具有低温下优异韧性和抗硫化物应力腐蚀破裂性能的高强度钢管的制作方法

专利名称：具有低温下优异韧性和抗硫化物应力腐蚀破裂性能的高强度钢管的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及金属制品，某些实施方式涉及制造低温下具有高韧性同时具有抗硫化物应カ腐蚀破裂性能的金属管形杆件的方法。某些实施方式涉及油气エ业中的所有类型的立管(悬链、混连、顶部张力、维修、钻井等)、管线用管和流送管线所使用的无缝钢管，包括适于弯曲的各种管。
背景技术：
深海和超深海生产中的关键部分是流体从海底向地面系统的循环流动。立管(连接钻井或生产平台与井孔的管)在相当大的长度上(目前超过大约10，000英尺或大约2英里)承受多重海流的变形压力。立管系统的成本与水深极为相关。尽管使用条件和环境载荷(例如波和流)敏感度对不同类型的立管(顶部张カ立管(TTR)、钢悬链立管(SCR)、混连立管(HR)、维修立管(WOR)和钻井立管(DR))来说都不同，但降低立管重量都会产生明显的效果。例如，通过降低管线的重量，预计可以实现管成本的降低以及对用于支撑立管的张紧系统的冲击的显著减小。至少出于这些原因，在海上生产中发展具有70ksi(485MPa)及以上屈服应カ的高强度钢是首选。然而，具有超过70ksi的特定最小屈服強度(SMYS)的钢可能遭受应カ下因氢脆导致的硫化物应カ腐蚀(SSC)引起的失效。因此，难以满足对酸性材料的NACE要求(例如NACE MR0175/IS0 15156-1“石油和天然气エ业-用于油气生产中含有H2S环境的材料-第一部分选择抗裂性材料的一般原则”)以及难以通过SSC测试(例如NACE标准TM0177“在H2S环境中抗硫化物应カ破裂和抗应カ腐蚀破裂的金属的实验室测试”)。尽管大多数无缝管线用管制造商能够生产最小屈服強度等于或大于70ksi的高強度材料，但这些高级材料的抗SSC和氢致破裂(HIC)性能(后者根据NACE标准TM0284“管道和压カ容器钢抗氢致破裂的鉴定”进行评估)却经常表现不足。目前，根据IS03183仅X70级材料适用于酸性使用环境。而且，強度增大会导致低温下表现出更大的易碎性。一般来说，材料在通常所称的“设计温度”处性能合格，所述设计温度通常在最小期望使用和/或环境温度以下大约20°C。在挪威大陆架上最低环境温度大约为-20°C。在北极地区，期望的最低环境温度在_40°C以下。因而，所需的最小设计温度低达大约_60°C。然而，屈服应カ大约70ksi及以上的管线用管钢至今仅在低至大约-40°C的设计温度下性能合格。这种限制则限制了北极和类北极地区油气开采的成本效率。因此需要提供在等于或小于大约_60°C下具有高韧性的新型高强度钢管。

发明内容
本发明的实施方式涉及钢管或管及其制造方法。在一些实施方式中，用于立管和管线用管的无缝淬火和回火钢管被设置成具有8-35mm之间的壁厚(WT)，分别为70ksi、80ksi和90ksi的最小屈服强度,最佳低温韧性和抗腐蚀性(酸性使用，H2S环境)。该无缝管还适于通过导热弯曲和离线淬火和回火处理形成相同等级的弯曲部分。在一种实施方式中，钢管具有6" (152mm)到28" (711mm)之间的外径(OD)以及8_35mm的壁厚(WT)。
在一种实施方式中，无缝低合金钢管的组合物包括(按重量计)0· 05% -O. 16%碳，O. 20 % -O. 90 % 锰，O. 10 % -O. 50 % 硅，I. 20 % -2. 60 % 铬，O. 05 % -O. 50 % 镍，O. 80% -I. 20%钥，最大 O. 03%铌，最大 O. 02%It,O. 005% -O. 12%钒，O. 008% -O. 040%铝，O. 0030-0. 012%氮，最大 O. 3%铜，最大 O. 01%硫，最大 O. 02%磷，O. 001-0. 005%钙，最大O. 0020%硼，最大O. 020%神，最大O. 0050%锑，最大O. 020 %大O. 030%锆，最大O. 030%钽，最大O. 0050%铋，最大O. 0030%氧，最大O. 00030%氢，其余为铁和不可避免的杂质。钢管可以被制成不同的等级。在一种实施方式中，70ksi等级的钢管具有以下性倉泛屈服强度YS :最小 485MPa(70ksi)，最大 635MPa(92ksi)。极限抗拉强度UTS :最小 570MPa(83ksi)，最大 760MPa(110ksi)。伸长率不小于20%。YS/UTS 比率不大于 O. 93。在另ー实施方式中，80ksi等级的钢管具有以下性能屈服强度YS :最小 555MPa(80ksi)，最大 705MPa(102ksi)。极限抗拉强度UTS :最小 625MPa (90ksi)，最大 825MPa (120ksi)。伸长率不小于20%。YS/UTS 比率不大于 O. 93。在另ー实施方式中，90ksi等级的钢管具有以下性能屈服强度YS :最小 625MPa(90ksi)，最大 775MPa(112ksi)。极限抗拉强度UTS :最小 695MPa (IOOksi)，最大 915MPa (133ksi)。伸长率不小于18%。YS/UTS 比率不大于 O. 95。对于根据标准ISO 148-1在大约_70°C温度下完成的纵向和横向CharpyV形切ロ(CVN)测试来说，钢管可以具有最小250J/200J (平均/单个)的最小冲击能量和最小80%的平均剪切面积。在一种实施方式中，80ksi等级的管可以具有最大248HV10的硬度。在另ー实施方式中，90ksi等级的管可以具有最大270HV10的硬度。根据本发明的实施方式制成的钢管可以具有抗氢致破裂(HIC)性能和抗硫化物应カ腐蚀破裂(SSC)性能。在一种实施方式中，采用NACE方案A和96小时测试周期根据NACE标准TM0284-2003第21215项完成HIC测试，提供以下HIC參数(平均在三个样本的三段上)裂纹长度比率，彡CLR 5%裂纹厚度比率，彡CTR I %裂纹灵敏度比率，彡CSR O. 2 %。在另ー实施方式中，采用测试方案A和720小时的测试周期根据NACETM0177完成SSC测试，对于70ksi和80ksi等级来说在90% SMYS下没有任何失效，对于90ksi等级来说在72% SMYS下没有任何失效。根据本发明的某些实施方式制成的钢管具有不包含任何铁素体、任何上贝氏体和任何粒状贝氏体的微观结构。它们可以由体积百分比大于60%、优选大于90%、最优选大于95% (根据ASTM E562-08測定)的回火马氏体和体积百分比小于40%、优选小于10%、最优选小于5%的回火下贝氏体构成。马氏体和贝氏体可以在以900°C -1060°C温度重新加热达到300s-3600s均热时间以及以大于20°C /秒的冷却速率进行淬火之后分别在低于450°C和540°C的温度下形成。通过ASTM E112标准测定的平均原奥氏体晶粒度大于15 μ m或20 μ m(直线截距)且小于100 μ m。 在另ー些实施方式中，回火后钢管的板条束(Packet)尺寸(也就是由大角度边界分隔的区域的平均尺寸)可以小于6μπι。在另ー些实施方式中，板条束尺寸可以小于大约4μπι。在其他实施方式中，板条束尺寸可以小于大约3μπι。板条束尺寸作为在由扫描电子显微镜(SEM)截取的图像上的平均直线截距可以利用电子后扫描衍射(EBSD)信号进行测量，大角度边界被认为是错向大于45°的边界。在另外的实施方式中，回火后的钢管可以存在细和粗沉淀物。细沉淀物可以是MX、M2X形式的，其中M是钒、钥、铌或铬而X是碳或氮。细沉淀物的平均直径可以小于大约40nm。粗沉淀物可以是M3C、M6C、M23C6形式的。粗沉淀物的平均直径可以在大约80nm到大约400nm的范围内。可以采用萃取复型法通过透射电子显微镜(TEM)检查沉淀物。在一种实施方式中，提供ー种钢管。该钢管包括钢组合物，钢组合物具有重量百分比大约O. 05 % -大约O. 16 %的碳；重量百分比大约O. 20 % -大约O. 90 %的锰；重量百分比大约O. 10 % -大约O. 50 %的硅；重量百分比大约I. 20% -大约2. 60%的铬；重量百分比大约O. 05 % -大约O. 50 %的镍；重量百分比大约O. 80% -大约I. 20%的钥；重量百分比大约O. 005% -大约O. 12%的钒；重量百分比大约O. 008% -大约O. 04%的铝；重量百分比大约O. 0030% -大约O. 0120%的氮；以及重量百分比大约O. 0010% -大约O. 005%的钙。所述钢管的壁厚可以大于或等于大约8mm且小于大约35mm。钢管可以被加工成具有大于大约70ksi的屈服強度并且钢管的微观结构可以包括体积百分比大于或等于大约60%的马氏体和体积百分比小于或等于大约40%的下贝氏体。在另ー实施方式中，提供一种制造钢管的方法。该方法包括提供具有钢组合物的钢(例如低合金钢)。该方法还包括将钢制成具有大于或等于大约8mm且小于大约35mm的壁厚的管。该方法另外包括在第一加热操作中将成形的钢管加热到大约900°C到大约1060°C的温度范围内。该方法还包括以大于或等于大约20°C /秒的冷却速率对成形的钢管进行淬火，其中得到淬火的钢管的微观结构是大于或等于大约60%体积的马氏体和小于或等于大约40%体积的下贝氏体，并具有通过ASTM El 12测定的大于大约15 μ m平均原奥氏体晶粒度。该方法另外包括在大约680°C到大约760°C的温度范围内对得到淬火的钢管进行回火；回火后的钢管具有大于大约70ksi的屈服強度和大约-70°C温度下大于或等于大约150J/cm2的平均CharpyV形切ロ能量。在其他实施方式中，钢管的平均CharpyV形切ロ能量在大约_7(TC温度下大于或等于大约250J/cm2。在种实施方式中，提供ー种80ksi等级的无缝钢管。该钢管包括钢组合物，其包括重量百分比O. 10% -O. 13%的碳；重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰； 重量百分比O. 20%-O. 35%的硅；重量百分比I. 9%-2. 3%的铬；重量百分比O. 9% -I. 1%的钥；重量百分比O. 001%-O. 005%的钙；重量百分比O. 05 % -O. 07 %的钒；以及重量百分比O. 010%-O. 020%的铝。钢管的壁厚可以大于或等于大约8mm且小于或等于大约35mm。钢管可以通过热轧制得到加工，之后被冷却到室温、加热到大约900°C或以上的温度、以大于或等于40°C /秒的冷却速率进行淬火、以及在大约680°C到大约760°C的温度范围内进行回火，从而形成具有大约20 μ m到大约80 μ m的原(prior)奥氏体晶粒度、大约3 μ m到大约6 μ m的板条束尺寸、体积大约90%或更多的马氏体和体积大约10%或更少的下贝氏体组成的微观结构。钢管可以具有大约80ksi到大约102ksi之间的屈服强度(YS)、大约90ksi到大约120ksi之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于大约20%的伸长率和不大于大约O. 93的YS/UTS比率。在另ー实施方式中，提供ー种90ksi等级的无缝钢管。该钢管包括钢组合物，其包括重量百分比O. 10% -O. 13%的碳； 重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰；重量百分比O. 20 % -O. 35 %的硅；重量百分比I. 9%-2. 3%的铬；重量百分比O. 9% -I. 1%的钥；重量百分比O. 001%-O. 005%的钙；重量百分比O. 05%-O. 07%的钒；以及重量百分比O. 010%-O. 020%的铝。钢管的壁厚可以大于或等于大约8mm且小于或等于大约35mm。钢管可以通过热轧制得到加工，之后被冷却到室温、加热到大约900°C或以上的温度、以大于或等于大约200C /秒的冷却速率进行淬火、以及在大约680°C到大约760°C的温度范围内进行回火，从而形成具有大约20 μ m到大约60 μ m的原(prior)奥氏体晶粒度、大约2 μ m到大约6 μ m的板条束尺寸、大约95%体积或更多的马氏体和5%体积或更少的下贝氏体组成的微观结构。钢管可以具有大约90ksi到大约112ksi之间的屈服強度(YS)、大约IOOksi到大约133ksi之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于大约18%的伸长率和不大于大约O. 95的YS/UTS比率。在另ー种实施方式中，提供ー种70ksi等级的无缝钢管。该钢管包括
钢组合物，其包括重量百分比O. 10% -O. 13%的碳；重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰；重量百分比O. 20 % -O. 35 %的硅；重量百分比2. O % -2. 5 %的铬；重量百分比O. 9%-I. I %的钥；以及重量百分比O. 001%-O. 005%的钙；钢管的壁厚可以大于或等于大约8mm且小于或等于大约35mm。钢管可以通过热轧制得到加工，之后被冷却到室温、加热到大约900°C或以上的温度、以大于或等于大约200C /秒的冷却速率进行淬火、以及在大约680°C到大约760°C的温度范围内进行回火，从而形成具有大约20 μ m到大约100 μ m的原(prior)奥氏体晶粒度、大约4 μ m到大约6 μ m的板条束尺寸、大约60%体积或更多的马氏体和体积40%大约或更少的下贝氏体组成的微观结构。钢管可以具有大约70ksi到大约92ksi之间的屈服強度(YS)、大约83ksi到大约IlOksi之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于大约18%的伸长率和不大于大约O. 93的YS/UTS比率。


从以下结合附图的描述中将会清楚地了解到本发明的其他特征和优点。图I是说明制造钢管的方法的一种实施方式的示意流程图；图2是对本发明钢的实施方式实施连续冷却变态(CCT)的曲线图；图3是根据公开的实施方式采用大约600s持续时间形成的淬火状态管的光学显微照片。对管进行蚀刻以使其具有原奥氏体晶界；图4A和图4B是根据公开的实施方式采用大约2400s持续时间形成的淬火和回火状态管的光学显微照片。对管进行蚀刻以使其具有原奥氏体晶界。图4A放大200倍；图4B放大1000倍；图5是采用电子后分散衍射(EBSD)信号通过扫描电子显微镜(SEM)截取的显微照片，显示边界在图4所示的管的大约中壁上具有低和高错向；图6是显示根据公开的实施方式形成的钢边界具有大于大约45°的错向角度的截取分布的线图；以及图7是在实施例3的对比实例的淬火状态管的大约中壁处的光学显微照片。
具体实施例方式本发明的实施方式提供钢组合物，采用钢组合物形成的管形杆件(例如管)以及相应的制造方法。管形杆件例如可被用作在油气エ业中使用的管线用管和立管。在某些实施方式中，管形杆件可以具有大于或等于大约8_且小于大约35_的壁厚以及马氏体和下贝氏体微观结构，而不具有大量的铁素体、上贝氏体或粒状贝氏体。如此形成，管形杆件可以具有大约70ksi、80ksi和大约90ksi的最小屈服强度。在其他实施方式中，管形杆件可以具有低温下的良好韧性以及抗硫化物应カ腐蚀破裂(SSC)和氢致破裂(HIC)性能，从而能够在酸性使用环境中采用这些管形杆件。然而，可以认识到，管形杆件包括由本发明实施方式形成的一个实施例的制造部件，而绝不应该理解为限制所公开的实施方式的应用。在此采用的术语“杆件”是ー个广义词，包括其普通的字面含义，还指的是大体上空的细长元件，该元件可以是直的或具有弯曲或曲线并被形成为预定形状，以及将成形的管形杆件固定在其预定位置所需的任何附加成形件。杆件可以是管形的，具有基本上圆形的外表面和内表面，尽管如此同样可以想到其他形状和横截面。在此采用的术语“管形”指的是任何细长的空的形状，而无需是圆形或圆柱形。在此采用的术语“大致”、“大约”和“基本上”表示量值接近规定量值，仍然可以实现所需功能或获得所需結果。例如，术语“大致”、“大约”和“基本上”指的是量值处于规定量值的小于10%、小于5%、小于I %、小于O. I %和小于O. 01 %的范围内。在此采用的术语“室温”具有本领域技术人员已知的普通含义并且可以包括处于大约16°C (60° F)到大约32°C (90° F)范围内的温度。
本发明的实施方式包括低合金碳钢管及其制造方法。将在下文更详尽描述的是，通过钢组合物和热处理的结合，可以获得对大壁厚管(例如WT大于或等于大约8mm且小于35mm)所关注的选定机械性能有利的微观结构，包括最小屈服強度、韧性、硬度和抗腐蚀性中的ー个或多个。本发明的钢组合物可以不仅包括碳(C)，而且包括锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钥(Mo)、钒(V)、铝(Al)、氮(N)和钙(Ca)。另外，可以选择性包括和/或添加以下成分中的ー种或多种鹤(W)、银(Nb)、钛(Ti)、硼(B)、错(Zr)和钽(Ta)。组合物的其余组分可以包括铁(Fe)和杂质。在某些实施方式中，杂质的浓度可以降到尽可能低的值。杂质的实施方式可以包括但不局限于铜(Cu)、硫⑶、磷⑵、神(As)、锑(Sb)、锡(Sn)、铋(Bi)、氧(O)和氢⑶。例如低合金钢组合物可以包括(以重量百分比表示，除非另有说明)在大约O. 05%到大约O. 16%范围内的碳；在大约O. 20%到大约O. 90%范围内的锰；在大约O. 10%到大约O. 50%范围内的硅；在大约I. 20%到大约2. 60%范围内的铬；在大约O. 050%到大约O. 50%范围内的镍；在大约O. 80%到大约I. 20%范围内的钥；小于或等于大约O. 08%的钨；小于或等于大约O. 030%的铌；小于或等于大约O. 020%的钛；在大约O. 005%到大约O. 12%范围内的钒；在大约O. 008%到大约O. 040%范围内的铝；在大约O. 0030%到大约O. 012%范围内的氮；小于或等于大约O. 3%的铜；小于或等于大约O. 01%的硫；小于或等于大约O. 02%的磷；在大约O. 001%到大约O. 005%范围内的钙；小于或等于大约O. 0020%的硼；
小于或等于大约O. 020%的砷；小于或等于大约O. 005%的锑；小于或等于大约O. 020%的锡；小于或等于大约O. 030%的锆；小于或等于大约O. 030%的钽；小于大约O. 0050%的铋；小于大约O. 0030%的氧；小于或等于大约O. 00030%的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。热处理操作可以包括淬火和回火(Q+T)。淬火操作可以包括在热成形之后将管从大约室温重新加热到使管奥氏体化的温度，之后进行快速淬火。例如，管可以被加热到大约900°C到大约1060°C范围内的温度并在大约奥氏体化温度下保持选定的均热时间。在淬火过程中的冷却速率被选定为在大约管的中壁处实现选定的冷却速率。例如，管可以得到冷却以在中壁处获得大于或等于大约20°C /秒的冷却速率。在其他实施方式中，冷却速率可以大于或等于大约40°C /秒，这一点将在下文得到详细描述。WT大于或等于大约8mm且小于35mm的淬火管以及上述组合物可以促进在管内形成体积百分比大于大约60%、优选大于大约90%、更优选大于大约95%的马氏体。在某些实施方式中，管的其余微观结构可以包括下贝氏体，基本上不具有任何铁素体、上贝氏体或粒状贝氏体。在其他实施方式中，管的微观结构可以包括基本上100%的马氏体。淬火操作之后，管可以进ー步经历回火。根据钢的组合物以及目标屈服強度，可以在大约680°C到大约760°C的温度范围内实施回火。除了马氏体和下贝氏体之外，微观结构还可以具有根据ASTM E112测定的大约15 μ m到大约100 μ m的平均原奥氏体晶粒度。微观结构还可以具有小于或等于大约6 μ m、优选小于或等于大约4 μ m、更优选小于或等于大约3 μ m的平均板条束尺寸。微观结构还可以具有平均直径小于或等于40nm的MX、M2X形式的细沉淀物以及平均直径在大约80到大约400nm范围内的M3C、M6C和M23C6形式的粗沉淀物，其中M为钒、钥、铌、铬，X为碳或氮。在一种实施方式中，WT大于或等于大约8mm且小于大约35mm、具有上述组合物和微观结构的钢管可以具有以下特性最小屈服强度(YS)=大约70ksi(485MPa)最大屈服強度=大约102ksi (705MPa)最小极限抗拉强度(UTS)=大约90ksi(625MPa)最大极限抗拉强度=大约120ksi (825MPa)破坏伸长率=大于大约20%YS/UTS =小于或等于大约O. 93在另ー实施方式中，WT大于或等于大约8mm且小于大约35mm、具有上述组合物和微观结构的钢管可以具有以下特性最小屈服强度(YS)=大约80ksi(550MPa)最大屈服強度=大约102ksi (705MPa)最小极限抗拉强度(UTS)=大约90ksi(625MPa)
最大极限抗拉强度=大约120ksi (825MPa)破坏伸长率=大于大约20%YS/UTS =小于或等于大约O. 93在另ー实施方式中，WT大于或等于大约8mm且小于大约35mm的钢管被形成为具有以下特性最小屈服强度(YS)=大约90ksi(625MPa)
最大屈服強度=大约112ksi(775MPa)最小极限抗拉强度(UTS)=大约IOOksi (695MPa)最大极限抗拉强度=大约133ksi(915MPa)破坏伸长率=大于大约18%YS/UTS =小于或等于大约O. 95在上述每种实施方式中，所形成的管还可以具有以下冲击和硬度特性最小冲击能量(在大约_70°C下的平均/单个值)=大约250J/ 大约 200J (对应 70ksi 和 80ksi 等级)=大约150J/大约100J(对应90ksi等级)平均剪切面积(在大约_70°C下的CVN ；IS0 148-1)=大约80%最小硬度=大约248HV10最大(对应70ksi和80ksi等级)=大约27OHVlO最大(对应9Oksi等级)在以上每种实施方式中，所形成的管还可以具有以下抗硫化物应カ腐蚀(SSC)破裂和氢致破裂(HIC)性能。根据NACE TM 0177采用方案A以大约720小时的测试时间实施SSC测试。根据NACE TM 0284-2003第21215项采用NACE方案A以96小时的测试时间实施HIC测试。HIC 裂纹长度比率，CLR =小于或等于5%裂纹厚度比率，CTR =小于或等于I %裂纹灵敏度比率，CSR =小于或等于0.2%SSC 在90%额定最小屈服应カ下的疲劳时间=大于大约720小时(对应70ksi和80ksi等级)在72%额定最小屈服应カ下的疲劳时间=大于大约720小时(对应90ksi等级)參照图1，示出了用于制造管形杆件的方法100的一种实施方式的流程图。方法100包括炼钢操作102、热形成操作104、可以包括奥氏体化106A、淬火106B、回火106C的热处理操作106、以及精加工操作110。可以认识到，方法100可以包括更多或更少的操作并且这些操作可以根据需要按与图I所示不同的次序完成。方法100的操作102优选包括钢的制造以及能够被冲孔和轧制以形成金属管形杆件的实心金属坯料的生产。在另ー实施方式中，可以采用选定的钢屑、铸铁和海绵铁制备钢组合物所用的原料。然而可以认识到，可以采用其他铁和/或钢源制备钢组合物。初级炼钢可以采用电弧炉熔钢、降低磷和其他杂质并达到选定温度的方式完成。还可以完成出钢、脱氧和合金元素的添加。
炼钢过程的主要目的之一是通过去除杂质精炼铁。特别地，硫化物和磷对钢不利，因为它们使钢的机械性能变差。在一种实施方式中，初级炼钢之后在钢包炉中和切边台上完成次级炼钢以执行特定的浄化步骤。
在这些操作过程中，在钢内会产生非常低的硫化物含量，完成掺钙处理并完成内含物浮选。在一种实施方式中，通过在钢包炉中吹入惰性气体迫使内含物和杂质浮动来完成内含物浮选。这ーエ艺产生能够吸收杂质和内含物流动熔渣。这样，可以提供具有所需组合物且内含物含量低的高质量钢。表I表示钢组合物的实施方式(以重量百分比(wt. % )表示，除非另有说明)。表I钢组合物范围
组合物范围
Γ 一般Γ 更优选 最优选
元素最小最大最小最大最小最大 碳0.05 0.16 0.07 0.14 0.08 0.12
锰0.20 0.90 0.30 0.60 0.30 0.50
鞋0.10 0.50 0.10 0.40 0.10 0.25
格1.20 2.60 1.80 2.50 2.10 2.40
泉0.05 0.50 0.05 0.20 0.05 0.20
钥0.80 1.20 0.90 1.10 0.951.10
鹤0.00 0.80 0.00 0.60 0.00 0.30
尼 0.000 0.030 0.000 0.015 0.000 0.010 钦 0.000 0.020 0.000 0.010 0.000 0.010 H 0.005 0.12 0.050 0.10 0.050 0.07 招0.008 0.040 0.010 0.030 0.015 0.025
氣 0.0030 0.0120 0.0030 0.0100 0.0030 0.0080 铜0.00 0.30 0.00 0.20 0.00 0.15
硫0.000 0.010 0.000 0.005 0.000 0.003
憐 0.000 0.020 0.000 0.012 0.000 0.010 1 0.0010 0.0050 0.0010 0.0030 0.0015 0.0030 棚 0.0000 0.0020 0.0005 0.0012 0.0008 0.0014 石申0.000 0.020 0.000 0.015 0.000 0.015
铺 0.0000 0.0050 0.0000 0.0050 0.0000 0.0050 锡 0.000 0.020 0.000 0.015 0.000 0.015 错 0.000 0.030 0.000 0.015 0.000 0.010 钮0.000 0.030 0.000 0.015 0.000 0.010
% 0.0000 0.0050 0.0000 0.0050 0.0000 0.0050 氧0.000 0.0030 0.000 0.0020 0.000 0.0015
氯 1= 0.0000 1:0.00030 J 0.0000 J 0.00025 ] 0.0 { 0.00020
碳(C)是添加到钢组合物中以低成本提高钢的強度、精制微观结构从而降低变态温度的元素。在一种实施方式中，如果钢组合物的碳含量小于大约O. 05%，则在ー些实施方式中难以获得制造物料尤其是管形产品所需的强度。另ー方面，在其他实施方式中，如果钢组合物具有大于大约O. 16%的碳含量，则在ー些实施方式中韧性会减弱，并且可焊性降低，从而在不通过螺纹接头实现连接的情况下使任何焊接过程变得更困难且成本更高。另外，高可淬性钢发生淬火破裂的危险随着碳含量的提高而増大。因此，在一种实施方式中，钢组合物的碳含量可以选定在大约O. 05%到大约O. 16%、优选在大约O. 07%到大约O. 14%、更优选在大约O. 08%到大约O. 12%的范围内。锰(Mn)是添加到钢组合物中对提高钢的可淬性、強度和韧性产生影响的元素。在一种实施方式中，如果钢组合物的锰含量小于大约O. 20%，则在ー些实施方式中难以获得所需强度的钢。然而，在另ー实施方式中，如果锰含量超过大约O. 90%，则在ー些实施方式中，帯状结构变得明显，并且韧性和抗HIC/SSC性能会下降。因此，在一种实施方式中，钢组合物的锰含量可以选定在大约O. 20%到大约O. 90%、优选在大约O. 30%到大约O. 60%、更优选在大约O. 30%到大约O. 50%的范围内。
硅(Si)是添加到钢组合物中可以在炼钢过程中具有脱氧效果并且还可以提高钢强度(例如固溶強化)的元素。在一种实施方式中，如果钢组合物的硅含量小于大约O. 10%，则在ー些实施方式中，在炼钢过程中钢脱氧效果变差并表现出大量的微内含物。在另ー实施方式中，如果钢组合物的硅含量超过大约O. 50%，则在ー些实施方式中钢的韧性和可成形性都会下降。钢组合物内的硅含量高于大约O. 5%也被公认为在高温(例如大于大约1000°C的温度)下的氧化性气氛中处理钢时对表面质量具有不利影响，因为表面氧化物(氧化皮)粘着因铁橄榄石的形成而增加并且表面缺陷的危险増大。因此，在一种实施方式中，钢组合物的硅含量可以选定在大约O. 10%到大约O. 50%、优选大约O. 10%到大约O. 40%、更优选大约O. 10%到大约O. 25%的范围内。铬(Cr)是添加到钢组合物中可以提高可淬性、降低变态温度以及提高钢的抗回火性的元素。因此铬添加到钢组合物中是获得高強度和韧性值所要求的。在一种实施方式中，如果钢组合物的铬含量小于大约I. 2%，则在ー些实施方式中难以获得所需的强度和韧性。在另ー实施方式中，如果钢组合物的铬含量超过大约2.6%，则在ー些实施方式中会导致成本过大并且韧性会因粗碳化物过多沉淀在晶界处而降低。另外，制成的钢的可焊性可能下降，从而在不通过螺纹接头实现连接时使焊接过程更加困难且成本加大。因此，在ー种实施方式中，钢组合物的铬含量可以选定在大约I. 2%到大约2.6%、优选大约I. 8%到大约2. 5 %、更优选大约2. I %到大约2. 4 %的范围内。镍是添加到钢组合物中可以提高钢的强度和韧性的元素。然而，在一种实施方式中，当镍添加超过大约O. 5%时，可以观察到对氧化皮粘着的不利影响，从而导致表面缺陷形成的危险性増大。同样，在其他实施方式中，钢组合物中镍含量大于大约1%被公认为对硫化物应カ腐蚀破裂具有不利影响。因此，在一种实施方式中，钢组合物的镍含量可以在大约O. 05%到大约O. 5%，更优选在大约O. 05%到大约O. 2%的范围内变化。钥(Mo)是添加到钢组合物中可以通过固溶和细沉淀提高可淬性和硬化性能的元素。钥有助于抑制回火过程中的软化，促进非常细的MC和M2C沉淀物的形成。这些颗粒基本上均匀地分布在基体中并且也可以作为有利的氢捕集物，从而使原子氢通常在作为破裂成核位置的晶界处向危险捕集物的扩散减慢。钥还降低了磷与晶界的分离，从而提高了抗晶间断裂性能，因为耐受氢脆的高強度钢表现出晶间断裂的表面形态，所以钥还对抗SSC性能产生有利影响。因此，通过增加钢组合物的钥含量，可以在更高的退火温度下获得所需的强度，从而产生更好的韧性量级。在一种实施方式中，为了发挥其效果，钢组合物的钥含量可以大于或等于大约O. 80%。然而，在其他实施方式中，当钢组合物中的钥含量高于大约I. 2%时，可淬性的饱和效应变得显著并且可焊性会下降。在一种实施方式中，因为钥铁合金成本较大，所以钢组合物的钥含量可以选定在大约O. 8%到大约I. 2%，优选在大约O. 9%到大约I. I %、更优选在大约O. 95%到大约I. I %的范围内。
钨(W)是可选择添加到钢组合物中并可以通过形成产生二次硬化的碳化钨来提高室温和高温下的強度的元素。当在高温下需要使用钢时，优选添加钨。就可淬性来说，钨的性能与钥的性能类似，但其作用大约是钥的一半。钨减少了钢氧化，因此在高温下的重新加热过程中形成更少的氧化皮。然而，因为其成本非常高，所以在一种实施方式中，钢组合物的钨含量可以选定为小于或等于大约O. 8%。铌(Nb)是可选择地添加到钢组合物中并且可以形成碳化物和氮化物并进一歩被用于在淬火之前的热轧制和重新加热过程中精制奥氏体晶粒度的元素。然而在目前的钢组合物实施方式中不需要利用铌来精制奥氏体晶粒，因为当通过其他化学元素(例如铬、钥和碳)的适当平衡引起低变态温度时，即使对于粗奥氏体晶粒也可以形成占主导地位的马氏体结构以及形成细板条束(fine packet)。作为碳氮化合物的铌沉淀物可以通过颗粒弥散硬化提高钢強度。这些细且圆的颗粒可以基本上均匀地分布在基体中并且也作为氢捕集物，从而使原子氢通常在作为破裂成核位置的晶界处向危险捕集物的扩散减慢。在一种实施方式中，如果钢组合物的铌含量大于大约O. 030%，则会形成有损韧性的粗沉淀物分布。因此，在一种实施方式中，钢组合物的铌含量可以选定为小于或等于大约O. 030%，优选小于或等于大约O. 015%，更优选小于或等于大约O. 01%。钛(Ti)是可选择地添加到钢组合物中并且可以在高温过程中提供以精制奥氏体晶粒度从而形成氮化物和碳化物的元素。然而，在本发明钢组合物的实施方式中不需要钛，除了在其被用于保护保留在固溶液中的硼从而提高可淬性的情况下，特别是对于具有大于25mm壁厚的管。例如，钛结合氮并避免BN形成。另外，在某些实施方式中，当存在的钛的浓度大于大约O. 02%时，会形成有损韧性的粗氮化钛颗粒。因而，在一种实施方式中，钢组合物的钛含量可以小于或等于大约O. 02%，更优选在硼低于大约O. 0010%时可以小于或等于大约O. 01%。钒(V)是添加到钢组合物中可以通过淬火过程中的碳氮化合物沉积提高強度的元素。这些细且圆的颗粒也可以基本上均匀地分布在基体内并作为有利的氢捕集物。在一种实施方式中，如果钒含量小于大约O. 05%，则在ー些实施方式中难以获得所需强度。然而，在另ー实施方式中，如果钢组合物的钒含量大于O. 12%，则会形成大量碳化钒颗粒，随之导致韧性下降。因此，在某些实施方式中，钢组合物的铌含量可以选定为小于或等于大约O. 12%,优选在大约O. 05 %到大约O. 10 %的范围内，更优选在大约O. 05 %到大约O. 07 %的范围内。铝(Al)是添加到钢组合物中在炼钢过程中具有除氧效果并且可以精制钢晶粒的元素。在一种实施方式中，如果钢组合物的铝含量大于大约O. 040%，则会形成有损韧性的氮化铝粗颗粒和/或有损HIC和抗SSC的富铝氧化物(例如非金属内含物)。因而，在ー种实施方式中，钢组合物的铝含量可以选定为小于或等于大约O. 04%，优选小于或等于大约O. 03%,更优选小于或等于大约O. 025%。氮(N)是钢组合物中含量在一种实施方式中优选选定为大于或等于大约O. 0030%以形成钒、铌、钥和钛的碳氮化合物的元素。然而，在其他实施方式中，如果钢组合物的氮含量超过大约O. 0120%，则钢的韧性会受到削弱。因此，钢组合物的氮含量可以 选定在大约O. 0030%到大约O. 0120%、优选在大约O. 0030%到大约O. 0100%、更优选在O. 0030%到大约O. 0080%的范围内。铜(Cu)是在钢组合物的实施方式中不需要的杂质元素。然而，根据制造エ艺，铜的存在是不可避免的。因此，钢组合物的铜含量可以被限定为尽可能的低。例如，在ー种实施方式中，钢组合物的铜含量可以小于或等于大约O. 3%、优选小于或等于大约O. 20%、更优选小于或等于大约O. 15%。硫(S)是降低钢的韧性和可加工性以及抗HIC/SSC性能的杂质元素。因而，在一些实施方式中，钢组合物的硫含量应保持尽可能低。例如，在一种实施方式中，钢组合物的硫含量可以小于或等于大约O. 01%、优选小于或等于大约O. 005%、更优选小于或等于大约 O. 003% ο磷(P)是会导致高強度钢的韧性和抗HIC/SSC性能下降的杂质元素。因而，在一些实施方式中，钢组合物的磷含量应保持尽可能低。例如，在一种实施方式中，钢组合物的磷含量可以小于或等于大约O. 02%、优选小于或等于大约O. 012%、更优选小于或等于大约 O. 010%。钙(Ca)是添加到钢组合物中通过形成细的和基本上圆的硫化物有助于控制内含物的形状并增强抗HIC性能的元素。在一种实施方式中，为了提供这些优点，当钢组合物的硫化物含量大于大约O. 0020%时，钢组合物的钙含量可以选定为大于或等于大约O. 0010%。然而，在其他实施方式中，如果钢组合物的钙含量超过大约O. 0050%，则钙添加物的效果会饱和并且形成富钙非金属内含物团从而降低抗HIC和SSC性能的危险会増大。因而，在某些实施方式中，钢组合物的最大钙含量可以选定为小于或等于大约O. 0050%、更优选小于或等于大约O. 0030%，同时最小钙含量可以选定为大于或等于大约O. 0010%、最优选大于或等于大约O. 0015%。硼(B)是可选择地添加到钢组合物中并且可以被提供用于提高钢的可淬性的元素。硼可被用于抑制铁素体形成。在一种实施方式中，钢组合物中提供这些有益效果的硼含量的下限可以是大约O. 0005%，同时这些有益效果在硼含量大于大约O. 0020%时达到饱和。因此，在选定实施方式中，钢组合物的硼含量可以在大约O到O. 0020%、更优选在大约O. 0005%到大约O. 0012%、最优选在大约O. 0008%到大约O. 0014%的范围内变化。神(As)、锡(Sn)、锑(Sb)和铋(Bi)是在钢组合物的实施方式中不需要的杂质元素。然而，根据制造エ艺，这些杂质元素的存在是不可避免的。因此，钢组合物中的砷和锡含量可以选定为小于或等于大约O. 020%、更优选小于或等于大约O. 015%。锑和铋含量可以选定为小于或等于大约O. 0050%。锆(Zr)和钽(Ta)作为与铌和钛类似的强碳化物和氮化物生成元素。这些元素可选择地添加到钢组合物中，因为它们在本发明钢组合物的实施方式中不需要被用于精制奥氏体晶粒。锆和钽细碳氮氧化物可以通过颗粒弥散硬化提高钢強度并还可以作为有利的氢捕集物，从而使原子氢向危险捕集物的扩散减慢。在一种实施方式中，如果锆或钽含量大于或等于大约O. 030%，则会形成有损钢韧性的粗沉淀物分布。锆还作为钢中的脱氧元素并与硫化物结合，然而，为了添加到钢中以促进球状非金属内含物的形成，钙是优选的。因此，钢组合物中锆和钽含量可以选定为小于或等于大约O. 03%。钢组合物中的总氧含量是可溶氧和非金属内含物(氧化物)中的氧的总和。因为其实际上是得到完全脱氧的钢中的氧化物中的氧含量，所以氧含量太高意味着大量非金属内含物以及更差的抗HIC和SSC性能。因而，在一种实施方式中，钢的氧含量可以选定为小于或等于大约O. 0030%、优选小于或等于大约O. 0020%、更优选小于或等于大约O. 0015%。在产生具有上述组合物的流动熔渣之后，钢被铸造成沿钢轴线具有基本上均匀直 径的圆实心钢坯。例如,可以通过这种方式生成直径在大约330mm到大约420mm范围内的圆钢还。由此制成的钢坯可以通过热成形过程104被制成管形杆件。在一种实施方式中，纯净钢的实心圆柱形钢坯可以被加热到大约1200°C到1340°C、优选大约1280°C的温度。例如，钢坯可以通过回转底炉得到重新加热。钢坯进ー步经过轧钢机。在某些优选实施方式中利用Manessmann过程使钢坯在轧钢机内得到冲压，采用热轧制显著减小管的外径和壁厚，同时明显增加长度。在某些实施方式中，Manessmann过程可以在大约1200°C到大约1280°C的温度范围内完成。所获得的空心杆件在限动芯棒连轧管机上在大约1000°C到大约1200°C的温度范围内进ー步得到热轧制。通过定径机执行精确定径并利用冷床将无缝管在空气中冷却到大约室温。例如，可以通过这种方式形成外径(OD)在大约6英寸到大约16英寸范围内的管。轧制后，通过使温度更均匀的中间炉使管得到在线加热，而无需在室温下冷却，并且可以通过定径机执行精确定径。之后，无缝管在冷床上的空气中被冷却到室温。在管具有大于大约16英寸的最終外径的情况下，通过中等尺寸产生的管可以通过回转胀管轧机得到加工。例如，中等尺寸的管可以通过步进式炉被重新加热到大约1150°C到大约1250°C范围内的温度，在大约1100°C到大约1200°C的温度范围内通过胀管轧机被扩张到所需直径，并在最终定径之前得到在线重新加热。在非限制性实施例中，实心杆件按上述方式被热成形为外径在大约6英寸到大约16英寸范围内并且壁厚大于或等于大约8mm且小于大约35mm的管。可以在操作102通过钢组合物确定所形成的管的最终微观结构并在操作106完成热处理。所述组合物和微观结构又可以产生所形成管的特性。在一种实施方式中，马氏体形成可以精制板条束尺寸(通过提供更大抗裂纹扩展性能的大角度晶界分隔的区域的尺寸；错向越大、裂纹穿过边界所需的能量越大)并提高钢管在给定屈服強度下的韧性。增加淬火状态管中的马氏体数量可以进一歩在给定强度等级下采用更高回火温度。在其他实施方式中，通过用马氏体替换淬火状态管中的贝氏体可以在给定回火温度下获得更高強度等级。因此，在一种实施方式中，所述方法的目的是在相对较低的温度(例如奥氏体在小于或等于大约450°C下的变态温度)下获得数量占优的马氏体微观结构。在一种实施方式中，马氏体微观结构可以包括体积百分比大于或等于大约60%的马氏体。在其他实施方式中，马氏体的体积百分比可以大于或等于大约90%。在其他实施方式中，马氏体的体积百分比可以大于或等于大约95%。在另ー实施方式中，可以通过组合物和微观结构提高钢的可淬性(钢在得到淬火时形成马氏体的相对能力)。一方面，添加元素(例如铬和钥)有效降低马氏体和贝氏体的变态温度并提高抗淬火性能。有利地，则可以利用更高的回火温度获得给定的强度等级(例如屈服強度)。另ー方面，相对较粗的奥氏体晶粒度(例如大约15 μ m到大约100 μ m)可以提高可淬性。在另ー实施方式中，可以通过组合物和微观结构提高钢的抗硫化物应カ腐蚀破裂(SSC)性能。一方面，通过增加管内马氏体的含量提高SS C。另ー方面，在非常高的温度下进行回火可以提高管的SSC，这一点将在下文得到更详细的描述。为了在小于或等于大约450°C的温度下促进马氏体形成，钢组合物进ー步可以满足公式1，其中每种元素的数量以重量百分比给出60C% +Mo% +1. 7Cr%> 10公式 I如果淬火之后存在明显数量的贝氏体(例如小于大约40体积％ )，则贝氏体形成的温度应该小于或等于大约540°C以产生相对较细的板条束，而基本上没有任何上贝氏体或粒状贝氏体(贝氏体位错铁素体与高碳马氏体和残留奥氏体岛的混合物)。为了在小于或等于大约540°C的温度下促进贝氏体(例如下贝氏体)形成，钢组合物可以另外满足公式2，其中每种元素的数量以重量百分比给出60C% +41Mo% +34Cr%> 70公式 2图2表示组合物在通过膨胀测定法产生的表I所示范围内的钢的连续冷却变态(CCT)曲线图。图2表示，即使在高铬和钥含量的情况下，为了基本上避免铁素体的形成以及使马氏体体积含量大于或等于大约50%，可以采用大于大约20 μ m的平均奥氏体晶粒度(AGS)和大于或等于大约20°C/秒的冷却速率。此外，为了提供大致100%马氏体的微观结构，可以采用大于或等于大约40°C /秒的冷却速率。特别地，正火(例如奥氏体化之后在静止空气中冷却)不会获得所需的马氏体微观结构，因为对于壁厚在大约8mm到35mm之间的管来说在大约800°C到500°C温度下的常规平均冷却速率低于大约5°C /秒。可以采用水中淬火在大约管中壁处获得所需冷却速率并分别在低于大约450°C和540°C的温度下形成马氏体和下贝氏体。因此，在从热轧制进行空气冷却之后的淬火操作106A中，轧制状态的管可以在炉中得到重新加热和水中淬火。例如，在奥氏体化操作106A的一种实施方式中，可以选定炉的区域温度以使管可以获得误差低于大约+/_20°C的目标奥氏体化温度。目标奥氏体化温度可以选定在大约900°C到大约1060°C范围内。加热速率可以选定在大约O. 1°C/秒到大约0.3°C/秒的范围内。均热时间(从管获得最终目标温度减去大约10°C到出炉的时间)可以选定在大约300s到大约3600s的范围内。奥氏体化温度和持续时间可以根据化学组合物、壁厚和所需奥氏体晶粒度选定。在出炉处，管可以得到去氧化皮操作以去除表面氧化物并被快速移动到水中淬火系统。在淬火操作106B中，可以采用外部和内部冷却在大约管的中壁处获得所需冷却速率(例如大于大约20°C/秒)。如上所述，在该范围内的冷却速率可以促进体积百分比大于大约60%、优选大于大约90%、更优选大于大约95%的马氏体的形成。剩余微观结构可以包括下贝氏体(也就是在低于大约540°C的温度下形成的贝氏体，包括在贝氏体板条内的细沉淀物，对于上贝氏体来说在板条边界处不具有粗沉淀物，其通常形成于高于大约540°C的温度下)。在一种实施方式中，通过将管浸泡在容纳搅拌水的容器中来完成淬火操作106B的水中淬火。管可以在淬火过程中快速旋转以使热传导高且均匀并避免管变形。另外，为了去除在管内产生的水蒸气，也可以采用内喷水。在某些实施方式中，在淬火操作106B过程中水温不高于大约40°C、优选小于大约30°C。在淬火操作106B之后，管可以被引入另ー炉内进行回火操作106C。在某些实施方式中，回火温度可以被选定为足够高以产生相对较低的位错密度基体以及具有基本上圆形形状(也就是球化处理程度更高)的更多碳化物。这种球化处理提高了管的冲击韧性，因为在板条和晶界处的针形碳化物会提供更容易破裂的路径。使马氏体在足够高的温度下回火以产生更多球形、分散的碳化物会提高抗穿晶破裂性能和较佳的抗SSC性能。裂纹扩展在具有大量氢捕集位置的钢中发生的更慢，并且具有球形表面形态的细的分散的沉淀物提供更好的效果。通过形成与带状微观结构相反的包括回火马氏体(例如铁素体-珠光体或铁素体-贝氏体)的微观结构，钢管的抗HIC性能可以得到进ー步提高。在一种实施方式中，回火温度可以根据钢的化学组合物和目标屈服强度选定在大约680°C到大约760°C的范围内。选定的回火温度的误差可以在大约±15°C范围内。管可以以大约O. TC /秒到大约O. 3°C /秒的速率被加热到选定的回火温度。管进ー步可以在大约600s到大约4800s的持续时间范围内保持在选定的回火温度下。特别地，板条束尺寸不受回火操作106C的显著影响。然而，板条束尺寸会随着奥氏体变态的温度的降低而减小。在碳当量低于大约O. 43%的传统低碳钢中，回火贝氏体与当前申请中的回火马氏体(例如小于或等于大约6μ ，例如在大约6μπ 到大约2μπ 的范围内)相比具有更粗的板条束尺寸(例如7-12 μ m)。马氏体板条束尺寸与平均奥氏体晶粒度几乎无关并且即使在平均奥氏体晶粒度相对较粗(例如15 μ m或20 μ m到大约100 μ m)的情况下也可以保持较细(例如平均尺寸小于或等于大约6 μ m)。精加工操作110可以包括但不局限于矫直和弯曲操作。矫直可以在低于大约回火温度且高于大约450°C的温度下完成。在一种实施方式中，可以通过导热弯曲来完成弯曲。导热弯曲是集中在被称为热带的狭窄区域的热变形エ艺，所述狭窄区域由传导线圈(例如加热环)和在待弯曲的结构的外表面上喷水的淬火环来限定。直(母)管从其后部得到推压，同时管的前部被夹持在臂上被迫作圆形轨迹运动。这种压迫在整个结构上引起弯曲运动，但管基本上仅在热带的相应部位发生塑性变形。淬火环因此起到两个同时发生的作用在塑性变形下限定所述区域以及使热弯曲在线淬火。加热和淬火环的直径均比母管的外径(OD)大大约20mm到大约60mm。在管的外表面和内表面处的弯曲温度可以通过高温计得到连续測定。在常规管制造中，在弯曲和在线淬火之后，弯曲部位可以得到消除应カ处理，包括加热和保持弯曲部位到相对较低温度以获得最終机械性能。然而，得到公认的是在精加工操作Iio过程中完成的在线淬火和消除应カ操作会产生与离线淬火和回火操作106B，106C不同的微观结构。因此，在本发明的一种实施方式中，可以与上述操作106B，106C类似地完成离线淬火和回火处理，以使操作106B，106C之后获得的微观结构基本上实现再生。因此，弯曲部位可以在炉中得到重新加热并随后被快速浸入装有搅拌水的淬火容器内，并在炉中得到回火。在某些实施方式中，在水中进行淬火的过程中，管可以旋转并且水可以利用喷嘴流到管内，同时在淬火过程中，弯曲可以得到固定并且不采用任何喷嘴。因此，淬火效果对于弯曲来说略微下降。在其他实施方式中，奥氏体化和回火过程中的加热速率也可以与略微不同，因为可以采用不同性能/生产率的炉子。在一种实施方式中，弯曲和淬火后的回火可以在大约650°C到大约760°C的温度范围内完成。管可以在大约O. 05°C/秒到大约O. 3°C/秒的速率范围内得到加热。在达到获得目标回火温度之后可以采用大约600s到大约3600s范围内的持续时间。图3是表示根据所公开的实施方式形成的淬火状态的管的微观结构的光学显微 照片(2%奈塔尔硝酸こ醇腐蚀液蚀刻)。管的组合物是O. 10%的碳、O. 44%的锰、O. 21%的硅、2. 0% 的铬、O. 93% 的钥、O. 14% 的镍、O. 05% 的钒、O. 01% 的铝、O. 006% 的氮、O. 0011%的钙、O. 011%的磷、O. 003%的硫、O. 14%的铜。管具有大约273mm的外径(OD)和大约13. 9mm的壁厚。如图3所示，淬火状态的管具有主要是马氏体以及ー些下贝氏体的微观结构。基本上没有发现任何铁素体、上贝氏体或粒状贝氏体。当在大约980°C温度下大约600s的短期均热时间里完成奥氏体化时，根据ASTM E112按直线截取测定的淬火状态的管的平均奥氏体晶粒度(AGS)为大致20 μ m。图4A和4B是表示根据所公开的实施方式进行淬火和回火之后管的微观结构的光学显微照片，其中均热时间是大致2400s。图4A表示低放大(例如大约200倍)的光学显微照片，图4B表示高放大(例如大约1000倍)的光学显微照片，显示了在选择蚀刻以露出原奥氏体晶界之后淬火状态管的微观结构。如图4A和4B所示，原奥氏体晶粒度是大的，大约为47μπι，可淬性可以因为大于大约90%体积百分比的马氏体而进ー步提高。特别地，当原奥氏体晶粒度小于或等于大约20 μ m并且马氏体的体积百分比大于大约60%，回火之后，由大角度晶界(也就是板条束尺寸)分隔的区域的平均尺寸大致小于6 μ m。如果在相对较低的温度(例如小于540°C )下形成数量占优的马氏体结构(例如大于大约60%体积的马氏体)并形成下贝氏体，则即使当原奥氏体晶粒变得更大时，淬火和回火之后钢的板条束尺寸也可以保持在大致6 μ m以下。采用电子后扫描衍射(EBSD)信号并考虑到大角度边界具有大于大约45°的错向，板条束尺寸可以作为在由扫描电子显微镜(SEM)截取的图像上的平均直线截距得到测量。在图5中示出了反极点图的实施例，其中表示了边界错向。边界错向小于大约3°被表示为细线，而具有大于大约45°的错向的边界被表示为粗线。通过直线截距方法进行的测量给出了图6所示的分布，尽管原奥氏体晶粒度的平均值为大约47 μ m,但板条束尺寸平均值大约为5 μ m,因为微观结构中的马氏体数量大于大约95%。通过透射电子显微镜(TEM)在得到淬火和回火的管上除了 M3C、M6C、和/或M23C6型且平均直径在大约80nm到大约400nm范围内的粗沉淀物之外,还发现了尺寸小于大约40nm的MX、M2X型细沉淀物(其中当存在时M是钥或铬，或钒、铌、钛，X是碳或氮)。非金属内含物的总体积百分比低于大约O. 05%，优选低于大约O. 04%。尺寸大于大约15 μ m的氧化物检测区域上每平方毫米的内含物数量低于大约O. 4/mm2。基本上仅存在改性圆形硫化物。实施例在以下实施例中，描述采用上述炼钢方法的实施方式形成的钢管的微观结构和机械性能及其冲击。具体地，对于上述组合物和热处理条件的实施方式，检测的微观结构參数 包括奥氏体晶粒度、板条束尺寸、马氏体体积、下贝氏体体积、非金属内含物体积以及大于大约15μπι的内含物。进ー步描述的相应机械性能包括屈服和抗拉强度、硬度、伸长率、韧性和 HIC/SSC。实施例l_80ksi等级的淬火和回火管的机械和微观结构性能研究了表2所示钢的微观结构和机械性能。对于微观结构參数的測量，根据ASTME112測定奥氏体晶粒度(AGS)，采用电子后扫描衍射(EBSD)信号根据在由扫描电子显微镜(SEM)截取的图像上的平均直线截距測定板条束尺寸，根据ASTM E562测定马氏体的体积、下贝氏体的体积，根据ASTM E1245采用光学显微镜检查法通过自动图像分析測定非金属内含物的体积百分比，采用萃取复型法通过透射电子显微镜(TEM)探查沉淀物的存在。对于机械性能，根据ASTM E8測定屈服強度、抗拉强度和伸长率，根据ASTM E92測定硬度，根据IS0148-1在横Charpy (却贝)V形切ロ样本上评估冲击能量，根据BS7488第一部分在大约60°C温度下测定裂纹尖端开ロ距离，采用NACE方案A根据NACE标准TM0284-2003第21215项在96小时测试周期内完成RIC评估，采用测试方案A在大约720小时测试周期内根据NACE TMO177在大约90%规定最小屈服应カ下完成SSC评估。通过电弧炉制造大约90t的熔炼物，在表2中示出了化学组合物的范围。表2实施例I的化学组合物范围
T C Γ Mn [ Si I P I S I: Ni [ Cr l:Mo ] Ca ] V [ Nb [ Ti ] N I: Cu [ Al [ As ] Sb I: Sn I: B Γ H
最
_小 _0.10 0.40 —0.20 _ -__--__1.9 __0.9 ·_0·001 __0.05__-__---__0.010 _--__-__-__- _
最
一大 _0.13 __ .55 _0.35 _ . 15 __ 0.009 _ _ 0.20 _2.3 __ 1.1 __ . 05 __0. 7_ 0.010 一0.01 __0.012 __0.2 _ . 2 _U.02 _ _ 0.0U5 _ _ U.015 _ _ Ο.Ο Ι _ 0.UU3在出渣脱氧和合金添加之后，在钢包炉中和切边台上执行二次冶金操作。在钙处理和真空除气之后，液态钢随后在垂直浇铸机上被连续铸造成直径大致330mm的圆杆件。根据上文针对图I所述的过程，鋳造状态的杆件通过旋转底炉被重新加热到大约1300°C的温度，得到热冲压，空心部位通过限动芯棒多台架轧管机得到热轧制并经过热定径。所制成的无缝管具有大约273. 2mm的外径和大约13. 9mm的壁厚。在表3中记录了在所形成的热轧制状态的无缝管上測定的化学组合物。表3实施例I中无缝管的化学组合物
管「C「Maf Si「P I S 「Ni"! Cr「Mo] Ca「V I Nb「Ti N 「Cu"] Al[ Asl" Sb f Sn「B [H
IO. 10 O. 44 O. 21 O. Oil O. 003 O. 14 2. O O. 93 O. 010 O. 05 O. 004 O. 001 O. 006 O. 14 O. 01 O. 01 O. 001 O. 010 O. 0001 O. 000权利要求
1.一种无缝钢管，包括 钢组合物，其包含 重量百分比O. 05 % -O. 16 %的碳； 重量百分比O. 20 % -O. 90 %的锰； 重量百分比O. 10% -O. 50%的硅； 重量百分比I. 20% -2. 60%的铬； 重量百分比O. 05 % -O. 50 %的镍； 重量百分比O. 80% -I. 20%的钥； 重量百分比O. 005% -O. 12%的钒； 重量百分比O. 008 % -O. 04 %的铝； 重量百分比O. 0030% -O. 0120%的氮；以及 重量百分比O. 0010% -O. 005%的钙； 其中所述钢管的壁厚大于或等于8mm且小于或等于35mm ；以及钢管被加工成具有大于550MPa(80ksi)的屈服强度并且钢管的微观结构包括体积百分比大于或等于60%的马氏体和体积百分比小于或等于40%的下贝氏体。
2.如权利要求I所述的钢管，其特征在于，钢组合物还包括 重量百分比0-0. 80%的钨； 重量百分比0-0. 030%的铌； 重量百分比0-0. 020%的钛； 重量百分比0-0. 30%的铜； 重量百分比0-0. 010%的硫； 重量百分比0-0. 020%的磷； 重量百分比0-0. 0020%的硼； 重量百分比0-0. 020%的砷； 重量百分比0-0. 0050%的锑； 重量百分比0-0. 020%的锡； 重量百分比0-0. 030%的锆； 重量百分比0-0. 030%的钽； 重量百分比0-0. 0050%的铋； 重量百分比0-0. 0030 %的氧； 重量百分比0-0. 00030 %的氢；以及 组合物的其余组分包括铁和杂质。
3.如权利要求2所述的钢管，其特征在于，所述钢组合物包括 重量百分比O. 07% -O. 14%的碳； 重量百分比O. 30 % -O. 60 %的锰； 重量百分比O. 10% -O. 40%的硅； 重量百分比1.80% -2. 50%的铬； 重量百分比O. 05 % -O. 20 %的镍； 重量百分比O. 90% -I. 10%的钥；重量百分比0-0. 60%的钨；重量百分比0-0. 015%的铌；重量百分比0-0. 010%的钛；重量百分比O. 050 % -O. 10 %的钒；重量百分比0.010% -O. 030%的铝；重量百分比O. 0030% -O. 0100%的氮；重量百分比0-0. 20%的铜；重量百分比0-0. 005%的硫；重量百分比0-0. 012%的磷；重量百分比O. 0010% -O. 003%的钙；重量百分比O. 0005% -O. 0012%的硼；重量百分比0-0. 015%的砷；重量百分比0-0. 0050%的锑；重量百分比0-0. 015%的锡；重量百分比0-0. 015%的锆；重量百分比0-0. 015%的钽；重量百分比0-0. 0050%的铋；重量百分比0-0. 0020 %的氧；重量百分比0-0. 00025 %的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。
4.如权利要求2所述的钢管，其特征在于，所述钢组合物包括重量百分比O. 08% -O. 12%的碳；重量百分比O. 30% -O. 50%的锰；重量百分比O. 10% -O. 25%的硅；重量百分比2. 10 % -2. 40 %的铬；重量百分比O. 05 % -O. 20 %的镍；重量百分比O. 95% -I. 10%的钥；重量百分比0-0. 30%的钨；重量百分比0-0. 010%的铌；重量百分比0-0. 010%的钛；重量百分比O. 050 % -O. 07 %的钒；重量百分比0.015% -O. 025%的铝；重量百分比O. 0030 % -O. 008 %的氮；重量百分比0-0. 15%的铜；重量百分比0-0. 003%的硫；重量百分比0-0. 010%的磷；重量百分比O. 0015% -O. 003%的钙；重量百分比O. 0008% -O. 0014%的硼；重量百分比0-0. 015%的砷；、重量百分比0-0. 0050%的锑； 重量百分比0-0. 015%的锡； 重量百分比0-0. 010%的锆； 重量百分比0-0. 010%的钽； 重量百分比0-0. 0050%的铋； 重量百分比0-0. 0015%的氧；重量百分比0-0. 00020 %的氢；以及 组合物的其余组分包括铁和杂质。
5.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，所述屈服强度大于.625MPa(90ksi)。
6.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，所述钢管的微观结构由马氏体和下贝氏体组成。
7.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，所述钢管的微观结构不包括铁素体、上贝氏体和粒状贝氏体中的一个或多个。
8.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，马氏体的体积百分比大于或等于95%并且下贝氏体的体积百分比小于或等于5%。
9.如权利要求8所述的钢管，其特征在于，马氏体的体积百分比为100%。
10.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，板条束尺寸小于或等于.6 μ m0
11.如在前权利要求中任意一项所述的钢管，其特征在于，在钢管中存在具有组合物MX或M2X且平均直径小于或等于40 μ m的一种或多种颗粒，其中M选自钒、钥、铌和铬并且X选自碳和氮。
12.如权利要求I所述的钢管，其特征在于，延性到脆性的转变温度小于_70°C。
13.如权利要求I所述的钢管，其特征在于，CharpyV形切口能量大于或等于250J/cm2。
14.如权利要求I所述的钢管，其特征在于，在承受90%的屈服应力作用并根据NACETM0177进行测试时，所述钢管在720小时之后不会至少部分地由于应力腐蚀破裂而失效。
15.一种制造钢管的方法，包括 提供碳钢组合物； 将钢组合物制成具有大于或等于8mm且小于或等于35mm的壁厚的管，其中成形后管内的平均奥氏体晶粒度大于15 μ m ; 在第一加热操作中将成形的钢管加热到900°C到1060°C的温度范围内； 以大于或等于20°C /秒的速率对成形的钢管进行淬火，其中得到淬火的钢管的微观结构在淬火后是体积百分比大于或等于60%的马氏体和体积百分比小于或等于40%的下贝氏体； 在680°C到760°C的温度范围内对得到淬火的钢管进行回火； 其中回火后的钢管具有大于SOksi的屈服强度和_70°C下大于或等于lOOJ/cm2的V形切口能量。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，钢组合物包括重量百分比O. 05 % -O. 16 %的碳；重量百分比O. 20 % -O. 90 %的锰；重量百分比O. 10% -O. 50%的硅；重量百分比I. 20% -2. 60%的铬；重量百分比O. 05 % -O. 50%的 镍；重量百分比O. 80% -I. 20%的钥；重量百分比O. 005% -O. 12%的钒；重量百分比O. 008 % -O. 04 %的铝；重量百分比O. 0030% -O. 0120%的氮；以及重量百分比O. 0010% -O. 005%的钙。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，钢组合物还包括重量百分比0-0. 80%的钨；重量百分比0-0. 030%的铌；重量百分比0-0. 020%的钛；重量百分比0-0. 30%的铜；重量百分比0-0. 010%的硫；重量百分比0-0. 020%的磷；重量百分比0-0. 0020%的硼；重量百分比0-0. 020%的砷；重量百分比0-0. 0050%的锑；重量百分比0-0. 020%的锡；重量百分比0-0. 030%的锆；重量百分比0-0. 030%的钽；重量百分比0-0. 0050%的铋；重量百分比0-0. 0030 %的氧；重量百分比0-0. 00030 %的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述钢组合物包括重量百分比O. 07% -O. 14%的碳；重量百分比O. 30 % -O. 60 %的锰；重量百分比O. 10% -O. 40%的硅；重量百分比1.80% -2. 50%的铬；重量百分比O. 05 % -O. 20 %的镍；重量百分比O. 90% -I. 10%的钥；重量百分比0-0. 60%的钨；重量百分比0-0. 015%的铌；重量百分比0-0. 010%的钛；重量百分比0-0. 20%的铜；重量百分比0-0. 005%的硫；重量百分比0-0. 012%的磷；重量百分比O. 050 % -O. 10 %的钒；重量百分比0.010% -O. 030%的铝；重量百分比O. 0030% -O. 0100%的氮；重量百分比O. 0010% -O. 003%的钙；重量百分比O. 0005% -O. 0012%的硼；重量百分比0-0. 015%的砷；重量百分比0-0. 0050%的锑；重量百分比0-0. 015%的锡；重量百分比0-0. 015%的锆；重量百分比0-0. 015%的钽；重量百分比0-0. 0050%的铋；重量百分比0-0. 0020 %的氧；重量百分比0-0. 00025 %的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述钢组合物包括重量百分比O. 08% -O. 12%的碳；重量百分比O. 30% -O. 50%的锰；重量百分比O. 10% -O. 25%的硅；重量百分比2. 10 % -2. 40 %的铬；重量百分比O. 05 % -O. 20 %的镍；重量百分比O. 95% -I. 10%的钥；重量百分比0-0. 30%的钨；重量百分比0-0. 010%的铌；重量百分比0-0. 010%的钛；重量百分比O. 050 % -O. 07 %的钒；重量百分比0.015% -O. 025%的铝；重量百分比O. 0030 % -O. 008 %的氮；重量百分比0-0. 15%的铜；重量百分比0-0. 003%的硫；重量百分比0-0. 010%的磷；重量百分比O. 0015% -O. 003%的钙；重量百分比O. 0008% -O. 0014%的硼；重量百分比0-0. 015%的砷；重量百分比0-0. 0050%的锑；重量百分比0-0. 015%的锡；重量百分比0-0. 010%的锆；重量百分比0-0. 010%的钽；重量百分比0-0. 0050%的铋重量百分比0-0. 0015%的氧； 重量百分比0-0. 00020 %的氢；以及 组合物的其余组分包括铁和杂质。
20.如权利要求15-19中任意一项所述的方法，其特征在于，所述钢管的屈服强度在回火后大于 625MPa(90ksi)。
21.如权利要求15-19中任意一项所述的方法，其特征在于，所述钢管的微观结构由马氏体和下贝氏体组成。
22.如权利要求1-19中任意一项所述的方法，其特征在于，淬火速率大于或等于40°C/秒并且钢管的微观结构在淬火后为100%体积的马氏体。
23.如权利要求15-22中任意一项所述的方法，其特征在于，淬火后所述钢管的微观结构不包括铁素体、上贝氏体和粒状贝氏体中的一个或多个。
24.如权利要求15-19中任意一项所述的方法,其特征在于,淬火后马氏体的体积百分比大于或等于90%并且下贝氏体的体积百分比小于或等于10%。
25.如权利要求15-24中任意一项所述的方法，其特征在于，回火后钢管的板条束尺寸小于或等于6 μ m。
26.如权利要求15-25中任意一项所述的方法,其特征在于，回火后在钢管中存在具有组合物MX或M2X且平均直径小于或等于40 μ m的一种或多种颗粒，其中M选自钒、钥、铌和铬并且X选自碳和氮。
27.如权利要求15-26中任意一项所述的方法，其特征在于，回火后钢管延性到脆性的转变温度小于_70°C。
28.如权利要求18-27中任意一项所述的方法，其特征在于，钢管内马氏体的体积百分比大于或等于90%并且下贝氏体的体积百分比小于或等于10%。
29.如权利要求18-28中任意一项所述的方法，其特征在于，回火后钢管的板条束尺寸小于或等于6 μ m。
30.如权利要求18-29中任意一项所述的方法，其特征在于，回火后在钢管中存在具有组合物MX或M2X且平均直径小于或等于40nm的一种或多种颗粒，其中M选自钒、钥、铌和铬并且X选自碳和氮。
31.一种550MPa(80ksi)等级的无缝钢管，包括 重量百分比O. 10% -O. 13%的碳； 重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰； 重量百分比O. 20% -O. 35%的硅； 重量百分比1.90% -2. 30%的铬； 重量百分比O. 90% -I. 10%的钥； 重量百分比0.001% -O. 005%的钙； 重量百分比O. 050 % -O. 07 %的钒； 重量百分比0.010% -O. 020%的铝； 其中钢管的壁厚大于或等于8mm且小于或等于35mm ；以及 其中钢管通过热轧加工，然后被冷却到室温，加热到900°C或以上的温度，以大于或等于40°C /秒的冷却速率进行淬火、以及在680 V到760 V的温度范围内进行回火，从而形成一种微观结构，所述微观结构具有20 μ m-80 μ m的原奥氏体晶粒度、3 μ m_6 μ m的板条束尺寸、90%体积或更多的马氏体和10%体积或更少的下贝氏体；并且其中钢管具有 550MPa (80ksi)到 705MPa (102ksi)之间的屈服强度(YS)、625MPa (90ksi)到825MPa(120ksi)之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于20%的伸长率和不大于O. 93的YS/UTS比率。
32.一种625MPa(90ksi)等级的无缝钢管，包括 重量百分比O. 10% -O. 13%的碳； 重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰； 重量百分比O. 20% -O. 35%的硅； 重量百分比1.90% -2. 30%的铬； 重量百分比O. 90% -I. 10%的钥； 重量百分比O. 001% -O. 005%的钙； 重量百分比O. 050 % -O. 07 %的钒；以及 重量百分比0.010% -O. 020%的铝； 其中钢管的壁厚大于或等于8mm且小于或等于35mm ；以及 其中钢管通过热轧加工，然后被冷却到室温，加热到900°C或以上的温度，以大于或等于20°C /秒的冷却速率进行淬火，以及在680°C到760°C的温度范围内进行回火，从而形成一种微观结构，所述微观结构具有20 μ m-60 μ m的原奥氏体晶粒度、2 μ m_6 μ m的板条束尺寸、95%体积或更多的马氏体和5%体积或更少的下贝氏体；并且其中钢管具有 625MPa(90ksi)到 775MPa(112ksi)之间的屈服强度(YS)、695MPa(IOOksi)到915MPa(133ksi)之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于18%的伸长率和不大于O. 95的YS/UTS比率。
33.一种485MPa(70ksi)等级的无缝钢管，包括 钢组合物，其包括 重量百分比O. 10% -O. 13%的碳； 重量百分比O. 40 % -O. 55 %的锰； 重量百分比O. 20% -O. 35%的硅； 重量百分比2. 00 % -2. 450 %的铬； 重量百分比0.9% -I. 10%的钥；以及 重量百分比0.001% -O. 005%的钙； 其中钢管的壁厚大于或等于8mm且小于或等于35mm ；以及 其中钢管通过热轧加工，然后被冷却到室温，加热到900°C或以上的温度，以大于或等于20°C /秒的冷却速率进行淬火，以及在680°C到760°C的温度范围内进行回火，从而形成一种微观结构，所述微观结构具有20 μ m-100 μ m的奥氏体晶粒度、4 μ m_6 μ m的板条束尺寸、60%体积或更多的马氏体和40%体积或更少的下贝氏体；并且其中钢管具有 485MPa(70ksi)到 635MPa (92ksi)之间的屈服强度(YS)、570MPa (83ksi)到760MPa(IlOksi)之间的极限抗拉强度(UTS)、不小于18 %的伸长率和不大于O. 93的YS/UTS比率。
全文摘要
本发明的实施方式涉及制造管的碳钢和方法，所述管具有大于或等于大约8mm且小于或等于大约35mm的壁厚。在一种实施方式中，提供的钢组合物具有大于大约15μm的平均奥氏体晶粒度。根据这一组合物，确定淬火次序，以提供一种微观结构具有大于或等于大约60％体积的马氏体，小于或等于大约40％体积的下贝氏体，不会显著形成铁素体、上贝氏体或粒状贝氏体。淬火后，管可以经历回火。淬火和回火后的管的屈服强度可以大于大约550MPa(80ksi)或625MPa(90ksi)，并且机械性能测定发现，淬火和回火后的管适用于550MPa(80ksi)或625MPa(90ksi)等级。
文档编号C22C38/46GK102628145SQ20121002683
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月7日 优先权日2011年2月7日
发明者保罗·诺韦利, 埃托雷·阿内利, 费代里科·廷托里, 马里亚诺·阿门戈尔 申请人:道尔曼股份公司