一种含Cu管线钢及其强化热处理工艺技术领域
本发明涉及高强度微合金控轧控冷钢，特别提供一种石油天然气输送
用新型含Cu高强韧性兼具抗硫化氢腐蚀管线钢。
背景技术
管道运输工程是油气采运发展的前提和基础，处于油气产业价值链的
核心环节，市场前景广阔。随着人类不断对石油、天然气两大主要能源的
消耗，正迫使油气开采向着极端环境发展。相应地，对石油开采、油气运
输所用的油管钢材质的选择带来一系列问题。硫化氢腐蚀便是管线钢所面
临的一个严峻问题。如何在保证高强韧性以及节约成本的前提下仍然保持
较好的抗硫化氢腐蚀性能对管线钢的发展将具有重要指导意义。
Cu合金化元素在钢中具有三大主要作用：1)提高基体强度；2)提高
耐腐蚀性能；3)改善加工性能。这为含Cu钢的开发提供了潜能。早期含
Cu低合金高强度(HSLA)钢的开发证实了Cu合金化元素加入到钢结构材
料的可行性，这种含铜HSLA钢不仅具有优良的焊接性能，而且在不影响
韧性的同时还能大幅度提高其强度，这为Cu合金化元素在微合金管线钢中
的应用指明了思路。
在含Cu高强度低合金结构钢的研究中可以看到，以往的研究者也认识
到了Cu合金化元素在钢中所起到的强化作用，然而在他们所报道的实施例
中，极少注意到含Cu钢中经过强化热处理后富Cu析出相的“氢陷阱”作
用，从而在保证高强度的同时仍具有较好的抗硫化氢腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在保证高强韧性的同时具有优异的耐硫化
氢腐蚀性能的新型含Cu管线钢，以使材料满足不断发展的综合性能指标的
更高要求。
本发明的技术方案是：
本发明经过前期实验研究，提出了一种新型具有高强韧性的含Cu管线
钢，Cu合金化元素对该管线钢的强化起到关键性作用。其特征在于，在轧
后或重新再加热时效热处理过程中，通过Cu的析出沉淀强化，不仅能大幅
度提高强度，而且细小弥散析出的富Cu相可成为氢陷阱，同时提高管线钢
的抗硫化氢腐蚀性能。
根据上述构思所提出的含Cu管线钢，其微观组织包括多边形铁素体和
针状铁素体，合金成分及重量百分比为：
C：0.015～0.035％；Si：0.10～0.20％；Mn：0.8～1.1％；Cu：1.0～2.0％；
Ni：0.30～0.40％；Mo：0.30～0.40％；Cr：0.30～0.40％；Nb：0.04～0.06％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的化学成分如下：
C：0.020～0.030％；Si：0.10～0.15％；Mn：0.9～1.1％；Cu：1.0～2.0％；
Ni：0.30～0.35％；Mo：0.30～0.35％；Cr：0.30～0.35％；Nb：0.045～0.055％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
传统的管线钢主要通过两种方式强化：一是通过提高合金化元素；二
是通过热机械控制轧制和控制冷却。提高合金化元素主要以提高Mn的含量
为主，而Mn含量过高，对管线钢的抗硫化氢性能不利。
本发明通过采用超低C含量来保证管线钢的高韧性及焊接性。
本发明通过适当降低Mn含量，增加Cu含量，一方面Cu含量增加可
以抵消Mn含量降低所损失的强度，另一方面，含Cu管线钢通过强化热处
理后均匀弥散析出纳米富Cu相起到“氢陷阱”作用，同时改善管线钢的抗
硫化氢腐蚀性能。
本发明中Cu元素对该管线钢的强化和抗硫化氢腐蚀性能起到关键性
作用，其含量为1.0～2.0％，Cu在钢中超过0.5％就可以通过沉淀强化提高钢
的强度和硬度，但Cu含量在1.0％以下以及2.0％以上铜钢的沉淀硬化敏感
性比较小，而且Cu含量过高会对钢的冲击韧性和热加工性能产生不利影
响。
本发明通过加入适量的Cr、Ni、Mo元素来改善钢中Cu的析出行为。
本发明除延用传统管线钢生产过程中热机械控制轧制和控制冷却的优
势外，增加Cu的析出强化热处理后，充分发挥Cu合金化元素在钢中的优
势，同时大幅度提高钢的强度和抗硫化氢腐蚀性能。
本发明成分范围内的含Cu管线钢可采用如下方式生产：
原材料均采用合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。经配料、混
料后，放入真空冶炼炉中熔炼，浇铸成合金铸锭。铸锭在切除帽口、扒除
表面氧化皮后，在1050℃左右开坯，开坯后沿长度方向下料，进入下一步
热加工工序。
确定了材料的成分后，热加工工艺和强化热处理制度很重要，它决定
了材料的性能指标。本发明还提供了用于达到管线钢最佳力学性能指标相
应的强化热处理工艺：
(1)冶炼后奥氏体单相区加热锻造，锻后空冷，奥氏体单相区加热温
度不超过1080℃，锻造过程中至少3次回炉，锻造比≤4(优选奥氏体单相
区加热温度为1050℃，锻造过程中回炉4次，锻造比为3)；
(2)锻后热机械控制轧制(TMCP)，初轧温度为1000-1030℃，终轧
温度为≥800℃，轧后以20～30℃/s水冷，热轧累积压下量达到90％以上，
终冷温度为400～600℃(优选420℃)，而后空冷。热轧过程中，分七道次
进行热轧，每道次压下量不得大于35％；
(3)热轧后时效，时效后空冷。
所述步骤(3)中，热轧后温度降至450～600℃或降温后重新加热到
450～600℃，时效时间为10分钟～10小时，时效后空冷。优选的时效处理制
度为：450℃时效6小时，空冷；或500℃时效1小时，空冷；或550℃时
效1小时，空冷。最优选的时效处理制度为：500℃时效1小时，空冷。
本发明的有益效果是：
1、本发明含1.0％Cu的管线钢在强化热处理后强度就高于传统X80级
别管线钢，且韧性与传统X80级别管线钢相当，更高Cu含量的加入在强化
热处理后强度可达X120级别，并保持较好的韧性。
2、本发明所述含Cu管线钢显微组织包括多边形铁素体和针状铁素体，
与现有商用管线钢相比能够大幅度提高强度的同时具有优异的抗硫化氢腐
蚀性能。
附图说明
图1为本发明含1.5Cu管线钢轧态显微组织形貌。
图2为本发明含1.0Cu管线钢在500℃时效1小时后的显微组织形貌。
具体实施方式
下面将通过不同实施例和对比例的比较来描述本发明，这些实施例仅
用于解释的目的，本发明并不局限于这些实施例中。
表1为实施例和对比例中各种钢的化学成分。各种实施例钢按照表2
参数经过热机械控制轧制和控制冷却制成钢板，按照表3进行时效强化处
理，对比例钢的热轧及冷却参数按照传统管线钢生产工艺进行，表3同时
列出了实施例和对比例钢的力学性能。硫化氢腐蚀试验只对氢致开裂实验
实施，参照NACE TM 0284-2003标准，实验溶液选用标准溶液A。实施例
及对比例的抗氢致开裂性能见表4。
表1实施例和对比例化学成分(wt％)
编号
C
Si
Mn
Mo
Cu
Cr
Ni
Nb
V
S
P
备注
1
0.030
0.14
1.09
0.31
1.06
0.32
0.32
0.04
--
0.0011
0.005
实施例
2
0.020
0.12
1.03
0.31
1.46
0.31
0.31
0.05
--
0.0011
0.005
实施例
3
0.023
0.13
1.06
0.30
2.00
0.30
0.30
0.06
--
0.0010
0.005
实施例
4
0.025
0.17
0.93
0.34
1.70
0.33
0.32
0.05
--
0.0006
0.004
实施例
5
0.035
0.19
0.86
0.35
1.25
0.37
0.37
0.05
--
0.0013
0.003
实施例
6
0.017
0.20
1.10
0.38
1.87
0.40
0.40
0.05
--
0.0015
0.003
实施例
7
0.028
0.28
1.90
0.22
0.20
--
0.29
0.081
0.031
0.0020
0.012
对比例
8
0.05
0.23
1.77
0.24
--
0.28
0.016
0.079
--
0.0016
0.0076
对比例
9
0.05
0.22
1.92
0.29
0.25
0.41
0.44
0.082
0.009
0.0020
0.0078
对比例
表2热机械控制轧制和控制冷却参数
表3强化热处理工艺和力学性能
*冲击试样为半尺寸：5mm×10mm×55mm
表4抗氢致开裂参数
从实施例1-6的材料综合性能可以看出，按照本发明所给出的成分，含
Cu管线钢具有较高的强韧性兼具优异的抗硫化氢腐蚀性能。
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饰，都应涵盖在
本发明的保护范围之内。