抗变形X80-X100管线钢板及其制造方法

摘要

本发明公开了一种抗变形X80-X100管线钢板及其制备方法。该管线钢板包含按重量百分比计算的如下组分：C＝0.04～0.09％，Si＝0.10～0.50％，Mn＝1.0～2.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb＝0.05～0.11％，Ti＝0.010～0.025％，Mo≤0.30％，Cu≤0.40％，Ni≤0.50％，Cr≤0.40％，其余部分包含Fe。该抗变形X80-X100管线钢板的制造方法，包含将具有与权利要求1所述抗变形X80-X100管线钢板相应化学成分的板坯依次经控制轧制、弛豫、预矫直和控冷工序处理。本发明所获管线钢板不仅具有良好韧性，良好的抗变形能力（低屈强比（≤0.80），高应力比（Rt

说明书

技术领域

本发明涉及一种管线钢材及其制备工艺，特别是一种可在石油天然气管道等工程项目上使用的抗变形X80-X100管线钢板及其制造方法，属于高强度低碳微合金钢制造技术领域。 

背景技术

随着能源需求的不断增长，远距离的油气开采及输送已成为必然，输送管道将经过大量的地址条件不稳定区域，如地震带、泥石流、冻土带等，严重影响管道的安全。如我国格尔木-拉萨输油管道建于1973年输油管道建于1973年，是我国修建的第一条冻土区输油管道，全长1076km，运行30多年来由于融沉破坏等原因，该管道曾发生30次泄漏，造成了很大的经济损失。为此，在地址条件不稳定区域，管道工程采用了“基于应变设计”理念，要求管线钢不仅具备良好低温韧性，还具有抗变形能力(低屈强比、高应力比及高均匀伸长率)，达到抵御抗外来冲击的能力。然而，传统的针状铁素体管线钢因其较高的屈强比和低的均匀伸长率等因素，使其不能应用于应变设计的管道工程项目上。 

采用低碳微合金化及传统的TMCP工艺只能生产出针状铁素体管线钢，而如何生产出韧性优良的高强度抗变形管线铜一直是本领域技术人员渴望解决的技术难题。 

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种抗变形X80-X100管线钢板，其具备优良的低温韧性及抗变形性能(低屈强比、高应力比及高均匀 伸长率)以及非常平整的热轧板形，尤其适用于“基于抗应变设计”的石油天然气管道工程项目。 

为达成此发明目的，本发明的X80-X100管线钢板采用了如下组分设计，其包含按重量百分比计算的如下组分：C＝0.04～0.09％，Si＝0.10～0.50％，Mn＝1.0～2.0％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb＝0.05～0.11％，Ti＝0.010～0.025％，Mo≤0.30％，Cu≤0.40％，Ni≤0.50％，Cr≤0.40％，其余部分包含Fe。 

前述各化学成分的主要作用如下： 

碳(C)：碳是影响管线钢强度、韧性、硬度及焊接性能的主要元素，碳含量的增加，对提高钢的强度有明显作用。但碳含量的增加会对钢的延性、韧性及焊接性能有负面影响。所以，本发明选择的碳含量为0.04-0.09％，一方面主要是考虑过低的碳会使得钢板的屈强比增高，另一方面主要是考虑钢板的韧性及优良的焊接性能。 

锰(Mn)：固溶强化元素，既可以提高钢的强度也能够改善钢的韧性。适度提高钢的淬透性，扩大γ相区，降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物。此外，锰还能提高微合金元素铌(Nb)在钢中的溶解度，抑制碳氮化铌的析出。因此，本发明钢采用的锰含量为1.0～2.0％。 

铌(Nb)：铌是有效的晶粒细化元素，能够明显的抑制奥氏体晶粒长大，延迟γ→α转变，从而获得更加细小的组织。在热轧过程中，析出的碳氮化铌可以延迟再结晶及晶粒的长大过程，碳氮化铌通过钉扎位错，使得基体中可以保留更多的位错密度，提高钢的强度和韧性。固溶状态的铌可以延迟γ→α转变，细化铁素体晶粒，提高钢的韧性，在冷却过程中固溶的铌可以继续以Nb(CN)析出，进一步提高钢的强度。本发明中，采用0.05-0.11％的高铌设计，体现了以上的分析精神，达到替代Mo的细化组织、沉淀强化的作用，降低钢的成本。 

钛(Ti)：钛是强的固氮元素，可以与氮形成TiN颗粒，从而可以在坯料加热过程中抑制奥氏体晶粒的粗化，起到细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性；同样，TiN颗粒对焊接热影响区晶粒的长大能够起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，钛可以与铌复合析出，提高(TiNb)(CN)的热稳定性，对加热过程中坯料奥氏体晶粒的长大及焊接热影响区晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改 善钢板的韧性，提高钢板的焊接性能。钛的加入量一般不低于氮的3.4倍，求发明中钛的加入量为0.01-0.025％。 

铜(Cu)：铜能够提高钢板及焊接热影响区的强度，铜的沉淀作用还可以提高钢的抗疲劳性能；此外，铜的另一个作用是提高钢板的耐腐蚀性能，近加入0.1％的铜就可以显著提高钢的耐大气腐蚀性。但过量的铜对焊接热影响区及焊接区的韧性是不利的，本发明钢采用了不大于0.4％的加入量。 

铬(Cr)：铬同样是碳化物形成元素，能够提高钢板硬度，起到沉淀强化的作用；铬作为铁素体形成元素，在高Nb钢中可以得到更多的针状铁素体组织；铬还能够提高钢的抗腐蚀及耐氢致开裂性能。仍而，过量的铬将降低钢板的延伸性能，促进晶粒的长大而影响韧性，导致焊接区域的冷裂纹的产生。因此，本发明中只采用了相对较安全的加入量，本发明钢采用了不大于0.4％的加入量。 

镍(Ni)：镍通过固溶强化提高钢的强度，和Mo相比，加入的镍倾向于形成更少的硬化相，从而对低温韧性有利；同时，镍还有助于改善钢中加铜引起的热脆性。本发明钢采用了不大于0.5％的加入量。 

本发明的另一目的在于提供一种制备前述抗变形X80-X100管线钢的方法，该方法是在前述组分设计的基础上(即，高Nb及其它合金配比)，通过采用CRPC工艺，调控出多相组织构成的抗变形X80-X100管线钢，并获得良好的热轧板形优良的多相抗变形。前述CRPC工艺可理解为：C(control rolling控制轧制)+R(relaxing弛豫)+P(pre-hot leveler预矫直)+C(control cooling控冷)。 

作为本发明的一个方面，该抗变形X80-X100管线钢板的制备方法可以包括如下流程：按照前述钢种成分设计进行配比备料→铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH处理→板坯连铸→板坯再加热→温度控制轧制→弛豫空冷→预矫直→加速冷却→热矫直→冷床冷却→UT探伤→剪切→入库。 

而其中，该抗变形X80-X100钢板的CRPC工艺优选为：板坯加热温度1100℃～1250℃，再结晶区轧制温度940℃～110℃，非再结晶区开轧温度800℃～920℃，非再结晶区总压下率60％-90％，终轧温度700℃～820℃；轧后钢板采用弛豫空冷+预矫直+加速冷却进行多相组织调控，弛豫空冷至相变点Ar₃以下10 ℃～100℃后进入预矫直机预矫直，然后快速进入加速冷却，加速冷却速度10～50℃/s，终止温度为260℃～500℃。 

藉由前述组分设计和制备工艺所获得的抗变形X80-X100管线钢板具有如下力学性能： 

1)X80级抗变形管线钢钢板的综合力学性能：横向拉伸屈服强度510-600MPa，抗拉强度650-775MPa，断后伸长率A₅₀≥34％，屈强比≤0.80；纵向拉伸屈服强度490-540MPa，抗拉强度650-750MPa，断后伸长率A₅₀≥38％，屈强比≤0.78，应力比Rt 1.5/Rt 0.5≥1.13、Rt 2.0/Rt 1.0≥1.08，均匀伸长率UEL≥10.5％；-20℃夏比冲击韧性平均值≥250J，-15℃的落锤撕裂试验剪切面积平均百分比(DWTT SA％)≥85％； 

2)X100级抗变形管线钢钢板的综合力学性能：横向拉伸屈服强度690-760MPa，抗拉强度890-930MPa，断后伸长率A₅₀≥26％，屈强比≤0.80；纵向拉伸屈服强度680-720MPa，抗拉强度870-890MPa，断后伸长率A₅₀≥30％，屈强比≤0.78，应力比Rt 1.5/Rt 0.5≥1.15、Rt 2.0/Rt 1.0≥1.05，均匀伸长率UEL≥8.0％；-20℃夏比冲击韧性平均值≥250J，-15℃的落锤撕裂试验剪切面积平均百分比(DWTT SA％)≥85％。 

附图说明

图1是实施例1中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图2是实施例2中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图3是实施例3中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图4是实施例4中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图5是实施例5中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图6是实施例6中抗变形X80钢板的金相组织照片； 

图7是实施例1中抗变形X80钢的EBSD分析图； 

图8是实施例1中抗变形X80管线钢的TEM照片，其中：(a)铁素体相间MA岛明场相，(b)铁素体相间MA岛暗场相，(c)铁素体/贝氏体及其界面上MA岛(d)贝氏体铁素体及其间的MA膜，(e)下贝氏体/铁素体/贝氏体铁素体，(f)铁素 体中的析出相。 

具体实施方式

以下结合实施例1-6及附图1-8对本发明的技术方案作进一步的说明，其中，该实施例1-6所涉及之抗变形X80-X100管线钢板的成分设计参阅表1。而该实施例1-6的制备工艺可以包括如下流程：按照表1所示钢种成分设计进行配比备料→铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH处理→板坯连铸→板坯再加热→温度控制轧制→弛豫空冷→预矫直→加速冷却→热矫直→冷床冷却→UT探伤→剪切→入库。 

进一步，该实施例1-6所涉及的各钢板的规格及其CRPC工艺参数可参阅表2，而其金相组织照片可参阅图1-5，显然，可以看到，该实施例1-6所涉及钢板基体的组织结构为：多边形/准多边形铁素体+贝氏体+MA组元+纳米级析出相，其中软相(多边形/准多边形铁素体)的体积分数30％～70％。 

此外，参照API Spec 5L-2007的标准对前述实施例1-6所涉及钢板的力学性能测试，则还可得到表3所示之测试结果，这些测试结果表明，藉由本发明的技术方案所得到的管线钢板不仅具有良好韧性，良好的抗变形能力(低屈强比(≤0.80)，高应力比(Rt_1.5/Rt_0.5≥1.13)，高均匀延伸率(≥10.5％))，还具有非常平整的热轧板形，尤其适用于“基于抗应变设计”的石油天然气管道工程项目。 

附及，本案发明人还对前述实施例1所获抗变形X80管线钢板中的典型样品进行了EBSD分析和TEM测试，其结果可参见图7-图8。 

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

表1抗变形X80-X100钢板的化学成分示例(wt％) 

表2抗变形X80-X100钢板的轧制工艺(CRPC工艺)及相应组织金相照片 

表3抗变形X80-X100钢板的力学性能 

注：该抗变形X80/X100钢板的力学性能试验依据API Spec 5L-2007执行。