接性能产生显著影响，碳通过间隙固溶能显著提高钢板强度，但碳含量过高，又会影响钢的偏析、焊接性能及韧性。

Si：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但超过0.5%时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。

Mn：锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。

P、S：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性，磷使焊接性能变坏，降低塑性；硫降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

Al：铝是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Nb：为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。

Cr：能提高淬透性和固溶强化，保证钢板强度，但也使钢板韧性有所降低，因此可以根据强韧性要求，确定合理的Cr含量。

Ni：当钢中Cu含量较高时会引起热脆性，可通过加入Ni来进行改善，另外适量的Ni可以提高钢的韧性。

Cu：能与渗入到钢中的氢原子相互作用，使得H的再结合速度升高，导致H的活动性降低，因此增强钢的抗HIC能力。如果钢中的Cu含量＞0.2%，那么在钢材的表层上将会出现一层FeS的黑色保护层，该保护层的最外层是Cu含量较高的γ-Fe₂O₃，内层主要是FeS，因此可大幅降低钢的析氢速度，减轻腐蚀。

本发明屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板检测方法参考API 5L PSL2。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明化学成分设计采用低C，保证钢板良好的焊接性及耐腐蚀性。2、本发明采用Nb-Cr-Cu-Ni微合金化设计，确保钢板强度、韧性匹配。3、本发明具有良好的抗HIC性能，组织为铁素体、贝氏体的复合组织。4、本发明方法通过控轧控冷工艺生产钢板，所得屈服450MPa级钢板具有良好的焊接性：Ceq：0.25～0.35%，屈服强度450～500MPa，抗拉强度550～600MPa，屈强比≤0.90，-40℃冲击功均值≥150J，延伸率A50≥30%，晶粒度≥9级，带状组织≤1.5级。

附图说明

图1为实施例1的钢板显微组织图；

图2为实施例2的钢板显微组织图；

图3为实施例3的钢板显微组织图；

图4为实施例4的钢板显微组织图；

图5为实施例1的钢板HIC检验结果图；

图6为实施例2的钢板HIC检验结果图；

图7为实施例3的钢板HIC检验结果图；

图8为实施例4的钢板HIC检验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细地说明。

屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序，具体生产工艺如下所述：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.2～1.4kg/t钢；钢水温度达到1530～1550℃转入VD炉真空脱气处理，真空脱气处理前加入CaSi块1.0～1.5kg/t钢改变夹杂物形态，真空脱气处理的真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥20min；出钢钢水化学成分组成及质量百分含量为：C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.00～1.20%，P≤0.010%，S≤0.002%，Nb：0.040～0.060%，Ni：0.15～0.30%，Cr：0.15～0.25%，Cu：0.18～0.30%，Alt：0.020～0.040%，余量为Fe和不可避免的杂质；

（2）连铸工序：采用200mm厚度连铸坯成材，钢坯按照1.1min/mm进行加热；

（3）加热工序：钢坯的最高加热温度1240～1250℃，均热温度1200～1220℃，总加热时间≥220min，均热段在炉时间≥60min；

（4）轧制工序：采用再结晶区+未再结晶区两阶段控轧工艺进行轧制，得到半成品钢板；第一阶段轧制温度为1000～1100℃，此阶段单道次压下量为10～20%，累计压下率为30～50%；第二阶段轧制温度为930～950℃，累计压下率为30～50%；

（5）冷却工序：轧后进行ACC水冷，入水温度790～810℃，返红温度580～630℃；

得到最大厚度为25mm的屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板。

实施例1

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板厚度为12mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序，具体生产工艺如下所述：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.2kg/t钢；钢水温度达到1540℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块1.0kg/t钢改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度66.6Pa，真空保持时间20min；出钢钢水化学成分组成及质量百分含量见表1；

（2）连铸工序：采用200mm厚度的连铸坯，钢坯按照1.1min/mm进行加热；

（3）加热工序：最高加热温度1250℃，均热温度1220℃，总加热时间221min，均热段在炉时间63min；

（4）轧制工序：采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺，第一阶段轧制温度为1030℃，单道次压下量为20%，累计压下率为50%；第二阶段轧制温度为950℃，累计压下率为50%；

（5）冷却工序：轧后进行ACC水冷，入水温度810℃，返红温度630℃。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板屈服强度450MPa，抗拉强度550MPa，屈强比0.82，-40℃冲击功平均228J，延伸率31%，晶粒度9级，带状组织1.5级；

钢板的显微组织见图1，由图1可见其组织为铁素体、贝氏体的复合组织；图5为钢板的HIC检验结果图；表2为实施例1钢板HIC检验结果。

实施例2

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板厚度为17mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序，具体生产工艺如下所述：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.3kg/t钢；钢水温度1550℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块1.2kg/t钢改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度66Pa，真空保持时间24min；出钢钢水化学成分组成及质量百分含量见表1；

（2）连铸工序：采用200mm厚度的连铸坯，钢坯按照1.1min/mm进行加热；

（3）加热工序：钢坯最高加热温度1245℃，均热温度1218℃，总加热时间225min，均热段在炉时间65min；

（4）轧制工序：采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺，第一阶段轧制温度为1100℃，单道次压下量为10%，累计压下率为30%；第二阶段轧制温度为940℃，累计压下率为30%；

（5）冷却工序：轧后进行ACC水冷，入水温度800℃，返红温度610℃。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板屈服强度492MPa，抗拉强度590MPa，屈强比0.83，-40℃冲击功平均207J，延伸率33%，晶粒度9.5级，带状组织1.0级；

钢板的显微组织见图2，由图2可见其组织为铁素体、贝氏体的复合组织；图6为钢板的HIC检验结果图；表3为实施例2钢板HIC检验结果。

实施例3

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板厚度为20mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序，具体生产工艺如下所述：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.4kg/t钢；钢水温度1530℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块1.4kg/t钢改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度60Pa，真空保持时间25min；出钢钢水化学成分组成及质量百分含量见表1；

（2）连铸工序：采用200mm厚度的连铸坯，钢坯按照1.1min/mm进行加热；

（3）加热工序：钢坯最高加热温度1240℃，均热温度1200℃，总加热时间227min，均热段在炉时间62min；

（4）轧制工序：采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺，第一阶段轧制温度为1050℃，单道次压下量为15%，累计压下率为38％；第二阶段轧制温度为935℃，累计压下率为40％；

（5）冷却工序：轧后进行ACC水冷，入水温度795℃，返红温度600℃。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板屈服强度478MPa，抗拉强度570MPa，屈强比0.84，-40℃冲击功平均267J，延伸率34%，晶粒度11级，带状组织1.0级；

钢板的显微组织见图3，由图3可见其组织为铁素体、贝氏体的复合组织；图7为钢板的HIC检验结果图；表4为实施例3钢板HIC检验结果。

实施例4

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板厚度为25mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序，具体生产工艺如下所述：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线1.3kg/t钢；钢水温度1535℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块1.5kg/t钢改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度62Pa，真空保持时间26min；出钢钢水化学成分组成及质量百分含量见表1；

（2）连铸工序：采用200mm厚度的连铸坯，钢坯按照1.1min/mm进行加热；

（3）加热工序：钢坯最高加热温度1250℃，均热温度1220℃，总加热时间220min，均热段在炉时间60min；

（4）轧制工序：采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺，第一阶段轧制温度为1000℃，单道次压下量为18%，累计压下率为40％；第二阶段轧制温度为930℃，累计压下率为42％；

（5）冷却工序：轧后进行ACC水冷，入水温度790℃，返红温度580℃。

本实施例屈服450MPa级酸性环境服役管线钢板屈服强度495MPa，抗拉强度550MPa，屈强比0.90，-40℃冲击功平均222J，延伸率35%，晶粒度9.5级，带状组织0.5级；

钢板的显微组织见图4，由图4可见其组织为铁素体、贝氏体的复合组织；图8为钢板的HIC检验结果图；表5为实施例4钢板HIC检验结果。

表1 实施例1-4钢板及出钢钢水化学成分组成及质量百分含量（%）

表1中，化学成分的余量为Fe和不可避免的杂质。

表2 实施例1钢板的HIC检验结果

表3 实施例2钢板的HIC检验结果

表4 实施例3钢板的HIC检验结果

表5 实施例4钢板的HIC检验结果

由上述实施例可知，本方法生产的屈服450MPa级酸性环境服役管件钢板具有低碳当量、低屈强比、抗HIC性能优良、焊接性良好等特点。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。