一种X80级管束外承载管用钢及其生产方法与流程

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种x80级管束外承载管用钢及其生产方法。

背景技术：

1、随着环保意识的提高，对干净能源需求的呼声不断高涨，石油、天然气作为最干净的能源之一，其开发利用也越来越受到世界各国的重视。由于陆地资源的有限，海底油气资源的开采量逐年递增，在中国近海开发的油田中，原油多具高粘、高凝、高含蜡的特性，故多采用热油管道输送工艺。而管束能提供经济优质的保温性能，适应输送工艺需要。目前中国近海开发的油田多处浅海(水深小于200米)水域，油田距岸相对较近，油田内部平台之间或平台与单点系泊之间，往往都需要有多根油、气、水海底管线和电缆，采用管束作法很有优势，可以一次完成多根管的设计及海上安装。管束系统是指两根或两根以上的管线汇集在一起，如同一根管道一样来预制和安装。在这一背景下，一种大口径管束外承载管用钢具有很高的研究价值。管束系统在世界上的应用，已超过20年，应用最多的是在北海和墨西哥湾。1980年在北海设计安装了第一个管束系统，海上安装采用控制深度拖管法(cdtm)，承载管外径12.75英寸，总长度仅800米。随后在北海和墨西哥湾以及世界各地设计和安装了许多不同尺度的管束系统，其复杂度、总长度和内置管线数量以及水深都迅速增长，到目前已超过80个。随着管束应用的发展，管束向着大壁厚、大口径方向发展，目前设计安装的最大尺度管束，外套管外径达到50英寸，壁厚已达35mm。我国尚未开展大口径管束外承载管用钢的研发工作，现在我国浅海海底油田都在用油套管用钢来代替管束外承载管用钢。但油套管通常比较薄，常采用热轧带钢生产，与中厚板还存在强韧性能匹配较差，厚度规格偏薄，高温蠕变等诸多问题。此外，现阶段开发出的套管用钢主要以热轧卷板为主规格为主，厚度在12～23mm之间，23mm以上厚度规格的套管用钢钢板还未见报道。

2、我国未来将新建多座深海油气田，大口径管束外承载管用钢的需求量预计高达30万吨。随着海水深度的增加，管束外承载管壁厚要不断增加，除成本外，还会带来许多其它问题，为了减少壁厚的增加，就要求提高强度来解决，x80级高强度管束外承载管用钢目前还是空白，特别是高温热稳定性、低温韧性等方面存在明显不足。

3、国外开发出管束外承载管用钢，大壁厚大口径管束外承载管用钢，采用中厚板工艺生产，直缝埋弧焊工艺制管，要求低温冲击韧性优异，且无高温蠕变现象，与套管用钢有明显的区别。

4、目前，国内外对管束外承载管用钢有一些研究，经检索发现了部分专利和文献，但其所记载的内容与本发明技术方案所述成分、生产方法、高温热稳定性、低温韧性等方面存在明显不足。

5、相关专利1：《一种2250mm产线制备h40石油套管用钢及其制备方法》

6、(cn201911408022.0)仅提供了口径小于711mm，厚度规格覆盖到3-19mm之间的油气管道工程中套管用热轧卷板及其制备方法，没有高温性能指标，不符合中厚板制造工艺。

7、相关专利2：《一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢及其制造方法》(cn202010765824.3)提供了钢壁厚＞13mm，大厚壁高韧性电阻焊套管用钢的制造方法，电阻焊用材也是热轧卷板，口径小于711mm，厚度小于23mm，没有高温性能指标，不符合中厚板制造工艺。

8、相关专利3：《一种cr微合金化石油套管用钢及其制造方法》(cn201710990236.8)提供了一种高强度石油套管用钢及其制备方法，通过加入一定的cr含量如0.40 0.50％，来满足对钢管强度的要求，并在一定程度上增加钢的耐腐蚀性，所用材料为热轧卷板，没有高温性能指标，不符合中厚板制造工艺。

9、相关专利4：《针状铁素体型耐低温n80级石油套管用钢及其制备方法》

10、(cn201811577443.1)公开了一种针状铁素体型耐低温n80级石油套管用钢及制备方法，具有良好的耐低温冲击和抗hic腐蚀性能。仍为热轧卷板，没有高温性能指标，不符合中厚板制造工艺。

11、综上所述，现有技术对23mm以上的壁厚用于埋弧焊工艺生产的555mpa级级管束外承载管的中厚板，在耐低温高韧性、高温热稳定性的性能开发尚存在不足，无法满足海底油气田对材料性能的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种满足海底油气田的材料需求，合金成本低，工艺简单易行，无需回火热处理，易实现工业化批量生产的x80级管束外承载管用钢及其制备方法。

2、本发明针对海底油气田在油气采输过程中，针对x80高温热稳定性、低温韧性等方面存在明显不足等多种关键特性要求存在的不足，从材料成分设计、钢包冶金技术和微观组织状态控制等全方位的角度，提供了x80级管束外承载管用钢及其生产制备方法，解决了上述难题，满足海底油气田的材料需求。该产品适用于一种厚壁埋弧焊管，钢板为中厚板，其组织为针状铁素体+ma。

3、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

4、一种x80级管束外承载管用钢，钢中化学成分按重量百分计为：c 0.13％～0.17％、si0.20％～0.40％、mn 1.75％～2.00％、p 0.003％～0.012％、s≤0.002％、n0.0010％～0.0030％、al 0.01％～0.04％、v 0.040％～0.060％、mo 0.08％～0.25％、nb0.045％～0.07％、ti 0.01％～0.02％、ni 0.35％～0.45％、cu 0.15％～0.25％、ca0.004％～0.009％、re 0.06％～0.08％、h≤0.00015％、o≤0.0020％，其中ca/s≥1.8，其余为fe以及不可避免的杂质。

5、以下详细阐述本发明的一种x80级管束外承载管用钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：

6、c：是保证钢强度的必要元素，含量在0.13％以上，可以使钢具备良好的室温及高温强度，同时获得优异的耐磨性。但当含量超过一定量时焊接性能恶化。因此上限为0.17％。从经济性和产品性能角度考虑，优选c含量控制在：0.13％～0.17％。

7、si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上。但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的si提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此si含量为0.20％～0.40％。

8、mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，mn与s结合形成mns，避免晶界处形成fes而导致的热裂纹，同时mn也是良好的脱氧剂。锰作为低成本的强韧化元素，其含量过低，无法保证材料的强度，但当mn含量过高时，会加重铸坯偏析并恶化粗晶热影响区(cghaz)的低温韧性，因此mn含量应该控制在1.75％～2.00％。

9、p：是钢中不可避免的杂质元素，会恶化钢的韧性和焊接性能。研究表明，当p含量高于0.015％时，其在上甲板酸性气相介质条件下的腐蚀性显著下降，本发明上限为0.012％以下。

10、s：含量如果超过0.01％，会在钢中形成大量的mns夹杂，而mns夹杂位置是点状腐蚀的起源，从而降低钢的耐腐蚀性，因此要采取措施使钢中s含量尽可能降低。因此本发明中，确定s含量上限为0.002％。

11、al：作为脱氧和细化晶粒元素，一般添加含量在0.01％以上，但超过0.06％时容易产生铸坯热裂纹，形成大量夹杂，同时钢的韧性降低，因此al含量上限为0.055％，本发明含量范围为0.01％～0.04％。

12、v：与o、n都有很大的亲和力，是强碳化物形成元素，一般vc的弥散度很高，且极稳定，所以它既利脱氧、脱气得到致密细晶组织，提高塑性、韧性及高强度，其冲击性能和疲劳强度都较无钒钢高。由于碳化钒的高度分散阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊性能，但加热到vc溶解温度后即会引起钢晶强烈长大。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；钒增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。v可以提高钢中稀土的固溶量，从而提高钢的耐腐蚀性能，本发明其含量控制在0.040％～0.060％。

13、mo：作为显著提高淬透性和贝氏体化倾向的元素，在钢中适当添加mo可抑止珠光体的形成，其提高钢的强化性作用与cr相似，通过碳化物的形成来提高钢的强度和耐磨性。mo还具有良好的“红硬性”，使钢在高温下仍然保持较高的强度和硬度。但添加过多也会造成焊接性和低温韧性的恶化，因此优选的mo含量范围在0.08％～0.25％之间。

14、nb：产生细晶强化的关键元素之一，细化作用表现在两方面，其一对奥氏体再结晶具有显著地延迟作用，提高再结晶温度，防止再结晶奥氏体长大；其二是随着轧制温度的降低，nb的c、n化物在奥氏体向铁素体转变前弥散析出，成为铁素体形核质点，使铁素体在小过冷度下形成，不易长大，细化铁素体晶粒尺寸。作为非再结晶温度区间扩大的nb元素，可通过晶粒细化增加高角晶界，进而改善止裂韧性。因此优选的nb含量范围在0.045％～0.07％之间

15、ti：是作为提高钢和焊接部位韧性而添加的成分，作为强烈的固n元素，易形成tin而提高焊缝金属的抗n气孔的能力，小于0.005％时效果作用甚微，超过0.055％时易形成大颗粒tin而失去效果。钢板为获得高热输入下的低温韧性，需要控制钢中ti，因此添加ti含量范围为0.01％～0.02％。

16、ca：ca与s结合形成cas可包覆氧化铝等夹杂，实现夹杂物变性和球化，有利于提高耐腐蚀性、韧性和抗疲劳性；同时，先期形成的细小弥散的cas，可降低mns形成比例，cas与h2o作用，离解出碱性的oh-离子，可降低腐蚀坑的酸化程度，较小点腐蚀敏感性，在本发明中，ca：0.004％～0.009％，ca/s≥1.8。

17、ni：作为奥氏体稳定化元素，ni的增加可提高固溶强化效果，镍可降低铁素体相变温度，细化铁素体晶粒尺寸，起到细晶强化作用；另外，可促进针状铁素体的形成，在产生相变强化的同时，还能够增加晶界面积，提高断裂韧性和止裂能力。因此，优选ni含量在0.35％～0.45％之间。

18、cu：能够明显提升钢板淬透性和耐腐蚀能力，也钢中是奥氏体稳定性元素，适量的加入可细化tmcp钢板的微观组织，提升低温韧性；但过多的加入，会造成“铜脆”倾向，铸坯表面和内部易出现裂纹，降低轧后钢板的力学性能，而且使韧性降低，引起钢板脆化，因此，本发明cu含量控制在0.15％～0.25％。

19、re：稀土(re)原子性质活泼，结合力较强，将稀土添加在钢中可以起到改善凝固组织、改变固态相变组织、形成无害化低熔点夹杂物、通过偏聚强化界面、钝化表面锈层等作用；稀土可以提高耐候钢的自腐蚀电位、极化电阻，从而抑制了阳极反应，使整个电化学反应的阻力增大，使得钢的腐蚀速率显著降低；稀土通过扩散机制富集在晶界，抑制夹杂物在晶界的偏聚，提高钢材的低温性能和耐腐蚀性能；但稀土属于稀缺资源，要控制其加入量，本发明的re含量控制在0.06％～0.08％。

20、n可以与nb、ti、形成细小析出物，发挥强化和细晶作用，提高强韧性，但含量过高使韧性恶化，其含量控制在0.0010％～0.0030％为宜。

21、h、o在本发明中为不可避免有害杂质元素；其含量增加会导致氢致开裂倾向增大，夹杂物增加，耐腐蚀性和抗疲劳性能下降，因此，本发明控制h≤0.00015％、o≤0.0020％。

22、一种x80级管束外承载管用钢的生产方法，包括如下方法：

23、1)冶炼：采用深脱硫铁水，硫含量≤0.002％，铁水至转炉后，采用“双渣”脱磷与炉后钢水“扒渣”相结合的工艺冶炼，终渣碱度控制在r＝3.1～4.3，通过有效的挡渣操作，杜绝大量下渣，放钢时间不小于5min。

24、冶炼过程采用高拉碳一次点吹方式生产，在转炉内调整钢的主要元素至本发明范围内，并根据要求添加其它合金成分进行熔炼。

25、从转炉搬出的钢水进行二次精炼，进一步降低o、s、非金属夹杂等有害杂质含量。lf精炼过程中采用铝粒、碳化硅、碳化钙调渣，终渣碱度控制在2.3以上。lf结束后进行ca处理，按每吨钢1.2～2.0米喂线。

26、2)连铸：过热度≤20℃，二冷采用弱冷，浇铸过程按照温度、拉速匹配操作，连铸坯拉速1.0～1.6m/min，浇铸板坯厚度200～360mm。

27、3)加热：将上述钢板坯加热到1150℃～1230℃；这是由于，低于1150℃的温度不足以让合金元素完全溶解到奥氏体中，无法保证热轧所需的终轧温度。而高于1230℃，使得原始奥氏体晶粒粗化显著，会降低钢板的低温韧性。

28、4)轧制：从满足管束钢的力学性能要求考虑，在1150～980℃奥氏体再结晶区和未再结晶区温度两阶段控制轧制，并保证二阶段轧制累积压下量不低于60％。

29、再结晶区开轧温度为1080～1150℃，终轧温度为980～990℃。

30、根据钢板的力学性能需求可选择不同的未再结晶区轧制温度和冷却速率。例如屈服强度要求为x80级别的高强度钢，且冲击韧性温度要求在-20℃时，热轧未再结晶区轧制温度为880℃以下，终轧温度为780℃以上。

31、5)冷却：冷却方式为层流冷却，轧后空冷时间12-18s、层流冷却开始温度760-770℃、冷却时间10-15s，冷却速率控制在10～13℃/s，将钢板冷却至450℃～480℃。

32、本发明管束外承载管用钢钢板厚度为23mm～35mm。钢板组织为针状铁素体+ma(马奥岛)。管束外承载管用钢屈服强度为555～600mpa，抗拉强度为625～690mpa，延伸率为23％～28％；-20℃冲击吸收功为160～220j；650℃高温下屈服强度为555～585mpa，抗拉强度为625～680mpa，延伸率为24％～29％。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、1)应用本发明所制备x80级管束外承载管强韧性能匹配良好：屈服强度为555～600mpa，抗拉强度为625～690mpa，延伸率为23％～28％；-20℃冲击吸收功为160～220j；650℃高温下屈服强度为555～585mpa，抗拉强度为625～680mpa，延伸率为24％～29％。

35、2)本发明操作简单，在线控冷后无需回火热处理，提高生产效率的同时，节约了生产成本，易实现工业化批量生产。

36、3)本发明采用两阶段控制轧制，通过x80级管束外承载管用钢钢板的终轧温度，来控制管束外承载管用钢的组织，保持理想性能，无高温蠕变现象，同时大幅地降低了生产成本。

37、4)本发明所述适宜x80级管束外承载管钢板最大厚度达到35mm，具有良好低温韧性、高温热稳定性，满足了大壁厚管束外承载管制造所需材料的技术要求。