一种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管及其制造方法，所述钢管母材按照质量百分比由以下成份组成：C0.01～0.08、Si0.2～0.45、Mn0.8～1.8、Ni0.3～1.5、Mo0.1～0.3、Cr0.2～0.5、Cu0.1～0.3、Ti0.005～0.05、N0.001～0.005、Al0.005～0.05、P≤0.015、S≤0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。所述钢管母材还包括B0.0001-0.0050％。本技术发明的有益效果是，采用本发明中的方法，可以有效的提高管线钢管母材和焊缝位置的冲击韧性，而不需要进行热处理。采用本发明生产的油气输送用螺旋埋弧焊接钢管，可以满足-40℃以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。
【专利说明】—种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管及其制造方法
【技术领域】:[0001]本发明属于油气输送管制造行业，涉及一种低温韧性良好的油气输送用螺旋埋弧焊管及其制造方法。
【背景技术】:
[0002]油气管道运输是长距离输送石油、天然气最经济、最合理的运输方式。近年来，随着易采油气能源的枯竭，油气资源的开采逐渐延伸到了沙漠、冻土、海洋、极地等难采地区，油气开采难度越来越大，同时对于油气输送用管的技术要求也越来越高。另外，从环境保护角度出发，需要加大天然气的开采量。而从管线建设成本角度出发，则需要进一步提高管线用管的钢级和输送压力，以降低油气输送成本。目前，油气输送管线总体发展趋势是高强高韧化、厚壁化、耐蚀性和变形能力提高。
[0003]油气长输管线用管一般采用直缝或螺旋埋弧焊管。欧美、日本等发达国家和地区，高强度管线用钢管主要以直缝埋弧焊管为主。而中国则在螺旋埋弧焊管的制造技术方面具有一定的优势。同时，近年来的研究表明，螺旋埋弧焊管在管道止裂方面，较直缝埋弧焊管更有优势。因而，发展高强韧性螺旋埋弧焊管，不失为一条具有中国特色的油气长输管道的路线。
[0004]针对寒冷地区使用的低温韧性要求较高的油气输送管线用管，欧美、日本等发达国家以直缝埋弧焊管(如专利CN101541994B、CN101484600B、CN101548026B)为主，而对于螺旋埋弧焊管则较少涉及。
[0005]我国目前低温钢品种主要有低合金钢、6%镍钢、9%镍钢和奥氏体不锈钢等。低合金钢主要用于-70°C以上温度环境，对于_70°C以下更低温度环境用钢，则选用镍钢或奥氏体不锈钢品种。现有的低合金低温钢牌号主要有3种，分别是16Mn、09Mn2V和09MnTiCuRe，以上3种牌号的钢材在-70°C冲击功均可达到47J以上，但因其强度较低，屈服强度仅为343MPa，无法满足高压油气输送管线用钢管技术要求。
[0006]通过西气东输一线、二线工程用管线钢管的研发与管道建设，中国的管线钢管制造水平已经迈进世界领先行列。西气东输一线干线管主要采用X70级埋弧焊管，而二线则以X80级埋弧焊管为主。这两种钢管的性能特点完全满足一般环境中油气输送管道的技术指标要求。但对于寒冷地带、裸露悬跨架设的管线，其低温韧性、尤其是焊缝和热影响区部位的低温韧性仍然不能达到管线的服役要求。
【发明内容】
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[0007]本发明提供了一种具有良好低温韧性的X70、X80级螺旋埋弧焊管及该焊管的制造方法。采用本发明制造的高强度油气输送用螺旋埋弧焊管，可以解决_40°C以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。
[0008]为了实现焊管良好的低温韧性，同时满足焊接钢管良好的焊接性工艺要求，本发明采用低C、Mn设计，通过添加适量的Mo促进贝氏体相变来实现超细晶粒贝组织，保证了钢板具备一定的强度；同时添加适量的Cr，减少钢带的组织偏析；添加适量的Ti，使钢在焊接热循环过程中，钢中弥散的TiN粒子可有效地阻止奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体析出，从而显著改善低合金高强度钢粗晶热影响区的韧性；添加适量的Ni，一方面既提高钢的强度，另一方面又使钢的韧性保持较高的水平，并显著降低钢的韧脆转变温度。通过以上设计思路，配合合理的成分组织控制技术，实现了低碳微合金钢材质的螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板具备良好的低温韧性和焊接性；同时通过特殊的焊材合金成分设计，在实现焊接头良好强度匹配的基础上，焊缝具备了良好的低温韧性。
[0009]本发明所采用的技术方案如下:
[0010]一种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管，所述钢管母材按照质量百分比由以下成份组成:C0.01 ~0.08,Si0.2 ~0.45,Mn0.8 ~1.8,Ni0.3 ~1.5,Mo0.1 ~0.3、Cr0.2 ~0.5,Cu0.1 ~0.3,Ti0.005 ~0.05,N0.001 ~0.005,A10.005 ~0.05,P ( 0.015、S ≤ 0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
[0011]所述钢管母材还包括B0.0001-0.0050%。
[0012]所述钢管母材采用热轧卷板卷制为管状体，管状体的焊缝呈螺旋分布，焊缝采用内外埋弧焊进行焊接。
[0013]所述钢管母材按照质量百分比，其中:C0.01、Si0.2、A10.005。
[0014]所述钢管母材厚度小于等于20mm。
[0015]所述焊缝按照质量百分比由以下成份组成:C0.03~0.12、Si0.20~0.45、Mn0.8 ~1.8、Nil.0 ~2.0、Mo0.1 ~0.40、Ti0.05 ~0.15、Cu0.1 ~0.3、N ≤ 0.005、O ≤ 0.005、H ≤ 0.005。
[0016]所述钢管母材横向屈服强度为550~630MPa。
[0017]所述的油气输送用螺旋埋弧焊管的制备方法，包括:开卷，矫平，铣边，预弯，成型，内焊和外焊、母材分层和焊缝超声波探伤、焊缝X射线探伤，管端扩径，水压试验，焊缝超声波探伤，管端X射线探伤，管端倒棱，成品检查标记入库。
[0018]所述的制备方法，采用成型机将热轧卷板卷制为管状，并采用焊接材料在管材内外进行埋弧焊接。
[0019]所述的制备方法，进行内外埋弧焊接时，线能量不大于20kJ/cm。
[0020]本技术发明的有益效果是，采用本发明中的方法，可以有效的提高管线钢管母材和焊缝位置的冲击韧性，而不需要进行热处理。采用本发明生产的油气输送用螺旋埋弧焊接钢管，可以满足_40°C以上寒冷地区油气输送管线的建设需要。
【专利附图】
【附图说明】:
[0021]图1为本发明的母材组织金相图；
[0022]图2为本发明的焊缝组织金相图；
[0023]图3为本发明的HAZ组织金相图；
[0024]图4-1为HAZ冲击功温度转变曲线；
[0025]图4-2为HAZ剪切面积温度转变曲线；
[0026]图5-1焊缝冲击功温度转变曲线；[0027]图5-2焊缝剪切面积温度转变曲线；
[0028]图6-1为母材冲击功温度转变曲线；
[0029]图6-2为母材剪切面积温度转变曲线。
【具体实施方式】:
[0030]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0031]参见图1、图2、图3、图4-1、图4-2、图5-1、图5-2、图6-1和图6_2，本发明通过合金成分的设计，结合现代微合金钢控轧工艺，获得一种新型的以贝氏体为主的复相组织设计(如图1)，实现了材料优良的低温韧性和良好的焊接加工性能，使其母材韧性_40°C时能保持在100J以上，剪切面积大于85%;热影响区韧性-40°C在47J以上。同时，本发明还设计了一种低温韧性优良的埋弧焊丝，配合特定的烧结焊剂使用，可保证焊缝的韧性在_40°C时达到47J以上，满足了 -40°C以上低温寒冷环境中油气输送管线的韧性要求。
[0032]一种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管，采用热轧卷板卷制为管状，并对呈螺旋分布的焊缝进行内外埋弧焊接制成钢管，上述钢管母材由以质量百分比计算的以下成分组成:C0.01 ~0.08、Si0.2 ~0.45、Mn0.8 ~1.8、Ni0.3 ~1.5、Mo0.1 ~0.3、Cr0.2 ~0.5,Cu0.1 ~0.3,Ti0.005 ~0.05,N0.001 ~0.005,A10.005 ~0.05，并限制 P、S为P < 0.015、S-0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
[0033]该制造方法的加工工序包括:开卷，矫平，铣边，预弯，成型，内焊和外焊、母材分层和焊缝超声波探伤、焊缝X射线探伤，管端扩径，水压试验，焊缝超声波探伤，管端X射线探伤，管端倒棱，成品检查标记入库。
[0034]管体母材中C、S1、Al、P的含量按成分要求的下限控制。
[0035]上述钢管母材厚度为20mm以下。
[0036]上述钢管母材横向屈服强度为550~630MPa。
[0037]钢管的焊缝金属含有以质量百分比计算的以下化学元素组成:C0.03~0.12、Si0.20 ~0.45,Mn0.8 ~1.8,Nil.0 ~2.0,Mo0.1 ~0.40,Ti0.05 ~0.15,Cu0.1 ~0.3、N-0.005、OS 0.005、HS 0.005，添加微量的B，并在冶炼时将P、S、O限制在尽可能低的水平。
[0038]采用成型机将热轧卷板按一定成型角卷制为管状，并采用(6)所述的焊接材料在管材内外进行埋弧焊接。
[0039]进行内外埋弧焊接时，线能量不大于20kJ/cm。
[0040]C:C在钢中主要以固溶的方式存在，以提高奥氏体的淬透性，得到贝氏体组织并保证最终组织中得到一定量的MA岛硬相组织，但C含量不宜过多，否则会影响带状组织及焊接性能。本例最佳C含量范围优化控制在为0.06%以下，焊材中C的含量则更小一些。
[0041]Si =Si主要以固溶方式存在于钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使碳进一步积聚于未转变的奥氏体中，形成富碳的MA组元，并且能够促进多边形铁素体生成。为了不会降低钢的塑性和韧性，并且保证良好的焊接性能，本例中Si含量控制为0.2%~
0.45%，在钢中Si的含量低一些，焊丝中稍高一些。
[0042]Mn =Mn既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，起到固溶强化作用，还能形成硫化物。Mn元素在奥氏体中聚集，可提高奥氏体稳定性。Mn含量过高时，会加重钢中成分偏析，因此，优化控制在1.6%以下。
[0043]Al:A1是强铁素体形成元素，Al的加入会使奥氏体单相区缩小并右移。与Si对钢的影响类似，Al能抑制渗碳体的生成，并且炼钢时加入少量的Al来脱氧。然而，Al含量过高时，钢中Al的氧化产物增加，杂质含量增加，会降低钢的洁净度和表面性能。Al做为脱氧元素，必须添加0.005%以上，但过多有可能使低温韧性变差，所以优选为0.03%以下。
[0044]P、S:P在钢中也可以抑制渗碳体的析出，对铁素体有显著的固溶强化作用。但是，P含量过高，会影响钢的使用性能，如在低温下钢会产生冷脆效应。S在钢中与Mn结合形成MnS,降低Mn的有效含量，同时降低钢的抗HIC能力。本例中，P、S在钢中的含量控制得越低越好。
[0045]Mo =Mo在钢中能明显提高奥氏体的稳定性，抑制多边形铁素体生成，形成单一的针状铁素体组织。在本发明钢中，要保证热轧钢带为针状铁素体或贝氏体组织，所以需要加入一定量的Mo，通常0.1%< Mo < 0.25%。
[0046]Cu、Cr、N1:有很强的固溶强化作用，并且都是奥氏体稳定元素，提高淬透性，促进贝氏体生成，同时还能提高钢的抗腐蚀能力。在本发明中，加入量都控制在0.2-0.3%左右即可，Cr含量可以稍高一些。在焊材中，Ni的含量可以高一些，以提高焊缝的冲击韧性。同时Ni含量高时，相应的Mn含量降低一些。
[0047]T1:Ti先和钢中N结合生成TiN，然后和S结合，生成了 Ti4C2S2。由于Ti与S的亲和力要强于Mn和S的亲和力，因而随Ti含量增加，钢中Ti4C2S2化合物逐渐增多，并取代了 MnS夹杂。Ti和S结合生成Ti4C2S2化合物，使钢中硫化物夹杂球化。适量的Ti加入钢中可细化晶粒，提高强度，同时材料采用控冷工艺轧制，可析出TiN和TiC，细颗粒的TiC是有效阻止晶粒长大的弥散析出强化相。本发明中Ti的含量优化控制在0.005%-0.05%。
[0048]B:焊接金属也可以进一步含有B。B是使焊接金属的淬火性增加的元素，为了提高强度，优选含有0.0001 %以上。另一方面，B的含量超过0.0050%时，效果有时会损害韧性，因此，优选将上限设定为0.0050%以下。
[0049]原材料按上述成分设计冶炼时，尽量控制P、S、O等元素的含量，提高钢的纯净度。在轧制时，通过粗、精轧压下量和卷取温度的控制，将卷板组织晶粒度控制在12级或更细(如图1、2)，可得到强度550-630MPa级别的热轧卷板，卷板厚度在20mm以下。
[0050]采用螺旋成型工艺将卷板弯制为管状，并采用内外埋弧焊接，将对缝焊接起来。焊接时热输入控制在20kJ/cm以下，焊缝金属组织以粒状贝氏体为主(如图3)。
[0051]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
【权利要求】
1.一种适用于低温环境的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材按照质量百分比由以下成份组成:C0.0l-0.08、Si0.2-0.45、Mn0.8-1.8、Ni0.3-1.5、Mo0.1 -0.3、Cr0.2 -0.5、Cu0.1 -0.3、Ti0.005 -0.05、N0.001 -0.005、A10.005 -0.05, P ≤ 0.015、S≤0.002，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材还包括B0.0001-0.0050%。
3.如权利要求1所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材按照质量百分比，其中:C0.0USi0.2,A10.005。
4.如权利要求1所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材厚度小于等于20_。
5.如权利要求1所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材采用热轧卷板卷制为管状体，管状体的焊缝呈螺旋分布，焊缝采用内外埋弧焊进行焊接。
6.如权利要求1所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述焊缝按照质量百分比由以下成份组成:C0.03 -0.12,Si0.20 -0.45,Mn0.8 -1.8,Nil.0 -2.0,Mo0.1 -0.40、Ti0.05 -0.15、Cu0.1 -0.3、N ≤ 0.005、O ≤ 0.005、H ≤ 0.005。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的油气输送用螺旋埋弧焊管，其特征在于:所述钢管母材横向屈服强度为550-630MPa。
8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的油气输送用螺旋埋弧焊管的制备方法，其特征在于，包括:开卷，矫平，铣边，预弯，成型，内焊和外焊、母材分层和焊缝超声波探伤、焊缝X射线探伤，管端扩径，水压试验，焊缝超声波探伤，管端X射线探伤，管端倒棱，成品检查标记入库。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于:采用成型机将热轧卷板卷制为管状，并采用焊接材料在管材内外进行埋弧焊接。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于:进行内外埋弧焊接时，线能量不大于20kJ/cm。
【文档编号】B23K9/18GK103451570SQ201310364963
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】毕宗岳, 牛辉, 张万鹏, 刘海璋, 陈长青, 赵红波, 牛爱军, 黄晓辉, 张君, 刘斌, 包志刚, 杨军 申请人:宝鸡石油钢管有限责任公司