高强度高韧性输送管线钢及其制备方法 【技术领域】
本发明属于高强度高韧性合金及其制备方法，尤其适用于大管径、高压、高密度的油、气长距离输送用高强度高韧性管线钢及其生产方法。
技术背景
根据国家制定的“西气东输”的宏伟战略目标，将铺设数千公里的输送管线。由于其输送管线大部分均要经过严寒地带，并沿途地域复杂，为了降低输送成本，提高石油天然气输送效率，其输送管道已迅速向大管径，介质向高压、高密度输送方向发展。目前，为了满足“西气东输”中对输送管线材质的要求，管线钢的强度级别由X60发展到X70，其满足了输送介质的压力及密度提高的要求，但不能满足介质向更高压、高密度长距离输送方向发展的需求，而且随着输送介质压力的提高，只有进一步提高管线钢的钢级，才能降低管线的建设和运营成本。如申请号为00123185.5，名称为《一种超低碳高韧性抗硫化氢用输气管线钢》，其不足在于：由于生产材质厚度较薄，根据说明书只有8毫米，如输送高压、高密度介质，其强度和壁厚明显不足，使管道极易造成断裂破坏，安全性差，且其延伸率较低，只有20.9～24.5％，加工成型性不好。其工艺制度存在的不足是终轧温度高，在900℃～830℃，即不能充分发挥通过低温轧制进行工艺强化的优点。申请号为00123128.6，名称为《一种高洁净度高强韧性输气管线钢的制备方法》，其不足同上述专利。宝钢、鞍钢虽进行过X80的生产，但生产的板卷厚度(≤10mm)和断裂韧性等指标均无法满足工程技术要求。欧洲钢管生产出的X80钢因其含碳量在0.07～0.11％，其断裂韧性明显不足。而韩国浦项则由于在钢中加入了钒元素，钒对韧性固有的不利影响使得厚壁钢的落锤撕裂(DWTT)性能不稳定。
由于输送高压、高密度介质的管线钢对钢的纯净度要求高，合金元素添加量受限制，因此研究具有高强度高韧性地由合适的成分及合理的工艺制度生产的管线钢即X80钢势在必行。
技术内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供能满足输送高压、高密度的介质长距离输送需求的厚壁在10～20毫米、大口径，且不易断裂及破坏、安全可靠性强、延伸率高、加工成型性好的高强度高韧性输送管线钢及其生产方法。
实现上述目的的技术措施：
高强度高韧性输送管线钢，其特征在于其化学成分重量百分比为：C0.01～0.06，Si 0.15～0.40，Mn 1.61～2.0，P 0.0031～0.018，S≤0.003，Nb0.051～0.09，Ti≤0.025，Mo 0.10～0.40，Cu 0.10～0.40，Ni 0.10～0.40，其余为铁。
制备权利要求1所述的高强度高韧性输送管线钢的制备方法，其特征在于钢坯的加热温度1150～1199℃，终轧温度750～830℃，卷取温度450～629℃，控制冷却速度15～30℃/S。
其各成分的作用如下：
成分设计：X80钢的化学成分设计采取以低碳(或超低碳)-锰-铌-钼系为基础，再辅助添加其它合金元素的方法。低或超低C含量，能减少C元素对韧性的不利影响，并通过合金元素Mn、Mo的作用来抑制先共析铁素体转变，保证获得针状铁素体型组织。采用Nb、Ti微合金化提高再结晶温度，获得含更多形变带的组织，实现细晶强化、位错强化及沉淀强化。通过加Cu来提高高强度管线钢的抗氢脆腐蚀(HIC)能力。并通过加镍来降低钢的韧脆转变温度。
C：碳元素是影响管线钢强韧性、焊接性的主要元素。碳含量增加，焊接性恶化，韧性下降，同时，偏析加剧，抗氢脆腐蚀(HIC)能力下降。随着钢的强度级别的提高，管线钢中的C含量呈逐渐下降的趋势，本发明X80管线钢碳含量控制在0.01～0.06范围内。
Mn：锰是管线用高强度低合金钢的基本合金元素。在本发明中将锰控制在1.61～2.0范围内，以有利于提高钢的屈服强度和冲击韧性。
P、S：磷在管线钢中容易带来偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度等不利影响。硫是影响管线钢的抗氢脆腐蚀(HIC)和抗硫化物应力腐蚀(SSC)能力的主要元素，硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响管线钢的低温冲击韧性。因此，高钢级管线钢应尽量减少P、S元素对钢的性能的不利影响。通过控制X80钢中P含量在0.0031～0.018，S含量0.003以下，并应用喂Ca-Si线等常规夹杂物变性处理技术使钢中夹杂物球化、分布均匀而减少其不利影响。
Nb：添加铌比钒能更显著提高钢的再结晶温度TRX，由于钒对钢的韧性有不利影响，表现在提高钢的韧脆转变温度，因此该钢不加V。含Nb钢由于获得高的TRX使得热轧过程中大量的应变得以在低于它的再结晶温度以下进行，从而获得细小的、含大量形变带的组织。同时将Nb含量控制在0.051～0.09％范围内，可以在轧制冷却过程中，使析出细小的Nb(C、N)质点沉淀强化，从而提高钢的强度。
Ti：在控轧低碳管线钢中，添加小于0.025％钛可细化晶粒，提高钢的屈服强度和韧性。这种性能的改善主要与钛能提高钢的再结晶温度和奥氏体晶粒粗化温度，从而控制连铸和加热过程中的晶粒尺寸有关。同时，Ti加入Nb钢中可以延长NbC的析出孕育期，使得Nb-Ti复合钢的碳化物析出开始时间较Nb钢要晚，从而析出物更加细小、弥散。由于Ti在高温下能与N结合，形成TiN质点，因此Ti的加入有利于焊接时热影响区的晶粒控制，这对改善焊接热影响区的韧性也是非常有利的。
Mo：钼能够有效地延长珠光体转变的孕育期，使铁素体和珠光体区域右移，但对贝氏体的相变影响很小。因此使得钢经奥氏体化后在连续快速冷却时，可以获得贝氏体组织。当钢中含碳量很低时，这种微细结构的贝氏体和针状铁素体组织，能够保证钢具有良好的延性。含Nb-Mo的高强度低合金管线钢较之含Nb-V钢可以具有高得多的强度，这是因为Mo能降低碳化物形成元素如Nb等的扩散能力，从而阻碍碳化物的形成，推迟碳化物的析出过程。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo加入量的增加而提高。
Ni：镍能降低管线钢的韧脆转变温度，提高钢的冲击韧性。
Cu：铜能提高钢的抗腐蚀能力。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、屈服强度(Rt0.5)580～690MPa，抗拉强度(Rm)≥621MPa；
2、-20℃V型缺口夏比冲击功≥220J；
3、-15℃落锤撕裂试验(DWTT)断口纤维率(SA)≥85％；
4、抗腐蚀性能(HIC)：CSR(裂纹面积率)≤2％，CLR(裂纹长度率)≤15％，CTR(裂纹厚度率)≤5％；
5、管壁厚10～20毫米，不易断裂及破坏、安全可靠性强、延伸率高、加工成型性好。
具体实施方案
具体实施例1～3的化学成分如表1：
武钢X80钢成品化学成分(Wt％) 表1 序号 C Si Mn P S Nb Ti Cu Mo Ni 1 0.02 0.30 1.88 0.007 0.003 0.071 0.023 0.20 0.20 0.37 2 0.03 0.27 1.80 0.007 0.003 0.057 0.022 0.20 0.30 0.35 3 0.05 0.28 1.85 0.012 0.001 0.068 0.012 0.23 0.30 0.28
具体制备方法和试验结果如表2及表3：
X80钢的拉伸、冷弯试验结果 表2序号 加热 温 度， ℃ 终轧 温 度， ℃ 卷取 温 度， ℃ 水冷 速 度， ℃/s 厚度 /mm 拉伸试验 180° 冷弯 Rt0.5/MPa Rm/MPa A50/％ 屈强 比 D＝2a1 1180 780 550 10 15 580 655 39 0.89 合格2 1180 780 550 10 15 590 670 38 0.88 合格3 1200 790 560 15 17.5 615 680 37.5 0.90 合格
X80钢的断裂韧性试验结果 表3 序 号 厚度 /mm -20℃V型冲击试验 -15℃DWTT试验 Akv/J SA/％ SA/％ 1 2 3 平均 1 2 3 平均 1 2 平均 1 15 295 295 295 295 100 100 100 100 100 100 100 2 15 285 300 305 297 100 100 100 100 100 100 100 3 17.5 327 327 336 330 100 100 100 100 100 100 100
注：表2、3的1～3数据与表1中的1～3为对应关系。