一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及制造方法 |
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| 申请号 | CN202211319319.1 | 申请日 | 2022-10-26 | 公开(公告)号 | CN117965857A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国石油天然气集团有限公司; 中国石油集团工程材料研究院有限公司; | 发明人 | 李为卫; 封辉; 吉玲康; 池强; 陈宏远; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种适用于输氢管道的高强度管线 钢 板及制造方法，属于金属材料技术领域。所述制造方法包括以下步骤：制做 铸坯 ；将所述铸坯进行粗轧、精轧，得到精轧钢板；将所述精轧钢板的上表面采用大流量喷 水 冷却，所述精轧钢板的下表面进行压缩空气冷却、喷雾冷却或空气中自然冷却，所述上表面的冷却的速度大于下表面的冷却的速度，所述上表面的强度大于下表面的强度，得到高强度管线钢板。所述高强度管线钢板沿厚度方向强度存在差异，钢板上部强度高，降低管道壁厚；所述钢板下部强度低，降低输送介质氢对材料脆性和疲劳寿命的影响程度，既保证了高强度材料的承压能 力 ，又将氢介质的危害性降低。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于输氢管道的高强度管线钢板制造方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及制造方法技术领域[0001] 本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及制造方法。 背景技术[0002] 氢气是一种绿色低碳、来源丰富的二次能源，具有清洁环保、来源多样、利用高效等诸多优点，氢能是实现碳中和目标的重要途径之一，目前正进入快速发展期，影响氢能经济、高效利用的瓶颈问题就是氢气的储存和输送。氢气有多种储存和运输方式，其中管道(包括纯氢管道和掺氢管道)是氢能利用大规模、高效、经济的运输方式。 [0003] 目前油气输送管道用高强度管线钢板普遍采用控轧轧制工艺(TMCP)生产，钢板在轧制过程中精确控制加热和冷却过程的速度、温度，上、下表面采用相同的加热、冷却工艺，实现钢板的高强度、高韧性及性能均匀性，但是沿厚度方向上材料的显微组织和强度基本相同。高压管道采用高强度管线钢，可降低钢管的厚度和重量，以及运输、焊接的工作量，因此可大幅度降低管道建设的成本，但是，随着管道用管线钢强度的提高，输氢管道材料对氢脆的敏感性显著增加，疲劳裂纹扩展速率明显增大，从而影响输氢管道的安全运行。目前运行和在建的纯氢管道的最高钢级为X52/L360；掺氢管道(氢气与天然气的混合气体)的钢级较高(最高为X80/L555)，但对最大氢含量也提出了不同限制，一般认为最大不超过20％、10％或更低。 [0004] 现有技术无法同时解决达到一定高强度从而降低管道钢管壁厚、并避免管道材料受氢脆的敏感性和疲劳寿命的影响的问题。 发明内容[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及制造方法，所述高强度管线钢板沿厚度方向强度存在差异，所述钢板上部(对应管道钢管的外部)强度高，降低管道用钢管的壁厚；所述钢板下部(对应管道钢管的内部)强度低，降低输送介质氢对材料脆性和疲劳寿命的影响程度，既保证了高强度材料的承压能力，又将氢介质的危害性降低。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现： [0007] 本发明提供了一种适用于输氢管道的高强度管线钢板制造方法，包括以下步骤： [0008] S1：制得铸坯； [0009] S2：将所述铸坯加热至设定温度后进行粗轧、精轧，得到精轧钢板； [0010] S3：将精轧钢板的上表面与精轧钢板的下表面分别快速冷却至预设温度，得到高强度管线钢板； [0011] 其中，所述精轧钢板的上表面的冷却的速度大于精轧钢板的下表面的冷却的速度。 [0012] 本发明进一步，所述S2中，所述设定温度不超过1220℃；所述粗轧为奥氏体再结晶区域轧制；所述粗轧的开始温度为1050～1125℃；所述粗轧的轧制过程中的温度大于等于980℃；所述粗轧的单道次轧制变形率大于等于12％；所述粗轧的累计变形率大于60％。 [0013] 本发明进一步，所述S2中，所述精轧为未再结晶区轧制；所述精轧的开始温度为880‑930℃，所述精轧的结束温度为780～795℃。 [0014] 本发明进一步，所述S3中，所述快速冷却的开始温度为770～780℃，所述预设温度为580～610℃。 [0015] 本发明进一步，所述S3中，所述上表面的冷却的速度为18～22℃/s，所述下表面的冷却的速度为5～8℃/s。 [0016] 本发明进一步，所述精轧钢板的上表面采用喷水冷却，所述精轧钢板的下表面进行压缩空气冷却、喷雾冷却或室温冷却。 [0018] 本发明进一步，所述钢板的下表面至往上2.5～3.5mm的金属的显微组织为包括多边铁素体的显微组织；所述钢板的下表面至往上2.5～3.5mm的金属的显微组织的晶粒度的等级为7级及以上。 [0019] 一种采用任意一项所述的制造方法制得的适用于输氢管道的高强度管线钢板。 [0020] 本发明进一步，所述高强度管线钢板的强度沿厚度方向由上至下呈梯度式降低。 [0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0022] 本发明提供了适用于输氢管道的高强度管线钢板的制造方法，控制钢板轧制过程上表面与下表面各自的冷却速度，从而实现材料在厚度方向上的强度变化；同时满足降低氢气输送管道的运输成本的要求，所述管线钢的上表面为承压能力高的高强度管线钢；以及为保证管道运行的安全的要求，降低输气管道材料的氢脆敏感性和疲劳寿命的下降幅度，下表面采用低强度管线钢。 [0023] 本发明提供了一种适用于输氢管道的高强度管线钢板，所述钢板沿厚度方向上材料强度呈梯度分布，上部强度高，下部强度低，所述钢板上部(对应管道钢管的外部)强度高，降低管道壁厚；钢板下部(对应管道钢管的内部)强度低，降低输送介质氢对材料脆性和疲劳寿命的影响程度，既保证了高强度材料的承压能力，又保证将氢介质的危害性降低。 [0024] 本发明所述的高强度管线钢板应用于输氢管道中时，使钢板的上表面位于钢管的外表面，下表面位于钢管的内表面。所述钢管内部接触介质的为强度较低的下表面，可使氢脆和疲劳性能的危害性降低，保证管道运行的安全；钢管外部即钢板的上表面的强度高，保证整体厚度上的强度达到高强度钢指标，从而降低钢管的设计厚度，节约钢材用量以及运输、焊接等费用，同时兼顾经济性和安全性。附图说明 [0025] 图1为本发明的钢板结构示意图。 具体实施方式[0026] 为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。 [0027] 本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。 [0028] 本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。 [0029] 本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。 [0030] 本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。 [0031] 本发明提供了一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及其制造方法。 [0032] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 [0033] 下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。 [0034] 对于输氢管道钢管用钢板，为了既提高强度、降低管道的壁厚及用钢量，又要将氢对管道脆性和疲劳性能的损伤程度降低并保证管道运行的安全，本发明提出一种上部强度高、下部强度低，厚度方向材料强度变化的高强度钢板及其制造方法。 [0035] 本发明提供了一种适用于输氢管道的高强度管线钢板制造方法，包括以下步骤： [0036] S1：制做铸坯； [0037] S2：将所述铸坯加热至设定温度后进行粗轧、精轧，得到精轧钢板； [0038] 所述设定温度不超过1220℃；所述粗轧为奥氏体再结晶区域轧制；所述粗轧的开始温度为1050～1125℃；所述粗轧的轧制过程中的温度大于等于980℃；所述粗轧的单道次轧制变形率大于等于12％；所述粗轧的累计变形率大于60％。 [0039] 所述精轧为未再结晶区轧制；所述精轧的开始温度为880～930℃，所述精轧的结束温度为780～795℃。 [0040] S3：将精轧钢板的上表面与精轧钢板的下表面以不同的速度冷却至预设温度，得到高强度管线钢板；其中，所述精轧钢板的上表面的冷却的速度大于精轧钢板的下表面的冷却的速度。所述快速冷却的开始温度为770～780℃，所述预设温度为580～610℃。 [0041] 将所述精轧钢板的上表面采用大流量喷水冷却，所述精轧钢板的下表面进行压缩空气冷却、喷雾冷却或室温冷却，所述上表面的强度大于下表面的强度，所述上表面的冷却的速度为18～22℃/s，从所述钢板的上表面至中心部位的显微组织为以针状铁素体为主的显微组织；从所述钢板的上表面至钢板的中间层的金属的显微组织的晶粒度的等级为9级及以上。所述下表面的冷却的速度为5～8℃/s，得到高强度管线钢板，所述钢板的下表面至往上2.5～3.5mm的金属的显微组织为以多边铁素体为主的显微组织；所述钢板的下表面至往上2.5～3.5mm的金属的显微组织的晶粒度的等级为7级及以上。 [0042] 本发明提供了一种适用于输氢管道的高强度管线钢板及其制造方法，所述钢板沿厚度方向材料拉伸强度梯度变化且总体强度高的管线钢板。 [0043] 1)钢板厚度方向材料强度梯度变化材料的结构，即钢板上部(对应管道钢管的外部)强度高；钢板下部(对应管道钢管的内部)强度低； [0044] 2)钢板厚度方向材料强度梯度变化材料的制造方法，即控制钢板轧制过程上表面与下表面各自的冷却速度，从而实现材料在厚度方向上的强度。 [0045] 一种采用任意一项所述的制造方法制得的适用于输氢管道的高强度管线钢板。 [0046] 作为可选方案，所述高强度管线钢板的强度沿厚度方向由上至下呈梯度式降低。如图1所示，沿厚度方向强度呈梯度分布的钢板结构(黑度越大，表示材料强度越高；反之越低)。 [0047] 采用任意一项所述的制造方法制得的高强度管线钢板在输氢管道中的应用。 [0048] 本发明制造的高强度管线钢板，沿厚度方向上材料强度呈梯度分布，上部强度高，下部强度低，但整个厚度上达到标准规定的高强度钢级(如X65/L450)，内表面(约3mm)达到目前输氢管道普遍采用的低强度钢级(最高X52/L360)。 [0049] 制造输气管道管线钢管时，使钢板的上表面位于钢管的外表面，下表面位于钢管的内表面。这样钢管内部接触介质的为强度较低的X52/L360，可使氢脆和对疲劳性能的危害性降低，保证管道运行的安全。钢管外部的强度高，保证整个厚度上的强度达到高强度钢指标，从而降低钢管的设计厚度，节约钢材用量以及运输、焊接等费用。 [0050] 1.实施例1 [0051] 以壁厚t＝14.7mm，钢管整体厚度强度为X65/L450钢级、内表面强度为X52/L360的输氢管道用高强度管线钢板制造为例，采用低C(≤0.06％)、低Mn(≤1.45％)，含Ni(≤0.20％)、Mo(≤0.15％)合金元素和Nb(≤0.05％)、Ti(≤0.015％)微量合金元素的合金体系，钢板采用控制轧制(TMCP)的工艺生产，具体步骤如下： [0052] 步骤1：粗轧，在奥氏体再结晶区轧制。 [0053] 将铸坯加热到1220℃，进行初轧，开轧温度控制在1050℃，轧制过程温度保持在980℃，单道次轧制变形率控制在12％，粗轧累计变形率为62％。 [0054] 步骤2：精轧，在未再结晶区轧制。 [0055] 开轧温度控制在880℃，终轧温度控制在780℃。 [0056] 步骤3：轧后快速冷却。 [0057] 钢板的上表面采用大流量喷水冷却的方式，使上表面及心部金属快速冷却，从开始温度770℃加速冷却到610℃，冷却速度控制在22℃/s，目的是从上表面到心部形成以针状铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为11级。 [0058] 内表面通过压缩空气进行冷却，冷却速度控制在5℃/s，使靠近内表面3mm范围内形成以多边铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为7级。 [0059] 实施例2 [0060] 以壁厚t＝14.7mm，钢管整体厚度强度为X65/L450钢级、内表面强度为X52/L360的输氢管道用高强度管线钢板制造为例，采用低C(≤0.06％)、低Mn(≤1.45％)，含Ni(≤0.20％)、Mo(≤0.15％)合金元素和Nb(≤0.05％)、Ti(≤0.015％)微量合金元素的合金体系，钢板采用控制轧制(TMCP)的工艺生产，具体步骤如下： [0061] 步骤1：粗轧，在奥氏体再结晶区轧制。 [0062] 将铸坯加热到1220℃，进行初轧，开轧温度控制在1125℃，轧制过程温度保持在985℃，单道次轧制变形率控制在15％，粗轧累计变形率为70％。 [0063] 步骤2：精轧，在未再结晶区轧制。 [0064] 开轧温度控制930℃，终轧温度控制在795℃。 [0065] 步骤3：轧后快速冷却。 [0066] 钢板的上表面采用大流量喷水冷却的方式，使上表面及心部金属快速冷却，从开始温度780℃加速冷却到580℃，冷却速度控制在18℃/s，目的是从上表面到心部形成以针状铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为9级。 [0067] 内表面通过喷雾方式进行冷却，冷却速度控制在8℃/s，使靠近内表面3mm范围内形成以多边铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为9级。 [0068] 实施例3 [0069] 以壁厚t＝14.7mm，钢管整体厚度强度为X65/L450钢级、内表面强度为X52/L360的输氢管道用高强度管线钢板制造为例，采用低C(≤0.06％)、低Mn(≤1.45％)，含Ni(≤0.20％)、Mo(≤0.15％)合金元素和Nb(≤0.05％)、Ti(≤0.015％)微量合金元素的合金体系，钢板采用控制轧制(TMCP)的工艺生产，具体步骤如下： [0070] 步骤1：粗轧，在奥氏体再结晶区轧制。 [0071] 将铸坯加热到1120℃，进行初轧，开轧温度控制在1100℃，轧制过程温度保持在1000℃，单道次轧制变形率控制在12％，粗轧累计变形率为65％。 [0072] 步骤2：精轧，在未再结晶区轧制。 [0073] 开轧温度控制在900℃，终轧温度控制在790℃。 [0074] 步骤3：轧后快速冷却。 [0075] 钢板的上表面采用大流量喷水冷却的方式，使上表面及心部金属快速冷却，从开始温度775℃加速冷却到590℃，冷却速度控制在18℃/s，目的是从上表面到心部形成以针状铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为9级。 [0076] 内表面通过压缩空气进行冷却，冷却速度控制在5℃/s，使靠近内表面3mm范围内形成以多边铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为7级。 [0077] 实施例4 [0078] 以壁厚t＝14.7mm，钢管整体厚度强度为X65/L450钢级、内表面强度为X52/L360的输氢管道用高强度管线钢板制造为例，采用低C(≤0.06％)、低Mn(≤1.45％)，含Ni(≤0.20％)、Mo(≤0.15％)合金元素和Nb(≤0.05％)、Ti(≤0.015％)微量合金元素的合金体系，钢板采用控制轧制(TMCP)的工艺生产，具体步骤如下： [0079] 步骤1：粗轧，在奥氏体再结晶区轧制。 [0080] 将铸坯加热到1100℃，进行初轧，开轧温度控制在1100℃，轧制过程温度保持在990℃，单道次轧制变形率控制在15％，粗轧累计变形率为70％。 [0081] 步骤2：精轧，在未再结晶区轧制。 [0082] 开轧温度控制在920℃，终轧温度控制在795℃。 [0083] 步骤3：轧后快速冷却。 [0084] 钢板的上表面采用大流量喷水冷却的方式，使上表面及金属心部快速冷却，从开始温度770℃加速冷却到600℃，冷却速度控制在20℃/s，目的是从上表面到心部形成以针状铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为10级。 [0085] 内表面通过喷雾方式进行冷却，冷却速度控制在7℃/s，使靠近内表面3mm范围内形成以多边铁素体为主的显微组织，同时，晶粒度为8级。 [0086] 综上所述的实施例，本发明技术制造的钢板制造输氢管道钢管，内表面为X52/L360钢级，钢管整体厚度为X65/L450钢级，比传统钢板制造的X52/L360钢管，钢管的强度等级从X52/L360提高到X65/L450，提高了3个钢级(中间有X56/L390、X60/L415)，钢管设计计算屈服强度从360MPa提高到450MPa，可使钢管设计厚度降低25％，工程用钢量可降低25％。 [0087] 当然，随着钢级的提高，管线钢板和钢管的制造成本也相应提高，而从综合来看，管道设计每提高一个钢级，可节约管道建造成本约7％。可见，采用本发明技术可使输氢管道的建设成本大幅下降，经济效益非常可观。 [0088] 所述强度沿厚度方向呈梯度分布的高强度钢板，以全厚度截面的拉伸试样进行拉伸试验，测试并控制钢板以及制成钢管的横向拉伸强度满足设计及技术标准对高强度钢的拉伸性能要求，如X65/L450屈服强度最小450MPa，最大590MPa；其抗拉强度最小535MPa，最大700MPa。 [0089] 所述的钢板，整体强度等级也可以为X60/L415或更低、X70/L485或更高，下表面的强度等级也可以为X46/L320或更低。 [0090] 2.力学测试 [0091] 2.1强度测试 [0092] 钢板厚度方向材料强度梯度变化材料的强度测试，即用全壁厚拉伸试样测试拉伸强度，钢板整体厚度上的强度满足高强度钢的要求；用下表面减薄拉伸试样测试拉伸强度，保证接触氢介质的内表面满足低强度钢的要求。 [0093] 以全厚度截面的拉伸试样进行拉伸试验，测试并控制钢板以及制成钢管的横向拉伸强度满足设计及技术标准对高强度钢(如X65/L450)的拉伸性能要求。 [0094] 对实施例1～4制得的管线钢板沿钢板的横向加工宽度为38.1mm全厚度的条状拉伸试样，控制屈服强度最小450MPa，最大590MPa；其抗拉强度最小535MPa，最大700MPa；测试得到钢板全厚度的横向屈服强度Rt0.5为475MPa，抗拉强度Rm为560MPa，满足GB/T 9711‑2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》标准X65/L450钢级的要求，同时具有较高的夏比冲击韧性(‑20℃，平均365J)。 [0095] 对实施例1～4制得的管线钢板在下表面加工厚度3mm的条形试样，测试并控制钢板以及制成钢管的横向强度，最高钢级为X52/L360，控制其屈服强度最小360MPa，最大500MPa；其抗拉强度最小460MPa，最大600MPa。 [0096] 对实施例1～4制得的管线钢板在钢板下表面沿横向加工宽度为12.5mm、厚度为3mm的条状拉伸试样，测试得到钢板下表面材料的屈服强度Rt0.5为405MPa，抗拉强度Rm为 510MPa，满足GB/T 9711‑2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》标准X52/L360钢级的要求。 [0097] 2.2硬度测试 [0098] 对实施例1～4制得的管线钢板沿钢板横向取长度20‑30mm的全厚度试样，进行10kg载荷的维氏硬度测试。在横截面距上表面1.5mm处的硬度，要满足设计及技术标准对管线钢的最大硬度要求。距下表面1.5mm处，要保证满足输氢管道对管线钢最大硬度不超过 250HV10的要求。 [0099] 硬度也是输氢管道一项重要的力学性能指标。沿钢板横向取长度30mm的全厚度试样，对横截面磨光后进行10kg载荷的维氏硬度测试。测得距上表面1.5mm处的硬度为230～255HV10；距下表面1.5mm处的硬度为180～205HV10，满足输氢管道≤250HV10的要求。 [0100] 综上所述，钢板整体厚度有较高的强度，达到高强度钢的指标要求，同时具有较高的韧性和较低的硬度，性能良好。下表面(对应钢管的内表面)具有更低的强度和硬度，对氢脆敏感性更低，氢对疲劳寿命的影响更小，对输送氢气具有更好的适应性。 [0101] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。 |
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