Nb-Ti微合金化抗氢脆管线钢及制备方法

本发明涉及输氢管道，尤其是涉及一种nb-ti微合金化抗氢脆管线钢及制备方法。

背景技术：

1、储运环节是制约当前我国氢能发展的瓶颈之一，安全高效的输氢技术是氢能大规模商业化发展的前提。在所有的氢能输运方案中，管道运输是最经济的方式。

2、随着氢能的快速发展，管道输氢的压力和流量越大越大，目前，可用于输氢的x52管线钢的强度较低；另外，在高压氢气环境中氢原子会在x52管线钢中快速扩散和大量聚集，使x52管线钢抗氢脆性能降低，延展性下降，疲劳裂纹扩展速率增加，断裂韧性下降，严重制约了氢气的安全、高效运输。

3、奥氏体钢不锈钢作为管线钢的材料，能够使高压氢气环境中氢原子扩散慢、聚集量少，使管线钢的抗氢脆性能变好。但是奥氏体钢不锈钢价格过于昂贵，无法在实际中应用。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是为了克服现有技术中的x52管线钢无法满足氢气的安全、高效的运输要求的不足，提供了一种nb-ti微合金化抗氢脆管线钢及制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种nb-ti微合金化抗氢脆管线钢，x52管线钢由碳c、锰mn、磷p、硫s、铜cu、镍ni、铬cr、钼mo、铪hf、镧la、铌nb、铊ti和铁fe组成；x52管线钢中各成分的质量百分比为：0.08％≤c≤0.28％，1.20％≤mn≤1.40％，0.01％≤p≤0.03％，0.02％≤s≤0.03％，0.20％≤cu≤0.50％，0.12％≤ni≤0.50％，0.10％≤cr≤0.30％，0.08％≤mo≤0.15，0.0001％≤hf≤0.0003％，0.0001％≤la≤0.0003％，0.018％≤nb≤0.036％，0.035％≤ti≤0.05％，余量为fe。

4、本发明的微合金化加调质的热处理工艺可生产高强韧性、优异抗氢脆性能和低成本的x52管线钢，本发明加入的nb和ti可细化管线钢的晶粒，使管线钢的强韧性增加；形成的(nb，ti)c颗粒可阻碍位错滑移并使沉淀强化，使管线钢的强度显著提高。此外在氢环境中，回火形成均匀分布并且直径为5-10nm的(nb，ti)c颗粒，c颗粒与基体保持半共格取向，构成氢原子的不可逆深陷阱，使管线钢中的可扩散氢数量明显降低，从而减小了管线钢的氢脆敏感性。本发明经过工艺与装置优化改善后，不仅使管线钢的强度得到明显提升，而且使管线钢的抗氢脆性能得到大幅度提高。

5、因此，本发明有效提高了x52管线钢的强度和抗氢脆性能(材料在氢气环境中的拉伸、疲劳裂纹扩展、断裂韧性性能得到大幅度改善)。

6、一种nb-ti微合金化抗氢脆管线钢的制备方法，包括加热炉，设于加热炉右侧的冷却炉，设于加热炉和冷却炉上方的送料机构；

7、加热炉包括上端开口的加热炉体，设于加热炉体上的左炉门和右炉门，设于加热炉体内侧壁上的若干个加热器，设于加热炉体上端的加热盖板，和设于加热炉体上的第一温度压力传感器；冷却炉包括上端开口的冷却炉体，设于冷却炉体左端的冷却炉门，设于冷却炉体上端的冷却盖板，设于冷却炉体上的第二温度压力传感器；冷却炉下端与外部气瓶连接，外部气瓶上设有第一电磁阀；

8、还包括冷却循环机构，冷却循环机构包括两端均与冷却炉连接的气体管道，设于气体管道中的若干个用于给冷却气体加压的增压泵；冷却炉中设有与气体管道连接的若干个气体喷嘴，气体管道上设有气冷电机连接，气冷电机通过连接管与冷却炉体右部联通；

9、送料机构包括固定架，设于固定架上的两个滚轮，设于两个滚轮上的传送带，与一个滚轮的转轴连接的主动电机，设于传送带上的上下调节器，设于上下调节器下端的挂钩；还包括控制器，控制器分别与第一电磁阀、气冷电机、主动电机、第一温度压力传感器、第二温度压力传感器、各个加热器和各个增压泵电连接。

10、作为优选，所述连接管替换为氦气纯化机构，氦气纯化机构包括依次通过导气管连接的抽气泵、吸附过滤器、压缩机、气体分离器、换热器和回收气瓶；抽气泵与冷却炉体右侧壁连接，回收气瓶与冷却炉体右侧壁连通，回收气瓶与冷却炉之间的导气管上设有第二电磁阀；换热器与回收气瓶之间的导气管上设有第三电磁阀，换热器通过导气管与气冷电机的气冷电机箱连接，换热器与气冷电机箱之间的导气管上设有第四电磁阀；控制器分别与抽气泵、吸附过滤器、压缩机、气体分离器、换热器、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀电连接。

11、作为优选，冷却炉体中设有圆形竖筒，圆形竖筒包括四块圆心角为90°的弧形板，冷却炉体的底板上设有呈辐射状分布的四条滑轨，四块弧形板下端均设有支撑竖杆，四条支撑竖杆通过滑块分别与四条滑轨滑动连接，圆形竖筒上设有均匀分布的安装孔，各个气体喷嘴分别安装在各个安装孔上，各个气体喷嘴后部均通过软管与气体管道连接。

12、各个气体喷嘴可包围管线钢喷气，使管线钢快速均匀冷却，保证了管线钢的组织均匀性，防止局部开裂，增强了管线钢综合力学性能和抗氢脆性能。

13、作为优选，包括如下步骤：

14、步骤1，熔炼:

15、工作人员在真空感应熔炼炉中按照质量百分比加入碳c、锰mn、磷p、硫s、铜cu、镍ni、铬cr、钼mo、铪hf、镧la、铌nb、铊ti和铁fe进行熔炼，熔炼过程中全程吹氩气保护，避免钢水氧化，熔炼后浇铸形成钢坯；

16、步骤2，加热：

17、工作人员将钢坯放进加热炉中，控制各个加热器加热，观察第一温度传感器检测的温度数据，使加热炉内的温度达到1100℃-1150℃，保温40min以上，取出加热炉中的钢坯；提高钢坯的均匀性和延展性，便于后续穿孔和热轧。

18、步骤3，穿孔：

19、工作人员利用穿孔机在钢坯上穿孔，得到钢管；

20、步骤4，轧制：

21、工作人员利用热轧机对钢管的管壁进行连续热轧；

22、步骤5，工作人员对钢管进行两次水冷，得到管线钢；第一次水冷温度为810℃-850℃，第二次水冷温度为500℃-540℃，然后将钢管空冷至室温；

23、步骤6，工作人员利用钻孔机在管线钢一端的管壁上钻挂钩孔，将钻挂钩孔后的管线钢挂在挂钩上，通过调节上下调节器改变管线钢所处的高度；取下加热盖板，打开左炉门，通过控制器控制主动电机工作，传送带带动挂钩向右移动，将管线钢运送到加热炉中，使主动电机停止工作，关上左炉门，盖上加热盖板；

24、步骤7，进行第一次调质处理：

25、步骤7-1，工作人员通过控制器控制各个加热器以6℃/min-8℃/min的升温速率加热，观察第一温度传感器检测的温度数据，使加热炉内的温度达到900℃-930℃，保温50min-70min，使加热炉的各个加热器停止工作；

26、步骤7-2，工作人员取下加热盖板和冷却盖板，打开右炉门和冷却炉门，通过上下调节器调节挂钩所处的高度，控制主动电机工作，传送带带动挂钩向右移动，传送带将管线钢运送到冷却炉的中心位置，使主动电机停止工作，关闭右炉门和冷却炉门，盖上加热盖板和冷却盖板；

27、通过控制器控制第一电磁阀打开，由外部气瓶向冷却炉内充入氦气，观察第二温度压力传感器检测的气压数据，使冷却炉内的气压维持在1.2mpa-1.8mpa范围内；

28、通过控制器控制气冷电机工作和各个增压泵增压，冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，关闭气冷电机和各个增压泵；

29、本发明中采用氦气进行冷却，氦气的冷却效果突出，冷却用时少，气体稳定，活性小，在高温环境下不易与金属发生反应。

30、本发明采用管线钢样品悬挂式的方式进行热处理，可以让样品受热和冷却更加均匀；保证了样品组织的均匀，防止局部开裂，增强了样品综合力学性能和抗氢脆性能。

31、步骤7-3，工作人员打开冷却炉门和右炉门，取下加热盖板和冷却盖板，控制主动电机工作，传送带带动挂钩向左移动，将管线钢运送到加热炉的中间位置，使主动电机停止工作，关闭右炉门和加热盖板；

32、通过控制器控制各个加热器以5℃/min的升温速率加热，观察第一温度传感器检测的温度数据，使加热炉内的温度达到590℃-610℃，保温100min-140min，使各个加热器停止工作；打开右炉门，取下加热盖板，使主动电机工作，传送带带动挂钩向右移动，将管线钢运送到加热炉和冷却炉的之间的空间中，使主动电机停止工作，关上右炉门，盖上加热盖板，使管线钢冷却到室温；

33、步骤8，进行第二次调质处理：

34、步骤8-1，工作人员打开右炉门，取下加热盖板，使主动电机工作，传送带带动挂钩向左移动，将管线钢运送到加热炉的中间位置，使主动电机停止工作，关闭右炉门，盖上加热盖板；通过控制器控制各个加热器以6℃/min-8℃/min的升温速率加热，观察第一温度传感器检测的温度数据，使加热炉内的温度达到900℃-930℃，保温50min-70min，使加热炉的各个加热器停止工作；

35、步骤8-2，工作人员取下加热盖板和冷却盖板，打开右炉门和冷却炉门，使主动电机工作，传送带将管线钢运送到冷却炉的中心位置，使主动电机停止工作，关闭右炉门和冷却炉门，盖上加热盖板和冷却盖板；

36、通过控制器控制气冷电机工作和各个增压泵增压，冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，使主动电机停止工作，关闭气冷电机和各个增压泵；

37、步骤8-3，重复步骤7-3一次，管线钢制备过程结束。

38、采用循环调质热处理工艺，利用奥氏体和马氏体的循环再结晶，细化x52管线钢的晶粒尺寸，进一步提高了材料强韧性和材料抗氢脆性能；

39、利用氦气冷却，冷却效果突出，冷却用时少，气体稳定，活性小，在高温环境下不易与金属发生反应，可对氦气进行回收纯化循环利用，显著降低生产成本，保证了淬火质量。

40、作为优选，连接管替换为氦气纯化机构，氦气纯化机构包括依次通过导气管连接的抽气泵、吸附过滤器、压缩机、气体分离器、换热器和回收气瓶；抽气泵与冷却炉体右侧壁连接，回收气瓶与冷却炉体右侧壁连通，回收气瓶与冷却炉之间的导气管上设有第二电磁阀；换热器与回收气瓶之间的导气管上设有第三电磁阀，换热器通过导气管与气冷电机的气冷电机箱连接，换热器与气冷电机箱之间的导气管上设有第四电磁阀；控制器分别与抽气泵、吸附过滤器、压缩机、气体分离器、换热器、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀电连接；还包括如下步骤：所述步骤7-2中的通过控制器控制气冷电机工作和各个增压泵增压，冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，关闭气冷电机和各个增压泵由如下步骤替换：

41、工作人员通过控制器控制抽气泵工作，使冷却炉中的气体经吸附过滤器过滤杂质颗粒；通过压缩机增加气压使氦气在气体分离器中通过，通过换热器对纯化后的氦气冷却，控制第四电磁阀打开，使氦气经回收纯化机构提纯后进入气冷电机箱中；通过控制器控制气冷电机工作，各个增压泵增压，使冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，关闭气冷电机和各个增压泵，关闭第四电磁阀；第三电磁阀打开，控制抽气泵工作30分钟-60分钟，将冷却后纯化的氦气抽入回收气瓶中后，控制第三电磁阀关闭；

42、所述步骤8-2中的通过控制器控制气冷电机工作和各个增压泵增压，冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，关闭气冷电机和各个增压泵由如下步骤替换：

43、工作人员通过控制器控制第二电磁阀打开，使回收气瓶的氦气充入冷却炉中，观察第二温度压力传感器检测的气压数据，使冷却炉内的气压维持在1.2mpa-1.8mpa范围内，关闭第二电磁阀；

44、启动抽气泵，控制器控制第四电磁阀打开，使氦气经纯化机构提纯后进入气冷电机箱中；通过控制器控制气冷电机工作，各个增压泵增压，冷却后的氦气经各个气体喷嘴喷向管线钢，对管线钢进行气体冷却，直至第二温度压力传感器检测的温度数据降至室温，关闭气冷电机，和各个增压泵，关闭第四电磁阀；第三电磁阀打开，控制抽气泵工作30分钟-60分钟，将冷却后的氦气抽入回收气瓶中后，控制第三电磁阀关闭。

45、氦气价格较高，本发明可对氦气进行回收纯化循环利用，显著降低了生产成本，保证了管线钢的淬火质量。

46、作为优选，冷却炉体中设有圆形竖筒，圆形竖筒包括四块圆心角为90°的弧形板，冷却炉体的底板上设有呈辐射状分布的四条滑轨，四块弧形板下端均设有支撑竖杆，四条支撑竖杆通过滑块分别与四条滑轨滑动连接，圆形竖筒上设有均匀分布的安装孔，各个气体喷嘴分别安装在各个安装孔上，各个气体喷嘴后部均通过软管与气体管道连接；

47、步骤7-2和步骤8-2中的传送带将管线钢运送到冷却炉的中心位置之后均包括如下步骤：

48、四块弧形板的初始位置均靠近冷却炉体内侧壁，工作人员推动每块弧形板向靠近管线钢的方向移动，使每块弧形板的支撑竖杆均通过滑块沿对应的滑轨滑动，使四块弧形板移动至合拢构成圆形竖筒形状的结构，使各个气体喷嘴的出气口均匀围绕且面向管线钢外侧；

49、步骤7-3的取下加热盖板和冷却盖板之后包括如下步骤：

50、工作人员推动每块弧形板沿轨道滑动，使每块弧形板逐渐靠近炉体内侧壁。

51、作为优选，步骤3包括如下详细步骤：

52、利用顶头穿过钢坯的中心，顶头的转速为50r/min-60r/min，穿孔速率为0.6m/min-0.8m/min，初穿温度为1050℃-1110℃，终穿温度为980℃-1020℃，得到钢管。

53、作为优选，步骤4中的初轧温度为870℃-910℃，终轧温度为830℃-860℃，热轧阶段累积压下率62％～67％，轧制道次为3-5。

54、将淬火温度控制为910℃左右，在nb，ti等微合金完全固溶的情况下晶粒度相对较小；回火温度为600℃左右，马氏体析出大量均匀弥散分布的直径为5-10nm的(nb，ti)c，可以钉扎位错，从而提升材料的强度；并且析出物与基体呈半共格界面，可大量不可逆的捕获氢原子，提升管线钢的抗氢脆性能；

55、本发明的热轧阶段的累积压下率为62％～67％，使得热轧阶段奥氏体未再结晶区的相变形核率增大，最终获得细小的相变组织。

56、因此，本发明具有如下有益效果：

57、添加了微量的稀土元素hf和la，对非金属夹杂物进行改性，细化了管线钢的晶粒，提高了氧化物的钉扎效果和耐层状撕裂性，提高了管线钢的强度和韧性；

58、增大了热轧阶段奥氏体未再结晶区的相变形核率，获得管线钢细小的相变组织；

59、采用循环调质热处理工艺，利用奥氏体和马氏体的循环再结晶，细化x52管线钢的晶粒尺寸，进一步提高了材料强韧性和材料抗氢脆性能；

60、将淬火温度控制为910℃左右，在nb，ti等微合金完全固溶的情况下晶粒度相对较小；回火温度为600℃左右，马氏体析出大量均匀弥散分布的直径为5-10nm的(nb，ti)c，可以钉扎位错，从而提升材料的强度；并且析出物与基体呈半共格界面，可大量不可逆的捕获氢原子，提升管线钢的抗氢脆性能；

61、利用氦气冷却，冷却效果突出，冷却用时少，气体稳定，活性小，在高温环境下不易与金属发生反应，可对氦气进行回收纯化循环利用，显著降低生产成本，保证了淬火质量。

62、管线钢悬挂式热处理，受热和冷却更加均，使管线钢快速均匀冷却，保证了管线钢的组织均匀，防止局部开裂；

63、通过析出相与微观组织的改变，显著提高了x52管线钢的力学性能和抗氢脆性能，延长了x52管线钢的服役寿命。