一种钢组织均匀的管线钢板及其制备方法

技术领域

本申请涉及管线钢板制备技术领域，尤其涉及一种钢组织均匀的管线钢板及其制备方法。

背景技术

硫化氢是石油、天然气中极具腐蚀作用的介质，在运输过程中，输送管线受到该介质的腐蚀占较大比例。在湿硫化氢环境中，可导致钢材出现氢鼓泡、氢致开裂等，因腐蚀产生的氢侵入输送管道内而产生的裂纹称为氢致开裂。氢致开裂不仅会造成环境破坏，还可能导致巨大的财产损失和人员伤亡，潜在危害巨大。因此，抗氢致开裂性能是管线用钢板的一项十分重要的性能指标。

专利号CN109234618B、CN109594015A公开了一种经济型或低成本抗HIC管线钢板X70MS，这些专利均侧重降低合金成本等手段来降低生产成本，但专利中均未涉及到较厚的钢板的制造方法及抗氢致开裂(HIC)性能水平。

发明内容

本申请提供了一种钢组织均匀的管线钢板及其制备方法，以解决管线钢板中抗氢致开裂性能稳定性差技术问题。

第一方面，本申请提供了一种钢组织均匀的管线钢板，所述管线钢板的化学成分以质量分数计包括：C:0.04％～0.10％，Si：0.015％～0.70％，Mn：1％～2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％～0.035％，Nb：0.0255％～0.045％，Ti：0.0155％～0.035％，Cu：0.30％～0.45％，Ni：0.2％～0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；

可选的，所述管线钢板的化学成分以质量分数计包括：C:0.05％～0.7％，Si：0.055％～0.60％，Mn：1.9％～1.95％，P：≤0.008％，S：≤0.0008％，Al：0.028％～0.032％，Nb：0.0265％～0.035％，Ti：0.0165％～0.025％，Cu：0.32％～0.35％，Ni：0.3％～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

可选的，所述管线钢板的金相组织包括12～14％珠光体，余量为铁素体；所述铁素体的尺寸为1～15μm。

可选的，所述铁素体的平均尺寸为4-10μm。

第二方面，本申请提供了第一方面所述的管线钢板的制备方法，所述方法包括以下步骤：

得到板坯；

将所述板坯进行第一加热、粗轧和精轧，得到精轧钢板；

将所述精轧钢板进行第一冷却、第二加热和第二冷却，得到管线钢板。

可选的，所述第一加热的保温温度为1100～1200℃，所述第一加热的保温时间为60～75min。

可选的，所述粗轧的开始温度为1050～1100℃，所述粗轧的结束温度950～1000℃，所述精轧的开始温度850～900℃，所述精轧的结束温度800～830℃。

可选的，所述第一冷却的终点温度为100～150℃；

所述第一冷却包括第一阶段和第二阶段；

所述第一阶段中，所述精轧钢板从厚度方向包括：第一冷却层、中间冷却层和第二冷却层，所述中间冷却层位于所述第一冷却层和所述第二冷却层之间；

所述第一阶段中，所述第一冷却层和所述第二冷却层分别以70℃/s～80℃/s的速度进行冷却至预设温度；所述中间冷却层以25℃/s～32℃/s的速度进行冷却至所述预设温度。

可选的，所述第二加热中，所述精轧钢板的上表面和下表面的目标温度分别为400-450℃，所述精轧钢板中部的目标温度为340～380℃。

可选的，所述第二冷却包括以空冷的方式冷至室温。

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所述管线钢板，经济的低碳、低合金成分体系，其中，Ti是强碳化物形成元素，富集在晶界处，能有效的抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时，在焊接热影响区中能组织奥氏体晶粒的长大；Cu元素能提高强度及耐腐蚀性能，同时还能提高淬透性，有利于厚板中部位置的淬透性的加强，Ni可扩大铁的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元，降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率；通过各元素的共同作用，有效保证了管线钢板在厚度方向的组织均匀性，使钢板的抗氢致开裂性能更加稳定。

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，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明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的介绍，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一种钢组织均匀的管线钢板的制备方法的流程示意图；

图2为本申请实施例1提供的金相组织图；

图3为本申请对比例1提供的金相组织图。

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。

本申请提供了一种钢组织均匀的管线钢板，所述管线钢板的化学成分以质量分数计包括：C:0.04％～0.10％，Si：0.015％～0.70％，Mn：1％～2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％～0.035％，Nb：0.0255％～0.045％，Ti：0.0155％～0.035％，Cu：0.30％～0.45％，Ni：0.2％～0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

本申请中各元素的作用如下：

C元素是提高强度的手段之一，如果含量过高，会在钢板厚度中心处产生偏析，对抗氢致开裂性能等带来十分不利的影响。且本发明中添加了适量的Nb、Ti合金元素来保证强度，因此采用超低碳含量，将C含量控制在0.04～0.1％范围内。

Mn元素可提高钢板强度，如果添加量过多，也极易在钢板厚度处偏析，促进带状组织和硬相的形成，含量增多会增大氢致开裂的倾向，恶化材料的抗腐蚀性能。此外，它还易与S结合形成MnS夹杂物，增大局部氢压，成为氢致裂纹的易发位置。因此，综合考虑，将Mn控制在1-2范围。

P和S元素是钢中杂质元素，且易偏析，影响连铸坯内部质量。为了获得优异的抗氢致开裂性能，必须严格控制P、S含量。本发明中其含量控制范围为：P：≤0.010％，S：≤0.001％。

Nb能提高奥氏体的再结晶温度，扩大未再结晶区温度范围，推迟了未再结晶的进行，可以有效地细化晶粒。细化晶粒不仅能提高钢材的强度，也能从一定程度上提高钢材的低温韧性和塑性。微合金元素Nb的C、N化物等弥散的分布在基体上，也能有效的细化晶粒。因此，将Nb控制在0.025-0.045％。

Ti是强碳化物形成元素，富集在晶界处，能有效的抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时，在焊接热影响区中能组织奥氏体晶粒的长大，改善焊接性能。因此，将Ti控制在0.015-0.035％以内。

Cu元素能提高强度及耐腐蚀性能，同时还能提高淬透性，有利于厚板心部位置的淬透性的加强。但是，过高的Cu含量会对冲击性能、焊接性能等产生十分不利的影响。因此，将Cu控制在0.30～0.45％。

Ni可扩大铁的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。它能够降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性。此外，它能够强化铁素体并细化、增多珠光体，提高强度，且对韧性无负面影响。因此，将Ni控制在0.2～0.5。

作为一种可选的实施方式，所述管线钢板的化学成分以质量分数计包括：C:0.05％～0.7％，Si：0.055％～0.60％，Mn：1.9％～1.95％，P：≤0.008％，S：≤0.0008％，Al：0.028％～0.032％，Nb：0.0265％～0.035％，Ti：0.0165％～0.025％，Cu：0.32％～0.35％，Ni：0.3％～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

作为一种可选的实施方式，所述管线钢板的金相组织包括12～14％珠光体，余量为铁素体；所述铁素体的尺寸为1～15μm。

作为一种可选的实施方式，所述铁素体的平均尺寸为4-10μm。

本申请实施例中，金相组织包括12～14％珠光体，余量为铁素体，该组织类型有利于氢的扩散，进而提升抗氢致开裂性能的有益效果，所述铁素体尺寸1-15μm，具有减轻钢板内部应力、抑制裂纹扩展的有益效果。

作为一种可选的实施方式，所述管线钢板沿厚度方向的硬度差值≤70HV。

本申请实施例中，管线钢板沿厚度方向的硬度差值≤70HV，表明本申请的管线钢板沿厚度方向组织更均匀，不易发生氢致开裂，所述管线钢板沿厚度方向中部，常规为管线钢板距上下表面约为3-25cm处，管线钢板中部的硬度≤290HV，具有有效避免裂纹形核的有益效果；中部的软相组织与中部的硬相组织硬度差值≤60HV，具有组织均匀、提升抗氢致开裂性能的有益效果。

本申请实施例中，裂纹长度率、裂纹厚度率、裂纹敏感率分别为0，表明管线钢板性能稳定，不易开裂。

第二方面，本申请提供了第一方面所述的管线钢板的制备方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1.得到板坯；

本申请实施例中，所述板坯的化学成分以质量分数计可以为：C:0.04％～0.10％，Si：0.015％～0.70％，Mn：1％～2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％～0.035％，Nb：0.0255％～0.045％，Ti：0.0155％～0.035％，Cu：0.30％～0.45％，Ni：0.2％～0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

S2.将所述板坯进行第一加热、粗轧和精轧，得到精轧钢板；

作为一种可选的实施方式，所述第二加热中，所述精轧钢板的上表面和下表面的目标温度分别为400-450℃，所述精轧钢板中部的目标温度为340～380℃。

S3.将所述精轧钢板进行第一冷却、第二加热和第二冷却，得到管线钢板。

作为一种可选的实施方式，所述第一冷却的终点温度为100～150℃；

本申请实施例中，控制第一冷却的终点温度的原因是完成奥氏体组织的充分转变，控制组织类型，如果温度高于150℃，会导致冷却时间的缩短，继而影响组织转变的充分性，造成组织类型不均匀，如果温度低于100℃，短时间内冷却温度较低，会增大钢板内部应力，易形成裂纹。

所述第一冷却包括第一阶段和第二阶段；

所述第一阶段中，所述精轧钢板从厚度方向包括：第一冷却层、中间冷却层和第二冷却层，所述中间冷却层位于所述第一冷却层和所述第二冷却层之间；

所述第一阶段中，所述第一冷却层和所述第二冷却层分别以70℃/s～80℃/s的速度进行冷却至预设温度；所述中间冷却层以25℃/s～32℃/s的速度进行冷却至所述预设温度。

本申请实施例中，所述第一冷却层中冷却至400-450℃为精轧钢板的上表面至所述精轧钢板的厚度方向的1/4处，以70℃/s～80℃/s的速度进行冷却；中间冷却层，所述精轧钢板的厚度方向的1/4处至所述精轧钢板的厚度方向的3/4处，以25℃/s～32℃/s的速度进行冷却至340-380℃；第二冷却层，所述精轧钢板的厚度方向的3/4处至所述精轧钢板的下表面，以70℃/s～80℃/s的速度进行冷却；所述预设温度可以为580℃。

本申请实施例中，第一冷却和第二加热，更精准地控制了沿钢板厚度方向的组织类型、比例及显微硬度，减少了氢致开裂的可能性，使钢板具备优异的抗氢致开裂性能。

本申请实施例中，控制所述第一冷却中冷却至400-450℃的冷速的原因是控制珠光体的比例，优势在于具有避免珠光体比例过多、降低抗氢致开裂性能的现象发生，选择冷却至400-450℃的原因是精细化控制组织类型中各相的比例；将钢板份3层控制冷速的原因是确保沿厚度方向组织的均匀性。

作为一种可选的实施方式，所述第二冷却包括以空冷的方式冷至室温。

本申请实施例中，所述管线钢板的型号可以为X70，X70表示钢板的强度等级。

作为一种可选的实施方式，所述粗轧的开始温度为1050～1100℃，所述粗轧的结束温度950～1000℃，所述精轧的开始温度850～900℃，所述精轧的结束温度800～830℃。

作为一种可选的实施方式，所述第一加热的保温温度为1100～1200℃，所述第一加热的保温时间为60～75min。

作为一种可选的实施方式，所述粗轧的开始温度为1050～1100℃，所述粗轧的结束温度950～1000℃，所述精轧的开始温度850～900℃，所述精轧的结束温度800～830℃。

下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的方法进行详细说明。

实施例1～实施例5及对比例1

实施例1～实施例5及对比例1中，将如表1化学成分(其余为Fe和不可避免的杂质)的板坯进行加热到1100～1200℃，再经过粗轧、精轧和水冷获得铁素体+珠光体组织的钢板。

生产过程的加热、粗轧、精轧、冷却的工艺参数控制情况如表2和表3所示。

对钢板取样，并进行力学性能检测，检测结果如表4所示。

对钢板取样，并进行抗氢致开裂性能检测，检测结果如表5所示。

表1实施例1-5及对比例的管线钢板的化学组分。

表2实施例1-5及对比例的管线钢板的制备工艺。

表3实施例1-5及对比例的管线钢板的第一冷却和第二加热工艺。

表4实施例1-5及对比例的管线钢板的力学性能。

表5实施例1-5及对比例的管线钢板的开裂性能。

由表4可知，实施例组的屈服强度大于480Mpa，抗拉强度大于600Mpa，-10℃夏比冲击功大于400J，所述管线钢板沿厚度方向的硬度差值≤70HV；所述管线钢板沿厚度方向中部的硬度≤290HV，说明本申请的钢板性能优良，且组织均匀，不易发生氢致开裂；而对比例1中，屈服强度低于430Mpa，抗拉强度低于600MPa，沿厚度方向的硬度差值为80HV；所述管线钢板沿厚度方向中部的硬度高于300HV，说明对比例的钢板强度不足，且沿厚度方向组织不均匀；由表5可知，管线钢板抗开裂性能优良，而对比例1的抗氢致开裂性能较差，不满足使用要求，图2为实施例1的金相组织图，图3为对比例1的金相组织图，表明了本申请的钢板与对比例1的容钢板的金相组织种类及比例不同，具有不同的力学性能和抗开裂性能。

需要说明的是，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。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。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发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明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。