低温无缝钢管的生产方法技术领域
本发明属于无缝钢管生产领域，关于一种低温用无缝钢管
及其生产方法，特别涉及-70℃环境用低温无缝钢管及其生产方
法。
背景技术
在工业生产中，低温无缝钢管主要应用于低温输送流体管
道、低温压力容器、石化设备以及低温结构用管等领域。目前
广泛应用的低温无缝钢管主要分为以下两类：
低碳高锰钢系列：该系列低温无缝钢管主要通过提高锰碳
比及加入细化晶粒的微量合金元素的方法来提高材料的低温冲
击性能，如国标GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》中适
用于-70℃的09Mn2VDG钢管。
含镍钢系列：该系列低温无缝钢管主要通过在钢中加入一
定含量的镍元素来提高材料的低温冲击性能。如美标ASTMA333
《低温作业用无缝和焊接钢管》中适用于-70℃的Gr7钢管。
由于我国锰资源丰富，价格较低，而镍为稀缺资源，价格
昂贵，因此，低碳高锰钢系列低温无缝钢管的生产成本较低，
经济效益显著，在我国的低温无缝钢管领域应用比较广泛，应
用前景也十分广阔。
在GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》与ASTMA333
《低温作业用无缝和焊接钢管》中，均未对低温钢管焊接后的
力学性能作出规定与要求。由于每根钢管的长度有限，低温无
缝钢管在使用过程中一般需进行焊接。受焊接热循环影响，焊
接接头处会形成组织性能不均匀的焊接热影响区(HAZ)。该区域
的拉伸性能虽不稳定，但能够满足使用要求，而与母材相比，
该区域粗晶区的冲击性能却出现大幅度下降，甚至无法满足使
用要求。
为保证低温无缝钢管焊接后热影响区的冲击性能仍然能够
满足使用要求，在低温无缝钢管焊接后通常要进行焊后热处
理。而在很多不宜进行焊后热处理的工况条件下，低温无缝钢
管焊接后的冲击性能就无法得到保证。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少
一项。
例如，本发明的目的之一在于提供了低温无缝钢管的生产
方法，该低温无缝钢管在焊接前后的力学性能均满足
GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》的要求。
本发明的一方面提供了低温无缝钢管的生产方法，所述生
产方法包括依次进行的以下步骤：
a、冶炼管坯，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：
0.065-0.085％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.9～2.1％，V：
0.05-0.10％，Nb：0.02-0.04％，Re：0.04-0.06％，Cr：0～
0.10％，Ni：0～0.10％，Mo：0～0.05％，Cu：0～0.10％，
As：0～0.015％，Sn：0～0.010％，P：0～0.015％，S：0～
0.010％以及余量的Fe。
b、将管坯轧制成无缝钢管，轧制前管坯的加热温度为
1225～1255℃，控制终轧温度为868～898℃。
c、将制成的无缝钢管进行正火热处理，正火温度为915-
945℃，保温时间根据壁厚尺寸计算为3.5-4.5min/mm。
d、正火冷却。冷却条件满足下列特征的冷却方式：冷却温
区在900-500℃内，钢管表面平均冷速25℃/min＜V表面＜75℃
/min(“表面冷速”为内外表面的加权平均冷速)。
根据钢管壁厚与外径的不同可以分别采用空冷、风冷或雾
冷的方式。其中，当钢管外径/钢管壁厚＞20的时候，正火冷
却采用空冷的方式；当9≤钢管外径/钢管壁厚≤20的时候，正
火冷却采用风冷的方式；当钢管外径/钢管壁厚＜9的时候，正
火冷却采用雾冷的方式。
本发明另一方面所提供的低温无缝钢管的化学成分按重量
百分比计为C：0.065-0.085％，Si：0.15～0.35％，Mn：
1.9～2.1％，V：0.05-0.10％，Nb：0.02-0.04％，Re：0.04-
0.06％，Cr：0～0.10％，Ni：0～0.10％，Mo：0～0.05％，
Cu：0～0.10％，As：0～0.015％，Sn：0～0.010％，P：0～
0.015％，S：0～0.010％以及余量的Fe。
与现有技术相比，本发明所提供的技术的有益效果包括：
得到了一种适用于-70℃环境用低温无缝钢管，并且其焊接后的
力学性能满足GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》的要
求。因此，该低温无缝钢管在焊接后不须再进行焊后热处理，
节约了能源，经济效益显著。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细描述本发明的-70℃
环境用低温无缝钢管及其生产方法。
根据本发明一方面的低温无缝钢管的生产方法包括以下步
骤：
a、冶炼管坯，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：
0.065-0.085％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.9～2.1％，V：
0.05-0.10％，Nb：0.02-0.04％，Re：0.04-0.06％，Cr：0～
0.10％，Ni：0～0.10％，Mo：0～0.05％，Cu：0～0.10％，
As：0～0.015％，Sn：0～0.010％，P：0～0.015％，S：0～
0.010％以及余量的Fe。
b、将管坯轧制成无缝钢管，轧制前管坯加热到温度为
1225～1255℃，控制终轧温度为868～898℃。如果管坯的加热
温度大于1260℃，虽然有利于提高轧管的生产效率，但是钢管
的终轧温度高，晶粒粗大，产品性能难于保证；如果管坯的加
热温度低于1220℃，不仅轧管工具消耗大，轧管的生产效率
低，而且钢管的终轧温度低，产品性能同样难于保证。
c、将制成的无缝钢管进行正火热处理，正火温度为915-
945℃，保温时间根据壁厚尺寸计算为3.5-4.5min/mm。
d、正火冷却。冷却条件满足下列特征的冷却方式：冷却温
区在900-500℃内，钢管表面平均冷速25℃/min＜V表面＜75℃
/min(“表面冷速”为内外表面的加权平均冷速)。
根据钢管壁厚与外径的不同可以分别采用空冷、风冷或雾
冷的方式。其中，当钢管外径/钢管壁厚＞20的时候，正火冷
却采用空冷的方式；当9≤钢管外径/钢管壁厚≤20的时候，正
火冷却采用风冷的方式；当钢管外径/钢管壁厚＜9的时候，正
火冷却采用雾冷的方式。
如果钢管的正火温度大于950℃，正火后钢管的奥氏体晶
粒度将趋于粗大，导致正火后钢管的冲击性能下降；如果正火
温度小于910℃，不利于钢管奥氏体化过程中碳及合金元素的
溶解及均匀化，使得正火后钢管的强度及冲击性能偏低。
由于本发明设计的低温无缝钢管材质中的锰含量较高，
碳、锰偏析较严重，轧制成钢管后其金相组织中常会出现较严
重的带状组织。该带状组织降低了金相组织的均匀性，提高了
韧脆转化温度，降低了低温冲击韧性。因此，本发明设计的低
温无缝钢管要获得优异的低温冲击韧性，正火热处理后不仅要
得到“细晶铁素体+珠光体”的金相组织，也要显著改善正火后
钢管的带状组织偏析。
为解决该问题，本发明的申请人根据试验及实践积累的数
据，采取了以下两项措施：
1)增加保温时间。一般钢管的正火保温时间根据壁厚尺寸
计算为2min/mm，而本发明将正火保温时间提高到3.5-
4.5min/mm，以促进钢管在正火奥氏体化过程中碳及合金元素的
均匀化，降低钢中的碳、锰偏析。
2)钢管正火冷却时采用较快的冷速。如果钢管表面平均冷
速太慢，则金相组织较粗大，带状组织较严重；如果钢管表面
平均冷速太快，则金相组织中的偏析区域将会出现贝氏体。以
上两种情况均会降低钢管的低温冲击韧性。而采用本发明制定
的正火冷速，将显著改善正火后钢管的带状组织偏析，提高低
温冲击韧性。
一般而言，薄壁、内孔较大的钢管可在冷床上采用空冷的
冷却方式，中等壁厚和内孔的钢管可采用风冷的冷却方式，厚
壁、内孔较小的钢管可采用雾冷的冷却方式。总之，只要正火
冷却速度符合本发明的冷速要求，钢管就可获得较好的冲击性
能。
优选地，所述管坯的化学成分按重量百分比计为C：
0.075％，Si：0.25％，Mn：2.0％，V：0.07％，Nb：
0.03％，Re：0.05％，Cr：0.05％，Ni：0.04％，Mo：0.03％，
Cu：0.08％，As：0.012％，Sn：0.008％，P：0.01％，S：
0.008％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述轧制前管坯的加热温度为1240℃。
优选地，所述无缝钢管的正火温度为930℃。
优选的，在正火热处理工序，正火温度为925-935℃，保
温时间根据壁厚尺寸计算为3.8-4.2min/mm；钢管表面平均冷
速为45℃＜V表面＜60℃。
根据本发明另一方面的低温无缝钢管的化学成分按重量百
分比计为C：0.065-0.085％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.9～
2.1％，V：0.05-0.10％，Nb：0.02-0.04％，Re：0.04-
0.06％，Cr：0～0.10％，Ni：0～0.10％，Mo：0～0.05％，
Cu：0～0.10％，As：0～0.015％，Sn：0～0.010％，P：0～
0.015％，S：0～0.010％以及余量的Fe。
优选地，所述低温无缝钢管的化学成分按重量百分比计为
C：0.075％，Si：0.25％，Mn：2.0％，V：0.07％，Nb：
0.03％，Re：0.05％，Cr：0.05％，Ni：0.04％，Mo：0.03％，
Cu：0.08％，As：0.012％，Sn：0.008％，P：0.01％，S：
0.008％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明设计的低温无缝钢管属于低碳高锰钢系列，与
09Mn2VDG钢管相比，本发明进行成分设计时主要进行了以下四
方面的重大改进：
降低硫、磷、砷、硒等有害元素的含量。本发明采用正交
实验法进行了优选，结果显示，当材质中的磷含量不大于
0.015％、硫含量不大于0.010％、砷含量不大于0.015％、硒
含量不大于0.010％时，本发明设计的低温无缝钢管冲击性能
能够充分满足设计要求。反之，则冲击性能不稳定，波动较
大。
降碳增锰：通过降低碳含量、提高锰含量来提高钢中的锰
碳比，从而提高钢管的冲击韧性，且钢中碳含量的减低有利于
提高钢管焊后热影响区的冲击韧性。具体来讲，如果材质中的
碳含量大于0.085％，则钢管焊接后的冲击性能急剧下降，如
果材质中的碳含量小于0.065％，则钢管的强度偏低；如果材
质中的锰含量大于2.1％，则钢管中的带状偏析较严重，造成
韧脆转化温度上升，-70℃冲击性能下降。如果材质中的锰含量
小于1.9％，则材质中的锰碳比偏低，造成冲击性能下降。
添加铷元素：通过加入铷元素，可以有效净化钢液，并且
可以变质非金属夹杂物、改善非金属夹杂物形态及分布规律，
从而进一步提高了钢管的冲击韧性。
添加铌元素：通过加入铌元素，起到了如下作用：一是在
热加工过程中有效抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长
大；二是通过其碳氮化物的应变诱导析出发挥沉淀强化作用；
三是在钢管焊接后的热影响区中铌会起到强烈阻止其晶粒长大
的作用，从而减少了钢管焊接后冲击性能的下降幅度。四、该
钢中同时加入铌和钒后，充分利用了铌和钒之间交互作用，起
到铌钒复合强化的作用，从而弥补了因钢中碳含量下降所造成
的钢管强度下降的状况。如果材质中的铌含量偏高，则连铸钢
坯易裂，影响钢管的成材率；如果材质中的铌含量偏低，则不
能起到提高钢管强度及焊后冲击性能的作用。
通过成分优化设计后，本发明的-70℃环境用低温无缝钢管
不仅焊接前的冲击性能明显优于09Mn2VDG钢管，而且焊接后冲
击性能的下降幅度有限，能够充分满足GB/T18984-2003《低温
管道用无缝钢管》的要求。
下面将结合具体示例来对本发明进行示例性说明。
冶炼管坯：
通过冶炼和连铸，得到示例1至3的管坯。
在冶炼、炉外精炼、浇铸过程中，严格按照规范进行操
作，使钢的化学成分均匀，钢质纯净，以确保钢管的性能。
钢管轧制：
轧制过程中控制管坯的加热温度、终轧温度等各种工艺参
数，以满足钢管性能指标。主要工艺参数如下：
环形炉加热温度为：1225～1255℃，终轧温度为880℃±
20℃。
示例1的管坯轧制成的钢管规格为168(外径)*8(壁厚)；
示例2的管坯轧制成的钢管规格为273(外径)*20(壁厚)；
示例3的管坯轧制成的钢管规格为323.9(外径)*48(壁
厚)；
钢管热处理：
将制成的无缝钢管进行正火热处理，正火温度为915-
945℃，保温时间根据壁厚尺寸计算为3.5-4.5min/mm，正火冷
却根据钢管壁厚与外径的不同分别采用空冷、风冷或雾冷的方
式，或者冷却条件满足下列特征的冷却方式：冷却温区在900-
500℃内，钢管表面平均冷速35℃/min＜V表面＜75℃/min。
其中，示例1钢管的冷却方式为：冷床上空冷；示例2钢
管的冷却方式为：冷床上风冷；示例3钢管的冷却方式为：冷
床上雾冷。
钢管性能检测：
本发明设计的-70℃环境用的低温无缝钢管的钢质纯净，晶
粒度细小，焊接前后的力学性能均满足GB/T18984-2003《低温
管道用无缝钢管》的要求。因此，该低温无缝钢管在焊接后不
须再进行焊后热处理。这对于降低低温管道作业的施工成本及
难度，提高经济效益，具有非常重要的意义。
尽管上面已经结合实施例描述了本发明，但是本领域普通
技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况
下，可以对上述实施例进行各种修改，均处于本发明的保护范
围之内。