一种X80钢、X80钢板及其三通的制备方法

摘要

本发明公开了一种X80钢、X80钢板及其三通的制备方法。其中，一种X80钢，包括以下元素，每种元素的重量百分比为：C 0.12～0.2％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.7～1.0％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr 0.15～0.35％，Mo 0.25～0.35％，Cu 0.5～0.8％，Ni 0.9～1.1％，Nb 0.02～0.04％，Ti≤0.01％，V≤0.02％，控制Mn/C 5～6，Ni/Cu 1.3～2，Nb+V+Ti≤0.05％，Ceq 0.46～0.55％。本发明提供的一种X80钢为制造壁厚不大于90mm的符合X80钢级三通技术指标的三通提供原材料。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁领域，特别涉及一种X80钢、X80钢板及其三通的制备方法。

背景技术

管道输送油气因其较其它运输手段具有安全、可靠、经济、节能、高效等优势，所以随着世界石油工业的持续发展，全世界油气管道建设正在飞速发展,其对管材性能的要求也越来越高。

目前大型三通普遍采用在压力机上利用模具热压成形后，再进行淬火和回火的生产工艺。目前应用的最高钢级为X80。

随着对天然气需求量的不断增加，为了提高输送效率，大型管线的建设一直向着高钢级、大管径、高压力的方向发展。比较典型的，以西气东输为例，西气东输一线，该管道直径1016毫米，设计压力为10MPa，西气东输二线，管道直径为1219毫米，设计压力为12Mpa，即将启动的中俄东线等工程，管径将达到1422mm，设计压力为12Mpa。

在同等强度下，管径和设计压力的增大，都需要钢管壁厚增加，以保证足够的承压能力。在钢管的众多产品中，例如直缝管、螺旋管、弯管和三通等，尤其是三通，壁厚计算按照GB/T 50251或ASME B31.8，其壁厚要远高于同等的干线管。

但是，由于三通要经过淬火加回火的工序，三通的强度依赖于在淬火环节，材料在足够的冷速下完成低温组织转变，得到贝氏体或马氏体组织，在回火后得到回火贝氏体或索氏体组织，从而实现较高的强度水平。由于淬火时，温度从外向内传导，壁厚的增加，直接导致壁厚中心处的冷速大幅降低，将致三通性能显著降低。预想达到更高的强度，传统的水冷或盐水冷却已不能满足要求，就必然要采用更快速的冷却方法，如加液氮，但加液氮的冷却工艺方法实施困难且成本高昂，因此，三通的强度与壁厚形成矛盾。

以西气东输二线为例，X80钢级，设计压力12Mpa，管径为1219mm的等径三通，其壁厚为52mm。同等钢级和压力下，1422等径mm三通，如按《GB50251输气管道工程设计规范》设计计算，三通壁厚将达70mm以上。

专利文献：公开号为CN101205594A，名称为《一种X80钢所制管件及其制造工艺》公开的三通的壁厚范围均在60mm以下；公开号为102011064，名称为《一种X80级低温管件用钢及其制备和应用》公开的三通的壁厚范围30-70mm，公开号为CN104894492A，名称为《一种超低温大口径级三通管件专用钢板及其制备方法》公开的三通的壁厚范围30-40mm。并且上述专利文献对淬火冷却速度要求必须大于15℃，增加了三通制造难度，质量控制难度大，淬火必须在快速搅拌的盐水中冷却才能达到，淬火后还需要用清水清洗三通以避免氯离子对钢铁腐蚀。

发明内容

本发明提供一种X80钢、X80钢板及其三通的制备方法，用以解决现有技术中三通在壁厚达到90mm时不能满足X80钢级三通的技术指标。

在第一方面，本发明提供了一种X80钢，包括以下元素，每种元素的重量百分比为：

C 0.12～0.2％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.7～1.0％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr0.15～0.35％，Mo 0.25～0.35％，Cu 0.5～0.8％，Ni 0.9～1.1％，Nb 0.02～0.04％，Ti≤0.01％，V≤0.02％，控制Mn/C 5～6，Ni/Cu 1.3～2，Nb+V+Ti≤0.05％，Ceq 0.46～0.55％。

优选地，每种元素的重量百分比为：

C 0.14％，Si 0.2％，Mn 0.75％，P 0.008％，S≤0.004％，Cr 0.15％，Mo 0.3％，Cu 0.5％，Ni 0.9％，Nb 0.02％，Ti 0.001％，V 0.002％，控制Mn/C 5.4，Ni/Cu 1.8，Nb+V+Ti 0.023％，Ceq 0.46％。

优选地，每种元素的重量百分比为：

C 0.15％，Si 0.25％，Mn 0.9％，P 0.007％，S 0.003％，Cr 0.2％，Mo 0.2％，Cu0.6％，Ni 0.9％，Nb 0.03％，Ti 0.003％，V 0.005％，控制Mn/C 6，Ni/Cu 1.5，Nb+V+Ti0.038％，Ceq 0.48％。

优选地，每种元素的重量百分比为：

C 0.17％，Si 0.28％，Mn 0.9％，P 0.006％，S 0.004％，Cr 0.35％，Mo 0.2％，Cu0.77％，Ni 1.03％，Nb 0.035％，Ti 0.001％，V≤0.001％，控制Mn/C 5.3，Ni/Cu 1.34，Nb+V+Ti 0.037，Ceq 0.55％。

在第二方面，本发明提供了一种用上述任一项所述的X80钢制成的钢板，所述钢板的厚度为90mm以下。

在第三方面，本发明提供了一种X80钢级三通的制备方法，

将上述任一项所述的钢板压制成形，成形温度为900～1000℃；

淬火热处理，淬火温度为930～1000℃，保温时间为0.5～1.5小时，之后冷却，冷却速度大于5℃/s；

回火热处理，回火温度为580～650℃，保温时间为2～5小时；

空冷。

具体地，所述冷却速度为5～15℃/s。

具体地，所述X80钢级三通的直径为1016～1422mm、壁厚为40～90mm。

具体地，所述X80钢级三通壁厚中心屈服强度大于555MPa，-50℃夏比冲击大于100J。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的一种X80钢为制造壁厚不大于90mm的符合X80钢级三通技术指标的三通提供原材料。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种X80钢，包括以下元素，每种元素的重量百分比为：

C 0.12～0.2％，Si 0.2～0.3％，Mn 0.7～1.0％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr0.15～0.35％，Mo 0.25～0.35％，Cu 0.5～0.8％，Ni 0.9～1.1％，Nb 0.02～0.04％，Ti≤0.01％，V≤0.02％，控制Mn/C 5～6，Ni/Cu 1.3～2(Ni与Cu的重量比为1.3～2)，Nb+V+Ti≤0.05％(Nb、V和Ti的重量百分比之和小于等于0.05％)，Ceq 0.46～0.55％。

本发明提供的X80钢的原理为：

碳元素是提高钢强度的有效元素，随着碳含量的增加，钢的强度大幅增加，但过高C含量焊接性能及韧性变差，因此本发明选用C含量为0.12～0.2％，使得钢板具有良好的强韧性同时具有较好的焊接性能。

锰元素可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益，同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。过高Mn会形成偏析带，在热处理过程促进P等杂质元素的偏析，造成低温韧性下降。本发明选用Mn含量为0.7～1％，同时控制Mn与C的重量比为5～6，淬火时产生细小低碳马氏体，为回火提供基础。

铜元素含量为0.5～0.8％，主要是在此范围内Cu在回火时析出均匀细小ε-Cu可以大幅度提高钢的强度和低温韧性。

镍是能提高钢的强度同时改善钢低温韧性最有效的元素，但成本较高，Ni含量在0.9～1.1％；控制Ni与Cu的重量比为1.3～2可以避免加热或热轧时产生低熔点Cu析出裂纹。

Mo和Cr能够细化晶粒提高钢的强度和韧性，Mo可以防止钢的回火脆性，但过高的Mo和Cr导致钢的低温韧性过低，因此控制Cr和Mo的重量百分比分别为0.15～0.35％和0.25～0.35％。

Nb、V和Ti是最重要微合金化元素，在控轧管线钢起到决定性作用，可以说没有Nb、V和Ti的添加就没有高等级高性能的管线钢，但在X80钢级三通这种调质钢中应严格控制他们的含量，原因是在淬火冷却时Nb、V和Ti会促进贝氏体形成，回火时不利于均匀索氏体形成，此外高温回火沉淀出碳氮化物降低钢的低温韧性，本发明仅加少量的Nb细化晶粒，严格控制V和Ti含量且Nb+V+Ti的重量百分比小于0.05。

由原理可知，本发明提供的一种X80钢为制造壁厚不大于90mm的符合X80钢级三通技术指标的三通提供原材料。

在本发明的一种具体实施方式中，每种元素的重量百分比为：C 0.14％，Si0.2％，Mn 0.75％，P 0.008％，S≤0.004％，Cr 0.15％，Mo 0.3％，Cu 0.5％，Ni 0.9％，Nb0.02％，Ti 0.001％，V 0.002％，控制Mn/C 5.4，Ni/Cu 1.8，Nb+V+Ti 0.023％，Ceq0.46％。

在本发明的另一种具体实施方式中，每种元素的重量百分比为：

C 0.15％，Si 0.25％，Mn 0.9％，P 0.007％，S 0.003％，Cr 0.2％，Mo 0.2％，Cu0.6％，Ni 0.9％，Nb 0.03％，Ti 0.003％，V 0.005％，控制Mn/C 6，Ni/Cu 1.5，Nb+V+Ti0.038％，Ceq 0.48％。

在本发明的再一种具体实施方式中，每种元素的重量百分比为：C 0.17％，Si0.28％，Mn 0.9％，P 0.006％，S 0.004％，Cr 0.35％，Mo 0.2％，Cu 0.77％，Ni 1.03％，Nb0.035％，Ti 0.001％，V≤0.001％，控制Mn/C 5.3，Ni/Cu 1.34，Nb+V+Ti 0.037，Ceq0.55％。

在本发明的第二方面，本发明还提供了一种利用上述任一项所说的X80钢制成的钢板，该钢板的厚度为90mm以下，为制造壁厚为90mm的X80钢级三通提供钢板。

在本发明的第三方面，本发明还提供了一种X80钢级三通的制备方法，

将上述任一项所说的钢板压制成形，成形温度为900～1000℃；

淬火热处理，淬火温度为930～1000℃，保温时间为0.5～1.5小时，之后冷却，冷却速度大于5℃/s；

回火热处理，回火温度为580～650℃，保温时间为2～5小时；

空冷。

本领域技术人员可以采用现有技术将钢板压制成三通，本发明在此不作赘述。

本发明提供的一种X80钢级三通的制备方法的淬火冷却速度大于5℃/s，在水中淬火冷却，淬火冷却速度大于5℃，即可满足X80钢级三通性能要求且最大壁厚可以达到90mm。

用水作为淬火的冷却介质，相对于液氮作为冷却介质实施方便且成本低很多，相对于盐水如氯化钠作为冷却介质不会引入氯离子腐蚀钢铁。

本发明所用到的水可以为自来水、蒸馏水或去离子水等。

在实际操作中，三通在水中的冷却速度为5～15℃/s。

利用本发明提供的X80钢级三通的制备方法，可以制造出直径为1016～1422mm、壁厚为40～90mm的X80钢级三通。

利用本发明提供的的X80钢级三通的制备方法制造的X80钢级三通壁厚中心屈服强度大于555MPa，-50℃夏比冲击大于100J。

实施例1

以成分(重量百分比)为C 0.14％，Si 0.2％，Mn 0.75％，P 0.008％，S≤0.004％，Cr 0.15％，Mo 0.3％，Cu 0.5％，Ni 0.9％，Nb 0.02％，Ti 0.001％，V 0.002％，控制Mn/C5.4Ni/Cu 1.8，Nb+V+Ti＝0.023，Ceq 0.46％的X80钢所制成的42mm厚控扎钢板，压制成1016-610mm三通，成形温度为900-1000℃。最终热处理工艺为：淬火温度930℃，升温速度为200℃/h，保温时间1小时，自来水冷却，冷却速度10℃/s，回火温度650℃，升温速度100℃/h，保温时间3小时，空冷。实施例1制造的三通的性能详见表1。

实施例2

以成分(重量百分比)为C 0.15％，Si 0.25％，Mn 0.9％，P 0.007％，S 0.003％，Cr 0.2％，Mo 0.2％，Cu 0.6％，Ni 0.9％，Nb 0.03％，Ti 0.003％，V 0.005％，控制Mn/C6，Ni/Cu 1.5，Nb+V+Ti＝0.038，Ceq 0.48％的X80钢所制成的70mm厚控扎钢板，压制成1219-1016mm三通，成形温度为900-1000℃。最终热处理工艺为：淬火温度950℃，升温速度为200℃/h，保温时间1小时，普通水冷却，冷却速度10℃/s，回火温度600℃，升温速度100℃/h，保温时间3小时，空冷。实施例2制造的三通的性能详见表1。

实施例3

以成分(重量百分比)为C 0.17％，Si 0.28％，Mn 0.9％，P 0.006％，S 0.004％，Cr 0.35％，Mo 0.2％，Cu 0.77％，Ni 1.03％，Nb 0.035％，Ti 0.001％，V≤0.001％，控制Mn/C 5.3，Ni/Cu 1.34，Nb+V+TI＝0.037，Ceq 0.55％的X80钢所制成的85mm厚控扎钢板，压制成1422-1422mm三通，成形温度为900-1000℃。最终热处理工艺为：淬火温度980℃，升温速度为200℃/h，保温时间1小时，普通水冷却，冷却速度10℃/s，回火温度580℃，升温速度为100℃/h，保温时间5小时，空冷。实施例3制造的三通的性能详见表1。

表1实施例1-3制造的三通的性能

实施例屈服强度/MPa抗拉强度/MPa-50℃冲击功/J163072015126096901873603702164

由表1可知，利用本发明的X80钢级三通的制备方法制造的三通符合X80钢级三通所规定的技术指标。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。