一种海底管道用钢及其制备方法

技术领域

本申请涉及钢材制备技术领域，尤其涉及一种海底管道用钢及其制备方法。

背景技术

管道输送石油、天然气被认为是最安全、经济、高效的输送方法之一。随着陆上油气田已逐步进入开采的中后期，注意力逐步转向油气资源潜力巨大的海洋、极地等地，勘探前景良好。其中，海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60％，而大陆坡的深水、超深水域的油气资源潜力也很可观，约占30％。但是，由于地质条件相对更为恶劣，对海底管线钢的综合性能提出了更高的要求。

海底管线受到洋流、潮汐等因素的影响，随时处于运动状态。在承受管线自重、管道内部压力、外部水压等工作载荷的同时，还要面临风、浪、流、涌甚至地壳移动等环境载荷对管线平移的考验，再加上海底地形复杂与洋流冲刷作用，需要海底管道有较高的强韧性和断裂韧性。

此外，湿H

但是，随着钢管直径和厚度的增加，会给钢板的生产制造带来了巨大的挑战。尤其是随着厚度的增加，由于钢板冷却过程中的均匀性控制等难度进一步增大，导致钢板沿厚度方向的应变及温度传导不均匀，致使沿厚度方向组织不均匀，进而造成断裂韧性(低温DWTT落锤性能波动较大)和耐H

发明内容

本申请提供了一种海底管道用钢及其制备方法，以解决现有海底管道用钢难以同时兼顾高强度、优异断裂韧性和高耐H

第一方面，本申请提供了一种海底管道用钢的制备方法，所述方法包括：

在设定温度的条件下，对铸坯进行加热；

对加热后的所述铸坯进行轧制，并控制所述轧制的工艺参数，得到热轧板；

在第一设定速率的条件下，对所述热轧板进行第一冷却，后在设定时间的条件下，进行待温；其中，控制所述热轧板的开冷温度以及所述热轧板的第一终冷温度；

在第二设定速率的条件下，对待温后的所述热轧板进行第二冷却，以使待温后的所述热轧板具有第二终冷温度，得到海底管道用钢。

可选的，所述第一速率为10℃/s～20℃/s，所述热轧板的开冷温度为770℃～790℃，所述热轧板的第一终冷温度为600℃～630℃，所述设定时间为8s～12s。

可选的，所述第二设定速率为20℃/s～30℃/s，所述第二终冷温度为260℃～300℃。

可选的，所述设定温度为1200℃～1250℃。

可选的，对加热后的所述板坯进行轧制，并控制所述轧制的工艺参数，得到热轧板，包括：

在第一设定开轧温度和第一设定终轧温度的条件下，对加热后的所述铸坯进行粗轧；

在第二设定开轧温度和第二设定终轧温度的条件下，对粗轧后的所述铸坯进行精轧，得到热轧板。

可选的，所述第一设定开轧温度为1160℃～1200℃，和或第一设定终轧温度为980℃～1040℃。

可选的，所述第二设定开轧温度为830℃～850℃，和或第二设定终轧温度为790℃～820℃。

第二方面，本申请提供了一种海底管道用钢，所述海底管道用钢由第一方面任一项实施例所所述的方法制得，所述钢的显微组织包括：

多边形铁素体、针状铁素体以及MA岛；其中，

在所述钢的四分之一位置处的所述组织的晶粒尺寸为6μm～18μm，所述钢的心部的所述组织的晶粒尺寸为12μm～30μm。

可选的，所述设定化学成分包括：

C、Si、Mn、P、S、Alt、Nb、Ti以及Fe；其中，

C的含量为0.08重量％～0.12重量％，Si的含量为0.25重量％～0.35重量％，Mn的含量为1.25重量％～1.45重量％，P的含量为≤0.01重量％，S的含量为≤0.003重量％，Alt的含量为0.025重量％～0.035重量％，Nb的含量为0.045重量％～0.065重量％，Ti的含量为0.035重量％～0.055重量％。

可选的，所述钢板的性能包括：所述钢的厚度≥30mm，所述钢的屈服强度555MPa～705MPa，所述钢的抗拉强度625MPa～825MPa，所述钢的-30℃夏比冲击≥300J，所述钢的-20℃落锤DWTT为≥90％，所述钢的沿厚度方向硬度差值为20HV～40HV；

所述钢的抗氢致开裂性能为：所述钢的裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)以及裂纹敏感率(CSR)均为0。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该海底管道用钢的制备方法，控制该管道用钢的热轧工艺，其目的使晶粒尺寸细小、均匀；控制该管道用钢的冷却工艺，其目的为：第一冷却阶段为了使温度从表面向心部的充分传导。使温度分布更加均匀，从而保证沿厚度方向的组织均匀性，且将沿厚度方向的硬度差值控制在较小的范围内，从而提高心部冲击韧性和低温断裂韧性，同时也会提高抗HIC性能；第二阶段冷却的目的：获得目标组织类型，提高生产效率。综上，该方法解决了现有海底管道用钢难以同时兼顾高强度、优异断裂韧性和高耐H

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种海底管道用钢的制备方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种海底管道用钢的四分之一位置处典型组织类型；

图3为本申请实施例提供的一种海底管道用钢的二分之一位置处典型组织类型。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

第一方面，本申请提供了一种海底管道用钢的制备方法，请参见图1，所述方法包括：

S1、在设定温度的条件下，对铸坯进行加热；

S2、对加热后的所述铸坯进行轧制，并控制所述轧制的工艺参数，得到热轧板；

S3、在第一设定速率的条件下，对所述热轧板进行第一冷却，后在设定时间的条件下，进行待温；其中，控制所述热轧板的开冷温度以及所述热轧板的第一终冷温度；

S4、在第二设定速率的条件下，对待温后的所述热轧板进行第二冷却，以使待温后的所述热轧板具有第二终冷温度，得到海底管道用钢。

目前，随着钢管直径和厚度的增加，会给钢板的生产制造带来了巨大的挑战。尤其是随着厚度的增加，由于钢板冷却过程中的均匀性控制等难度进一步增大，导致钢板沿厚度方向的应变及温度传导不均匀，致使沿厚度方向组织不均匀，进而造成断裂韧性(低温DWTT落锤性能波动较大)和耐H

在一些实施方式中，所述第一速率为10℃/s～20℃/s，所述热轧板的开冷温度为

770℃～790℃，所述热轧板的第一终冷温度为600℃～630℃，所述设定时间为8s～12s。

在本申请实施例中，“第一速率”表示第一冷却的速率，“设定时间”表示热轧板的待温时间，对上述热轧板进行分阶段冷却，控制第一冷却速率为10℃/s～20℃/s，热轧板的开冷温度为770℃～790℃，热轧板的第一终冷温度为600℃～630℃，待温时间为8s～12s的积极效果：为了使温度从表面向心部的充分传导。使温度分布更加均匀，从而保证沿厚度方向的组织均匀性，且将沿厚度方向的硬度差值控制在较小的范围内，从而提高心部冲击韧性和低温断裂韧性，同时也会提高抗HIC性能。若上述数值控制过大，在一定程度上会生成大量的硬相组织，不利于韧性和抗HIC性能；若上述数值控制过小，在一定程度上会导致强度不足。具体地，该第一冷却的速率可以为10℃/s、12℃/s、14℃/s、16℃/s、18℃/s、20℃/s等；热轧板的开冷温度可以为770℃、780℃、790℃等；热轧板的第一终冷温度可以为600℃、610℃、620℃、630℃等；该待温时间可以为8s、9s、10s、11s、12s等。

在一些实施方式中，所述第二设定速率为20℃/s～30℃/s，所述第二终冷温度为260℃～300℃。

“第二设定速率”表示第二冷却速率，控制第二冷却速率为20℃/s～30℃/s，热轧板的第二终冷温度为260℃～300℃的积极效果：以合适的冷却速度冷至目标区域，获得目标组织类型，提高生产效率；若上述数值控制过大，在一定程度上会无法获得目标组织类型；若上述数值控制过小，在一定程度上会导致钢板内应力过大，损害抗HIC性能。具体地，该第二冷却的速率可以为20℃/s、22℃/s、24℃/s、26℃/s、28℃/s、30℃/s等；该热轧板的第二终冷温度可以为260℃、270℃、280℃、290℃、300℃等。在经过第二冷却后，再经过空冷至室温。

在一些实施方式中，所述设定温度为1200℃～1250℃。

“设定温度”表示对铸坯的加热温度，控制该加热温度为1200℃～1250℃的积极效果：合理控制奥氏体晶粒尺寸。若该加热温度过高，在一定程度上会导致晶粒粗大；若该加热温度过低，在一定程度上会导致加热不均匀。具体地，该加热温度可以为1200℃、1210℃、1230℃、1240℃、1250℃等。

在一些实施方式中，对加热后的所述板坯进行轧制，并控制所述轧制的工艺参数，得到热轧板，包括：

在第一设定开轧温度和第一设定终轧温度的条件下，对加热后的所述铸坯进行粗轧；

在第二设定开轧温度和第二设定终轧温度的条件下，对粗轧后的所述铸坯进行精轧，得到热轧板。

“第一设定开轧温度”表示粗轧的开轧温度，“第一设定终轧温度”表示粗轧的终轧温度，“第二设定开轧温度”表示精轧的开轧温度，“第二设定终轧温度”表示精轧的终轧温度。其中，中间待温厚度控制在成品厚度的1.5～2.5倍。

在一些实施方式中，所述第一设定开轧温度为1160℃～1200℃，和或第一设定终轧温度为980℃～1040℃。

控制粗轧的开轧温度为1160℃～1200℃的积极效果：充分奥氏体化，且不致晶粒粗大；若该温度过高，在一定程度上会导致晶粒粗大；若该温度过低，在一定程度上会影响组织的均匀性。具体地，该粗轧的开轧温度可以为1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃等。

控制粗轧的终轧温度为980℃～1040℃的积极效果：在再结晶区充分细化晶粒；若该温度过高，在一定程度上会造成晶粒粗大，且后面的精轧前待温时间较长，影响生产效率；若该温度过低，在一定程度上会难以保证精轧的终轧温度。具体地，该粗轧的终轧温度可以为980℃、1000℃、1020℃、1040℃等。

在一些实施方式中，所述第二设定开轧温度为830℃～850℃，和或第二设定终轧温度为790℃～820℃。

控制精轧的开轧温度为830℃～850℃的积极效果：保证钢板在未再结晶区进行轧制；若该温度过高，在一定程度上会导致晶粒尺寸不均匀；若该温度过低，在一定程度上会难以保证保证精轧的终轧温度。具体地，该精轧的开轧温度可以为830℃、840℃、850℃等。

控制精轧的终轧温度为790℃～820℃的积极效果：可有效地控制奥氏体晶粒尺寸；若该温度过高，在一定程度上会导致晶粒粗大；若该温度过低，在一定程度上会难以获得目标组织类型。具体地，该精轧的终轧温度可以为790℃、800℃、810℃、820℃等。

第二方面，本申请提供了一种海底管道用钢，所述海底管道用钢由第一方面任一项实施例所所述的方法制得，所述钢的显微组织包括：

多边形铁素体、针状铁素体以及MA岛；其中，

在所述钢的四分之一位置处的所述组织的晶粒尺寸为6μm～18μm，请参见图2，所述钢的心部的所述组织的晶粒尺寸为12μm～30μm，请参见图3。

多边形铁素体的作用：作为软相组织，可有效提高抗氢致开裂性能，针状铁素体的作用：具有很好的止裂作用，MA岛的作用：可有效提高强度。控制该钢的四分之一位置处的所述组织的晶粒尺寸为6μm～18μm的积极效果：在保证强度的同时，也保证韧性和抗氢致开裂性能。若该晶粒尺寸过大，在一定程度上会降低强度和韧性；若该晶粒尺寸过小，在一定程度上会导致钢板强度偏高。具体地，该晶粒尺寸可以为6μm、10μm、14μm、18μm等，该位置处平均晶粒尺寸为11μm。

控制该钢的心部的所述组织的晶粒尺寸为12μm～30μm的积极效果：有效提高抗氢致开裂性能。若该晶粒尺寸过大，在一定程度上会损害强度和韧性，对抗氢致开裂性能也会产生不利的影响；若该晶粒尺寸过小，在一定程度上会导致钢板内应力加大，与钢板其他位置的组织之间的硬度差也会增大，进而对抗氢致开裂性能产生十分不利的影响。具体地，该晶粒尺寸可以为12μm、16μm、20μm、24μm、28μm、30μm等，该位置处平均晶粒尺寸为18μm。

在一些实施方式中，所述设定化学成分包括：

C、Si、Mn、P、S、Alt、Nb、Ti以及Fe；其中，

C的含量为0.08重量％～0.12重量％，Si的含量为0.25重量％～0.35重量％，Mn的含量为1.25重量％～1.45重量％，P的含量为≤0.01重量％，S的含量为≤0.003重量％，Alt的含量为0.025重量％～0.035重量％，Nb的含量为0.045重量％～0.065重量％，Ti的含量为0.035重量％～0.055重量％。

控制C的含量为0.08重量％～0.12重量％的积极效果：碳元素是提高钢板强度的有效元素之一。且它的添加，不仅可以提高钢板的强度，而且生产成本较低。但是较高的碳元素容易产生偏析，对钢板的抗氢致开裂性能和氢相容性会产生不利的影响，而且当碳含量较高时，也会对钢板的焊接性能、塑形、冲击性能产生负面影响。具体地，该C的含量可以为0.08重量％、0.09重量％、0.10重量％、0.11重量％、0.12重量％等。

控制Si的含量为0.25重量％～0.35重量％的积极效果：硅元素也是提高钢板强度的有效元素之一。但是较高的硅元素会使晶界脆化，会使低温韧性和抗氢致开裂性能变差。具体地，该Si的含量可以为0.25重量％、0.30重量％、0.35重量％等。

控制Mn的含量为1.25重量％～1.45重量％的积极效果：锰元素可以提高钢板的强度，但是较高的锰元素容易偏析脆化，不利于改善抗氢致开裂性能。具体地，该Mn的含量可以为1.25重量％、1.30重量％、1.35重量％、1.40重量％、1.45重量％等。

控制P的含量为≤0.01重量％的积极效果：磷元素为杂质元素，且容易在晶界发生偏析，对低温韧性、抗氢致开裂性能等都十分不利。具体地，该P的含量可以为0.01重量％、0.009重量％、0.008重量％等。

控制S的含量为≤0.003重量％的积极效果：硫元素为杂质元素，易与Mn元素结合生成非金属夹杂物MnS，成为氢致裂纹的萌生位置，对低温韧性、抗氢致开裂性能等都十分不利。具体地，该S的含量可以为0.003重量％、0.0025重量％、0.002重量％等。

控制Alt的含量为0.025重量％～0.035重量％的积极效果：作为脱氧元素，与氮结合所形成的的弥散的AlN粒子可以阻止奥氏体晶粒长大。具体地，该Alt的含量可以为0.025重量％、0.030重量％、0.035重量％等。

控制Nb的含量为0.045重量％～0.065重量％的积极效果：铌可以有效地细化晶粒尺寸，从而提高强度和韧性；铌的析出物的沉淀强化作用也可有效提高钢板强度。此外，铌的析出物还可以作为氢陷阱，均匀分布在基体上可有效提高抗氢致开裂性能。具体地，该Nb的含量可以为0.045重量％、0.050重量％、0.060重量％、0.065重量％等。

控制Ti的含量为0.035重量％～0.055重量％的积极效果：钛的析出物可以提高钢板强度，且可以作为氢陷阱，捕捉氢元素，有助于提高抗氢致开裂性能。具体地，该Ti的含量可以为0.035重量％、0.040重量％、0.045重量％、0.050重量％、0.055重量％等。

在一些实施方式中，所述钢板的性能包括：所述钢的厚度≥30mm，所述钢的屈服强度555MPa～705MPa，所述钢的抗拉强度625MPa～825MPa，所述钢的-30℃夏比冲击≥300J，所述钢的-20℃落锤DWTT为≥90％，所述钢的沿厚度方向硬度差值为20HV～40HV；

所述钢的抗氢致开裂性能为：所述钢的裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)以及裂纹敏感率(CSR)均为0。

上述海底管道用钢具有优异的力学性能以及抗氢致开裂性能。

该海底管道用钢是基于上述海底管道用钢的制备方法来实现，该海底管道用钢的制备方法的具体步骤可参照上述实施例，由于该海底管道用钢采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

表1海底管道用钢的化学成分

表2海底管道用钢的显微组织及其晶粒尺寸

表3海底管道用钢的热轧工艺参数

表4海底管道用钢的冷却工艺参数

表5海底管道用钢的力学性能

表6海底管道用钢的抗氢致开裂性能试验结果

通过本申请实施例的海底管道用钢的制备方法，请参见表1-表6，制备出的海底管道用钢具有优异的力学性能以及优异的抗氢致开裂性能。而对比例采用传统的冷却工艺，导致力学性能较差以及抗氢致开裂性能较差。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。