海洋立管用X65热轧钢板及其制备方法与流程

本发明属于海洋立管技术领域，具体涉及一种海洋立管用x65热轧钢板及其制备方法。

背景技术：

海洋油气开发的蓬勃发展促使海洋立管技术成为世界石油工业科技创新的前沿。海洋立管是海洋油气资源开发工程建设中的一个重要组成部分。目前，美国、日本、德国、巴西、挪威、意大利等国在海洋立管技术及装备方面都处于世界先进水平。我国海洋立管开发和铺设能力远低于国际先进水平，海洋立管的研究也刚刚起步。而我国海域辽阔，在南海中南部的深水海域有着约300亿吨的油气储量。随着我国国民经济的迅猛发展，国家对能源的需求量日益增加，推进深海油气资源开发将对我国国民经济的持续发展、缓解油气进口压力和改善能源供给结构中发挥重要作用。

海洋立管连接着海底井口和海上采油平台，起到输送原油和天然气的作用，海洋立管承受着输送介质的强腐蚀性和洋流动态载荷。海洋立管的破裂将会造成起火和爆炸，威胁海洋平台的安全和平台上工作人员的生命，而且大灾难会对海洋生态带来巨大破坏。因此，海洋立管用钢对产品质量和等级要求非常严格，要求包括：1、高强度(屈服强度450n/mm²)；2、高韧性(-40℃)；3、增加壁厚(34-50mm)；4、抗断裂性能(ctod)；5、抗止裂性能(dwtt)；6、低屈强比(y/t≤0.89)；7、抗酸性腐蚀性能(hic、sscc)；8、优异的焊接性能。

国内还没有大壁厚海洋立管用x65热轧钢板的开发经验，目前的长输管线x65产品尚达不到海洋立管的技术要求，无法满足海洋油气资源开采工程建设的需求。因此，我国南海海洋油气资源的开发瓶颈在于大壁厚海洋立管用x65热轧钢板能否成功开发。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种海洋立管用x65热轧钢板及其制备方法，解决了34～50mm大壁厚钢板获得高强度、低屈强比、低温韧性、抗断裂、易焊接、抗酸性腐蚀的问题。适用于海洋深水石油、天然气开采工程用立管的建设，大幅降低了海洋立管发生断裂和腐蚀的风险。

本发明第一方面提供了一种海洋立管用x65热轧钢板，以质量百分比计，所述钢板化学成份包括：c：0.03～0.05％，si：0.10～0.30％，mn：1.10～1.35％，p：≤0.007％，s：≤0.0008％，alt：0.01～0.05％，nb：0.04～0.06％，ti：0.008～0.018％，ni：0.20～0.40％，cr：0.15～0.30％，mo：0.10～0.20％，n：≤0.004％，余量为fe和不可避免杂质元素。

所述海洋立管用x65热轧钢板的化学组成及含量配比直接影响产品性能，其中：

c元素通过固溶强化提高材料的强度性能，如果当c含量小于0.03wt％时，强度性能水平偏低，当c含量大于0.05wt％时，抗酸性能、低温韧性和焊接水平偏低。因此本发明中c含量控制在0.03～0.05wt％范围内。大量的试验证明，c含量控制在0.03～0.05wt％范围内，才能得到窄范围的强度性能控制，以及稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

mn元素能够显著提高强度性能，mn含量太低，材料的抗拉强度不够，mn含量太高，抗酸性能、低温韧性降低。因此，本发明经过大量试验得出，mn控制在1.10～1.35wt％范围，既保证材料的强度水平，又不恶化抗酸性能和低温韧性。大量的试验证明，mn含量控制在1.10～1.35wt％范围内，才能得到稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

p、s元素是钢中杂质元素，且易偏析，影响连铸坯内部质量，p、s含量越低越好，为了获得良好的低温韧性、抗酸性能和焊接性能，本发明进行了大量试验，发现杂质元素控制在p：≤0.007wt％，s：≤0.0008wt％，才能得到稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

nb元素有固溶强化和细化晶粒的作用，因此本发明中nb含量控制在0.04～0.06wt％范围内。

ti元素在本发明中进行了大量试验，发现：当ti含量大于0.018wt％时，颗粒尺寸较大的tin粒子会影响材料的低温韧性和抗酸性能等。因此本发明中ti含量控制在0.008～0.018wt％范围内，低温韧性、焊接性能和抗酸性能最佳。

ni元素是奥氏体稳定性元素，能降低γ→α转变温度，能有效提高管线钢的低温韧性。ni可通过固溶强化作用提高钢的强度，弥补厚规格钢材中因厚度的增加引起的强度下降。最重要的是添加ni合金，可以进一步提高钢的强度和低温韧性。但过多的ni会大幅增加成本。因此，本发明进行了大量试验，发现当ni含量控制在0.20～0.40wt％范围内，强韧性和经济性最佳。

mo元素增加淬透性，改善大壁厚钢板厚度方向的组织均匀性，提高低温韧性，可以提高抗拉强度，降低屈强比，稳定材料的强度和韧性水平。但本发明进行了大量试验，发现：当mo含量大于0.20％时，会出现过多硬相组织和m/a岛等，影响抗酸性能。因此，当mo含量控制在0.10～0.20wt％范围内，钢板组织均匀性、强度均匀性、低屈强比、低温韧性和抗酸hic、sscc性能最优。

cr元素对提高管线钢的抗拉强度是有效的，可显著降低材料的屈强比。但较高的cr含量会对焊接性能和抗酸不利。本发明进行了大量试验，当cr含量控制在0.15～0.30％范围内，强度性能、屈强比、焊接性能和抗酸性能最佳。

优选的，所述海洋立管用x65热轧钢板微观组织为细小且均匀的铁素体组织，其中包括体积百分含量1～8％针状铁素体组织，所述铁素体晶粒尺寸≤5μm。

优选的，所述海洋立管用x65热轧钢板厚度规格为34～50mm。

更加优选的，上述海洋立管用x65热轧钢板的力学性能为：钢板横向屈服强度：450～550mpa，抗拉强度：535～650mpa；钢板纵向屈服强度：440～550mpa，抗拉强度：535～650mpa，断后伸长率a50≥30％，屈强比≤0.89；钢板厚度中心横向-40℃夏比冲击功≥400j，冲击剪切面积≥90％；钢板-40℃减薄落锤dwtt试样剪切面积≥85％；钢板-40℃时ctod值在0.40mm以上；硬度hv10≤230；按照nace标准，a溶液条件下，hic裂纹长度率clr≤10％，裂纹厚度率ctr≤3％，裂纹敏感率csr≤1％，无sscc裂纹。

本发明第二方面提供了上述海洋立管用x65热轧钢板的制备方法，步骤包括：

s1、连铸得到满足化学成分要求的高洁净、特厚连铸坯，连铸坯厚度为300～500mm，中心偏析控制在c类0.5级，a/b/c/d类非金属夹杂物控制在1.5级以内；

s2、采用差温轧制和大压下工艺粗轧，充分细化心部晶粒；

s3、精轧采用三阶段轧制，获得压扁硬化的奥氏体晶粒，减少了控温时间，细化了奥氏体晶粒，为后续铁素体相变提供更多的形核点；

s4、钢板轧后冷却，开冷温度760～780℃，终冷温度为200～300℃。

在上述制备方法中，采用了高洁净、特厚连铸坯，大量试验表明，按步骤s1严格控制连铸坯厚度、中心偏析、非金属夹杂物是生产海洋立管x65热轧钢板的前提，可以得到稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

粗轧采用的差温轧制工艺可以使钢坯表面形成低温硬化层，而钢坯心部高温变形抗力小，使轧制变形充分渗透到心部，细化心部晶粒，提高心部的强度和超低温韧性；由于大壁厚钢板心部往往是薄弱位置，本发明的差温轧制工艺和大压下工艺，可以使心部的缺陷充分愈合，并且细化心部晶粒，提高大壁厚钢板厚度截面组织均匀性，提高心部的综合性能，得到稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

精轧阶段采用三阶段轧制，优点在于：提高生产效率，避免高温待温时间过长；细化晶粒，避免高温待温阶段晶粒长大；获得充分压扁硬化的奥氏体晶粒，为后续相变细化晶粒提供更多的形核点；可以得到窄范围的强度性能控制，以及稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

钢板轧后进行冷却，获得细小的铁素体和少量针状铁素体组织，铁素体晶粒尺寸≤5μm；可以得到窄范围的强度性能控制、较低的屈强比，以及稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能。

优选的，步骤s2中，所述差温轧制工艺使得钢坯表面温度比心部温度低100～200℃，使轧制变形充分渗透到心部，细化心部晶粒。具体的，可以通过喷高压水对钢坯表面进行冷却，在钢坯厚度截面形成温度梯度。

优选的，步骤s2中，所述大压下工艺中：单道次压下量最大为40～50mm，充分细化心部晶粒。

优选的，步骤s3中，所述精轧采用三阶段轧制，第一阶段开轧温度为900～930℃，轧制3～5道次后待温；第二阶段开轧温度为840～860℃，轧制2～3道次后待温；第三阶段开轧温度为800～820℃，终轧温度为780～800℃，获得充分压扁硬化的奥氏体晶粒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在34～50mm大壁厚的前提下，实现了高强度、窄范围(≤100mpa)的强度性能控制、较低的屈强比控制，以及稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能控制，显著降低了海洋立管发生断裂和腐蚀的风险，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明海洋立管用x65连铸坯的中心偏析图(c类0.5级)。

图2为本发明海洋立管用x65热轧钢板的金相组织图，其中，a为表层的金相组织图，b为心部的金相组织图。

图3为本发明海洋立管用x65热轧钢板的扫描组织图，其中，a为表层的扫描组织图，b为心部的扫描组织图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

下面将结合五个具体实施例对本发明提供的海洋立管用x65热轧钢板及其制备方法进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种海洋立管用x65热轧钢板的制备方法，步骤包括：

1)连铸得到满足化学成分要求的高洁净、特厚连铸坯，中心偏析控制在c类0.5级，a/b/c/d类非金属夹杂物控制在1.5级以内，连铸坯厚度及具体化学成分如表1所示，连铸坯中心偏析控制良好，如图1所示；

2)粗轧阶段采用差温轧制工艺，通过喷高压水对钢坯表面进行冷却，在钢坯厚度截面形成温度梯度，使得钢坯表面温度比心部温度低，使轧制变形充分渗透到钢坯心部，细化心部晶粒；

3)粗轧阶段采用大压下，充分细化心部晶粒；

4)精轧阶段采用三阶段轧制，第一阶段轧制4道次后待温；第二阶段轧制2道次后待温；再进行第三阶段轧制，获得充分压扁硬化的奥氏体晶粒。

5)钢板轧后进行冷却，获得细小的铁素体和少量针状铁素体组织，铁素体晶粒尺寸≤5μm。

在上述工艺过程中涉及到的具体工艺条件如表2所示，所述工艺条件包括：连铸坯厚度、中心偏析等级、非金属夹杂物等级、差温轧制中表面与心部温差、粗轧阶段单道次压下最大值、精轧三个阶段的开轧温度及第三阶段的终轧温度、轧后冷却的开冷温度及终冷温度。

在上述工艺中，关键工艺参数已在表2中列出，制备过程中涉及到的其他工艺参数及细节按照技术人员熟知的常规工艺处理，此处不再赘述。

将上述工艺制备得到的海洋立管用x65热轧钢板，厚度规格为34～50mm，钢板表层和心部的组织均匀性良好，如附图2和3所示，进行力学性能测试的结果如表3所示。钢板硬度hv10≤230；按照nace标准，a溶液条件下，钢板抗酸hic裂纹率均为0。

实施例2-5

本发明进一步提供了实施例2-5，实施例2-5分别提供了一种海洋立管用x65热轧钢板的制备方法，其具体步骤与实施例1基本一致，采用400mm连铸坯，连铸坯中心偏析控制良好，然后连铸坯经过粗轧、三阶段精轧、冷却等工序，钢板获得细小、均匀的铁素体+少量针状铁素体的组织，钢板表层和心部的组织均匀性良好。与实施例1的区别在于钢板的化学组份及部分工艺参数，具体如表1和表2所示。

将实施例2-5得到的海洋立管用x65热轧钢板及制备得到的管线进行性能测试，结果如表3所示，实施例2-5产品的力学性能与实施例1基本一致，表现出高强度、窄强度范围(≤40mpa)、低屈强比(≤0.85)、稳定的-40℃dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能(裂纹率均为0)。

表1钢板化学成分表(wt％)

表1中化学成分含量均为重量百分比，余量为fe和不可避免杂质元素。

表2制备工艺参数表

表3产品力学性能表

本发明大量试验结果表明，钢板化学成分、制备工艺对产品显微组织和力学性能至关重要，在34～50mm大壁厚的前提下，本发明实现了高强度、窄范围(≤40mpa)的强度性能控制、较低的屈强比控制，以及稳定的-40℃的dwtt、ctod性能和抗酸性hic、sscc性能控制，并且钢板在下游用户制造过程中，可加工性和可焊接性优异，制管前后屈强比控制良好，未出现屈强比超标和焊接热区低温韧性偏低问题，最终海洋立管产品均满足标准要求。

本发明适用于海洋石油、天然气开采工程用立管，降低了海洋立管发生断裂和腐蚀的风险。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。