专利名称：一种x80级低温管件用钢及其制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一 种X80级低温(-30 -46°c )管件用钢及其制备和应用。
背景技术：
我国西气东输、西部、中俄、中亚等管道建设中，拟建设数十座压气站和数十 座输配气站场及100座以上的阀室，需要大量站场管件(三通、弯头等)。站场极限温度 达到-30 -40°c，有的站场最低气温达到-46°C，厚度达到50-70·。根据管道工艺 设计要求，部分站场管件需裸露在寒冷的外部环境下服役，对材料抗脆性起裂能力是一 个严峻的挑战。管件的生产不同于直管，需要经过鼓包、拉拔等热成形过程，以及为了 恢复母管的力学性能而进行的整体热处理(一般进行淬火+回火)，所以，管件往往在热 处理状态使用。经过上述工艺过程的普通X80钢管件很难满足X80钢的性能要求。为 此，X80管件用钢化学成分及其制造方法的重新设计和研究变得十分迫切。从X80管件 的制作及使用角度，还必须考虑以下两个问题(I)XSO管件钢必须具有良好的淬透性， 以保证厚壁管件的力学性能；(2)X80管件钢的化学成分与普通X80接近，同时具备良好的焊接性。国内已有关于X80管件的生产，如专利号为 ZL200710185349.7的中国发明专利，公开了 “一种X80钢所制管件及其制造工艺”，可 生产X80级别的油气管件。本发明提出了又一种X80管件用钢及其制造方法，在化学成 分上与ZL200710185349.7有较大的区别，主要表现在C、Mn、Ni、Ti、B等元素的差别 上，并且获得了良好的效果，使得该钢的性能尤其是低温冲击韧性得到很大的提高，可 以用在X80低温管件的制作上。
发明内容
本发明的目的是提供一种X80低温管件用钢及其制造和应用，该钢经过相应的 热处理工艺后，所得管件屈服强度大于555MPa，延伸率大于25%，_46°C冲击韧性大于 150J,完全可以达到X80低温管件用钢的性能要求。本发明的所述的一种X80级低温管件用钢是通过以下技术方案来实现的1) 一种X80钢，按质量百分比为C 0.12 0.16%，Si 0.20 0.30%，Mn 1.00 1.30%，P<0.015%, S<0.005%, Nb 0.030 0.045%，Mo 0.20 ~ 0.30%, Ni 0.55 0.75%，Cr 0.10 0.15%，Ti: 0.010-0.030%, B 0.0005-0.0030%,余量 Fe。控制Ceq 0.38 0.48%，Pcm 0.18 0.23%。2)上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严格控制钢 中P、S等杂质含量及有害气体，采用轻压下技术连铸成板坯以减小偏析，加热至约 1200°C, 1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度15°C 20°C/s，制成 30 70mm厚的热轧钢板。
3)钢板经U-O成型，焊接后，制成弯头和三通中的一种或两种的母管。 4)采用钢板进行850 920°C热压成形，管件成形后采用整体淬火+回火工艺 进行热处理，其中淬火温度为880 930°C，冷却速度大于15°C/s，回火温度为620 680 °C,回火后空冷。本发明所提供的X80低温钢及其制造方法，可以使该钢具有良好的淬透性，可 以保证热处理后组织为粒状贝氏体或粒状贝氏体加块状铁素体，晶粒度达到10级以上， 从而保证该钢所制管件的性能完全满足X80低温管件的要求。本发明所提供的X80低温钢在化学成分的设计上，为了保证该钢热成形及热处 理后的强韧性配合，尤其考虑其低温韧性，对C、Mn、Ni、Ti、B等合金元素的含量进 行了合理设计。为了保证厚壁管件的良好淬透性，总合金含量按照碳当量Ceq计算，不 得低于0.38%;由于该钢还存在焊接加工问题，必须保证该钢具有与普通X80钢相似或 相近的焊接性，所以控制碳当量Ceq小于0.48%，以保证该钢在不予热情况下焊接而不出 现焊接裂纹及异常组织。与参考文献相比，本发明在化学成分上存在以下特点1)本发明所提供的X80钢中C控制在0.12 0.16%。碳元素对钢的淬透性及 强韧性具有重要的影响，含碳量的增加，可以增加钢的淬透性，增加钢中针状铁素体的 含量，减少先共析铁素体的含量，进而提高钢的强度。但是，过多的含碳量，会促进焊 缝中贝氏体甚至马氏体的形成，导致低温韧性下降。2)本发明所提供的X80低温钢中Mn的含量控制在1.00 1.30%。Mn是奥氏 体稳定化元素，能够降低奥氏体向铁素体的转变温度。钢中Mn充当固溶强化元素，增 加Mn含量有助于细化晶粒，增加针状铁素体的含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板 条铁素体的含量，从而改善钢的韧性。但过多的Mn含量时，易于在晶界偏析，从而导 致残余奥氏体、马氏体等组织产生，会对钢的低温韧性产生不利的影响。3)本发明所提供的X80钢中Ni的含量控制在0.55 0.75%。Ni可以使Y区 扩展，与Y-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。Ni的加入由于减小了奥氏 体与铁素体的自由能差，使得Y — α的转变温度明显降低，对贝氏体转变有较大的推迟 作用。钢中Ni作为强化元素，通过晶粒细化和固溶强化获得强化效果。Ni也是最好的 韧化元素，作为合金元素能够显著改善焊缝金属的低温韧性。Ni元素含量的增加，还可 以有效增加钢的淬透性，同时解决Mn含量降低所带来的强度不足等问题。4)本发明所提供的X80钢中Ti的含量控制在0.010-0.030%。Ti作为微合金元 素，通过细化晶粒，改变相变动力学和溶质原子过饱和状态的脱溶以改善钢的强韧性。 Ti是钢中最重要的微合金元素，与O有很强的亲和力，形成高熔点的Ti2O3fel400°C)， 能够强烈促进铁素体的形核。Ti能够与氮元素生成高温下(> 1350°C )不易溶解的TiN颗 粒相，能够限制奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体形核，具有改善钢强韧性的作用。 另外，Ti与钢中的N的亲和力比Nb强，可以导致Nb以碳化物的形式存在。在钢板淬 火加热过程中，大量的Nb会被溶解，从而可以提高钢的淬透性，利用铁素体中的Nb碳 化物析出硬化增加强度。5)本发明所提供的X80钢中加入了 B元素，为了保证B元素作用的良好发挥， B的含量控制在0.0005-0.0030%。B原子的尺寸小，B原子在奥氏体晶界的吸附，除了 通过“占位效应”净化晶界之外，还可以降低晶界能，阻碍新相在晶界的形核，延缓奥氏体相变。另外，B元素在奥氏体中的固溶，还可以提高钢的淬透性。但过高的B含量 会导致B相在晶界的形成，易于产生热脆现象。发明效果本发明提供的钢板制成壁厚30 70mm管件母管后，经过850 920°C的热压成 形，再经过880 930°C的加热，可以保证其完全奥氏体化而不足以导致奥氏体晶粒严重 粗化，当冷却速度大于15°C/s时，可以保证其完全淬透，获得均勻细小的组织，晶粒度 达到10以上。再经过620 680°C的回火处理，可以得到粒状贝氏体或粒状贝氏体加块状 铁素体，获得良好的综合力学性能，其屈服强度大于555MPa，抗拉强度625_825Mpa， 延伸率大于25%，_46°C冲击韧性大于150J，特别 适合制作天然气输送管线用X80级别低 温管件，用于高寒地区配气站场。
具体实施例方式以下通过实例来对本发明的具体实施方式
进行说明。表1为实例性能指标检测结果。实施例1化学成分CO.12%，Si0.25 %, Mn 1.28 %, P 0.010 %, S0.0021 %, Nb 0.039%, Mo 0.25%, Ni 0.58%, CrO.13%, Ti 0.023%, B0.0008%,余量为 Fe。制造工艺上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严 格控制钢中P、S等杂质含量及有害气体，采用轻压下技术连铸成板坯以减小偏析， 加热至约1200°c，1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度15°C 20 0C /s,制成30mm厚的热轧钢板。钢板经U_0成型，焊接后，在870士20 °C压制 成Φ1219ιηιηΧ1219ιηιηΧ1219ιηιη的等径三通；然后进行最终的热处理，工艺为 900士20°C加热，保温40分钟后10%盐水冷却，然后进行640士20°C加热，保温75分钟 空冷。性能特点经过性能检测，由表1可见，其性能达到X80低温管件的性能要 求。实施例2化学成分CO.15%，Si0.22 %, Mn 1.15 %, P 0.012 %, S0.0018 %, Nb 0.031%, Mo 0.22%, Ni 0.68%, CrO.11%, Ti 0.028%, B0.0012%,余量为 Fe。制造工艺上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严 格控制钢中P、S等杂质含量及有害气体，采用轻压下技术连铸成板坯以减小偏析， 加热至约1200°c，1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度20°C 30 0C /s,制成52mm厚的热轧钢板。钢板经U_0成型，焊接后，在890士20 °C压制 成Φ1219ιηιηΧ1219ιηιηΧ1219ιηιη的等径三通；然后进行最终的热处理，工艺为 910士20°C加热，保温62分钟后10%盐水冷却，然后进行650士20°C加热，保温120分钟 空冷。性能特点经过性能检测，由表1可见，其性能达到X80低温管件的性能要 求。实施例3
化学成分CO.13%，Si0.28 %, Mn 1.10 %, P 0.009 %, S0.0012 %, Nb 0.043%, Mo 0.28%, Ni 0.74%, Cr 0.15%，Ti 0.017%, B0.0019%,余量为 Fe。制造工艺上述 材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严 格控制钢中P、S等杂质含量及有害气体，采用轻压下技术连铸成板坯以减小偏析， 加热至约1200°C，1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度25°C 35 0C /s,制成68mm厚的热轧钢板。钢板经U_0成型，焊接后，在900士20 °C压制 成Φ1219ιηιηΧ1219ιηιηΧ1219ιηιη的等径三通；然后进行最终的热处理，工艺为 910士20°C加热，保温80分钟后10%盐水冷却，然后进行660士20°C加热，保温165分钟 空冷。性能特点经过性能检测，由表1可见，其性能达到X80低温管件的性能要 求。实施例4化学成分CO.13%，Si0.24 %, Mn 1.24 %, P 0.010 %, S0.0024 %, Nb 0.033%, Mo 0.24%, NiO.61%, CrO.14%, Ti0.019%, B0.0011%,余量为 Fe。制造工艺上述材料经氧吹转炉熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严格控 制钢中P、S等杂质含量及有害气体，采用轻压下技术连铸成板坯以减小偏析，加热至约 1200°C, 1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度15°C 20°C/s，制成 30mm厚的热轧钢板。钢板经U-O成型，焊接后，在870士20°C压制成Φ508mmX508mm 的弯头；然后进行最终的热处理，工艺为900士20°C加热，保温40分钟后10%盐水冷 却，然后进行640士20°C加热，保温75分钟空冷。性能特点经过性能检测，由表1可见，其性能达到X80低温管件的性能要 求。表 权利要求
1.一种X80级低温管件用钢，低温为-30 -46°c;其特征在于按质量百分比为 C 0.12 0.16%， Si 0.20 0.30%，Mn 1.00 ~ 1.30%, P<0.015%, S<0.005%,Nb 0.030 0.045 %，Mo 0.20 ~ 0.30 %, Ni 0.55 ~ 0.75 %, CrO.10 0.15 %，Ti: 0.010-0.030 %, B 0.0005-0.0030 %,余量 Fe;控制 CeqO.38 0.48 %，Pcm 0.18 0.23%。
2.—种权利要求1所述的X80级低温管件用钢的制备方法，其特征在于经氧吹转炉 熔炼、Ca处理，炉外精炼和真空脱气，严格控制钢中P、S等杂质含量及有害气体，采用 轻压下技术连铸成板坯以减小偏析，加热至约1200°C，1150°C 1050°C粗轧，950°C 850°C精轧，轧后冷却速度15°C 20°C /s,制成30 70mm厚的热轧钢板。
3.一种权利要求1所述的X80低温管件用钢的应用，其特征在于 适用于制作低温用管件三通或弯头；将钢板进行850 920°C热压成形，管件成形后采用整体淬火和回火工艺进行热处 理，其中淬火温度为880 930°C，冷却速度大于15°C/s，回火温度为620 680°C，回 火后空冷。
全文摘要
本发明涉及一种X80级低温(-30～-46℃)管件用钢及其制备和应用；按质量百分比C 0.12～0.16％，Si 0.20～0.30％，Mn 1.00～1.30％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb 0.030～0.045％，Mo 0.20～0.30％，Ni 0.55～0.75％，Cr 0.10～0.15％，Ti0.010-0.030％，B0.0005-0.0030％，余量Fe；控制Ceq 0.38～0.48％，Pcm 0.18～0.23％；该钢具有良好的淬透性，热处理后组织为粒状贝氏体或粒状贝氏体加块状铁素体，晶粒度达到10级以上，所制管件的性能满足X80低温管件要求。
文档编号C22C38/54GK102011064SQ201010550609
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者冯耀荣, 刘迎来, 牛靖 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所