專利名稱：：耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種無縫異型鋼管，尤其是涉及一種耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制備方法。應(yīng)用于石油井架、輸電塔架等。屬于金屬材料加工及熱處理工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：石油井架、輸電塔架屬于能源電力行業(yè)，在高寒地帶各種惡劣自然條件下工作應(yīng)具有優(yōu)良的低溫性能和綜合力學(xué)性能。表一、表二為以往石油井架、輸電塔架用金屬材料的化學(xué)成分及綜合力學(xué)性能。表一、以往石油井架、輸電塔架用材料化學(xué)成分表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表二、以往石油井架、輸電塔架用材料力學(xué)性能表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>分析石油井架、輸電塔架的使用環(huán)境和工作條件，上述石油井架、輸電塔架用材料存在以下不足1、低溫沖擊韌性較弱。Akv-4(TC-20J。在嚴(yán)寒的冬天露天工作環(huán)境下，材料具有良好的低溫性能是很關(guān)鍵的。2、綜合力學(xué)性能較差。3、碳當(dāng)量較高，焊接工藝性能較差。石油井架、輸電塔架是重要的焊接結(jié)構(gòu)，要求材料具有良好的焊接工藝性能焊接碳當(dāng)量計(jì)算公式C叫-C+Mn/6+(CrHV[o+V)/520CrMo=0.20+0.5/6+l.15/5=0.51%一般要求碳含量低于0.44%為優(yōu)。4、制造成本高，鉻鉬鋼價(jià)格成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種具有優(yōu)良的低溫性能、高強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能、成本較低的耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制造方法，其特征在于它是采用整體無縫鋼管圓管坯經(jīng)退火熱處理、定型冷拔工藝、成品熱處理工藝制造而成，所述整體無縫鋼管圓管坯材料中各化學(xué)元素重量百分比為C0.15-0.18%、Mn1.4-1.6%、Si0.2-0.5%以及微量元素V0.02-0.06%、Nb0.015-0.06、Ti0.02-0.06%和Al0.02-0.05%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)S《0.0200/0、P《0.020%、N《0.020%，其具體工藝步驟如下步驟一、退火熱處理退火熱處理等壁熱軋異型鋼管坯管，退火溫度850~880°C，保溫時(shí)間30分鐘，空氣冷卻，步驟二、酸洗、磷化、皂化退火熱處理以后進(jìn)行鋼管的磨修去除表面的裂縫折疊、結(jié)疤、翹皮缺陷，然后進(jìn)行鋼管表面的酸洗、磷化、皂化工藝，步驟三、定型冷拔定型冷拔采用帶芯棒液壓冷拔，管坯外面采用外?？刂仆鈴焦畛叽纾锩娌捎眯景艨刂票诤褚约皟?nèi)徑尺寸，外模材料采用冷作模具鋼Crl2，硬度HRC58-62,并在外模外加45#鋼外套，芯棒采用Crl2MoV模具鋼，步驟四、成品熱處理成品熱處理采用淬火、噴水冷卻加回火調(diào)質(zhì)熱處理工藝，淬火溫度900-930°C，保溫時(shí)間20-30分鐘，快速噴水冷卻至300°C以下后轉(zhuǎn)入空氣冷卻，回火溫度55(TC，保溫時(shí)間100分鐘。本發(fā)明材料含有微量元素Al、Nb、V、Ti是得到細(xì)晶組織成分的保證。鋁是優(yōu)質(zhì)鋼常用的脫氧劑，在鋼中形成A1N的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)在鋼中彌散存在，能起到有效的脫氧和細(xì)化晶粒的作用，但含量過高脫氧飽和，當(dāng)大于0.05%會(huì)使晶粒粗化的溫度有所下降?？刂艫l含量0.02-0.05%為宜。Nb形成Nb的碳氮化物，高溫未溶Nb的碳氮化物可有效阻止加熱時(shí)奧氏體的粗化，顯著細(xì)化鐵素體晶粒。TiN、TiC可以阻止加熱時(shí)奧氏晶粒粗化，并細(xì)化鐵素體的晶粒。V的碳氮化物阻止奧氏體晶粒的粗化，并在鐵素體中沉淀析出產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的作用。所以Nb、Ti、V在鋼中的作用比較相近。碳在鋼中的作用是鋼中最主要最有效的強(qiáng)化元素，隨著碳元素含量的增加，珠光體量也增加，是決定材料強(qiáng)度的主要元素，但碳含量高會(huì)使鋼的可焊性下降，綜合考慮碳含量為0.15-18%，既能保證足夠的強(qiáng)度又具有優(yōu)良的焊接工藝性。錳，錳的資源豐富，在鋼中起固溶強(qiáng)化的作用，能改善鋼的韌性，細(xì)化鐵素體的晶粒，提高材料的淬透性，回火滲碳體分布均勻性，是本材料的主要合金強(qiáng)化元素。硅，在鋼中以固溶態(tài)存在，具有顯著固溶強(qiáng)化作用，但過高會(huì)使塑性和焊接工藝性下降。應(yīng)控制在0.2-0.5°/。為佳。綜合上述各元素的作用，本材料各化學(xué)成分的作用為得到良好的低溫性能、高強(qiáng)度、綜合力學(xué)性能、以及細(xì)晶組織是保證優(yōu)良的低溫性能的基礎(chǔ)。本材料的碳當(dāng)公式計(jì)算C叫OMn/6+(Cr+Mo+V)/5C叫《165+0.25=0.415%本材料具有(:叫=0.415°/。的低的碳當(dāng)量所以具有良好的可焊性。本發(fā)明淬火回火調(diào)質(zhì)熱處理工藝后的力學(xué)性能，低溫沖擊韌性綜合力學(xué)性能對(duì)照表(見表三)。表三、石油井架、輸電塔架用無縫異型鋼管技術(shù)規(guī)范與實(shí)物質(zhì)量、力學(xué)性能對(duì)照表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>Akv沖擊韌性Akv-4(TCAkv+20'C34JAlcv-40Ol(K)JAkvWC230'236'242文236J)Ak"0'C212.216'244(S22)Akv.60'G207.208'204(x206J>Rm》517MPa470-630MPa》600MPa619MPa640MPaReH》483MPa》345MPa》500MPa513MPa524MPaA(延伸率)A50》17%A5》21%A5》21%A523.1%(A5034%)A522%(A5036%)》50%》50%70%72%從上表可看到，本發(fā)明經(jīng)過控制冶煉質(zhì)量、化學(xué)成分、經(jīng)液壓冷拔成型，最終經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理工藝的石油井架、輸電塔架用無縫異型鋼管獲得極佳的低溫韌性，其Akv-40°CS230JAkv-60°CX206J為以往石油井架用20CrMo無縫異型鋼管技術(shù)規(guī)范要求Akv-40°C20J的10倍，而比輸電塔架型鋼國(guó)標(biāo)為Akv+20'C34J提高更多，極佳的低溫沖擊韌性保證了材料能在惡劣高寒嚴(yán)冬的環(huán)境條件下的長(zhǎng)期工作。本發(fā)明實(shí)物質(zhì)量的優(yōu)良的綜合力學(xué)性能對(duì)比以往石油弁架用異型鋼管20CrM鋼。見表四。表四、本發(fā)明JD500E力學(xué)性能實(shí)物質(zhì)量與20CiMo規(guī)范要求對(duì)照表。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>ReH》483MPa513Mpa524MPa提高35MpaA50》17%34%36%提高17%》50%70%'提高20%Akv-40。C》20J230J236J242J212J216J244J提高10倍綜上，本發(fā)明具有如下特點(diǎn):1、本發(fā)明石油塔架用無縫異型鋼管的材料選用和制造工藝。材料硫磷含量超E級(jí)《0.020%N《0.020%，為細(xì)化晶粒Al控制0.020-0.050%，并嚴(yán)格控制微量元素Nb、Ti、V以及鋼中C、Mn、Si的含量。確定了合理的調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)，獲得均勻的細(xì)晶金相組織，晶粒度10級(jí)以上，極佳的低溫性能Akv-60'C平均206J和良好的綜合力學(xué)性能。2、本發(fā)明具有極佳的低溫性能。Akv-4(TC平均224J為20CrMo技術(shù)規(guī)范Akv-40°C20J的10倍。同時(shí)Akv-60'C平均206J，碳當(dāng)量Ceq-0.415%對(duì)比20CrMo碳當(dāng)量C叫-0.51。/。焊接工藝性好。用來替20CrMo無縫異型鋼管制造石油井架是合理的，能有效提升整體質(zhì)量水平。3、本發(fā)明替代傳統(tǒng)的Q34B(16Mn)型鋼做輸電塔架。(1)相同截面的無縫異型鋼管比型鋼具有更高的慣性矩和材料剛度，可以減輕輸電塔架的重量。(2)本發(fā)明無縫異型鋼管具有良好的綜合力學(xué)性能其強(qiáng)度比型鋼國(guó)標(biāo)提高150Mpa，尤其是低溫性能，原Q345B型鋼國(guó)標(biāo)GB1591為Akv+20。C34J新材料異型鋼管Akv-6(TC平均206J，大幅度提高適用于高寒地帶低溫、重負(fù)荷的輸電塔架使用。圖1為本發(fā)明退火熱處理后金相組織照片。圖2為本發(fā)明采用的模具結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明成品熱處理工藝曲線圖。圖4為本發(fā)明成品熱處理的淬火金相組織照片。圖5為本發(fā)明回火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系圖。圖6為本發(fā)明淬回火后的金相組織照片。具體實(shí)施方式本發(fā)明涉及一種耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制造方法，它是采用整體無縫鋼管圓管坯經(jīng)退火熱處理、液壓定型冷拔工藝、成品熱處理工藝制造而成。所述整體無縫鋼管圓管坯材料中各化學(xué)元素重量百分比為C0.15-0.18%、Mn1.4-1.6%、Si0.2-0.5%以及微量元素V0.02-0.06%、Nb0.015-0.06、Ti0.02-0.06%和Al0.02-0.05%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)S《0.0200/0、P《0.020%、N《0.020%，其具體工藝步驟如下步驟一、退火熱處理退火熱處理熱軋鋼管坯管，退火溫度850~88(TC，保溫時(shí)間30分鐘，空氣冷卻，熱軋鋼管坯管由于熱軋冷卻的不均勻性存在一般熱軋不良組織，硬度也較高，經(jīng)退火熱處理后，金相組織得到細(xì)化，如圖l。使強(qiáng)度、塑性提高確保成型冷拔的順利進(jìn)行，防止角部開裂。步驟二、酸洗、磷化、皂化退火熱處理以后進(jìn)行鋼管的磨修去除表面的裂縫折疊、結(jié)疤、翹皮缺陷，然后進(jìn)行鋼管表面的酸洗、磷化、皂化工藝，退火以后應(yīng)進(jìn)行鋼管的磨修去除表面的裂縫折疊、結(jié)疤、翹皮等缺陷、為冷拔準(zhǔn)備良好的表面質(zhì)量，然后進(jìn)行鋼管表面的酸洗、磷化、皂化工藝，在鋼管形成薄層的磷化膜，膜內(nèi)充滿皂化液，形成摩擦系數(shù)小的表面以利于液壓成型冷拔的進(jìn)行。步驟三、定型冷拔定型冷拔采用帶芯棒液壓冷拔，管坯外面采用外?？刂仆鈴焦畛叽?，里面采用芯棒控制壁厚以及內(nèi)徑尺寸，外模材料采用冷作模具鋼Cr12，硬度HRC58-62，并在外模外加45#鋼外套，芯棒采用Crl2MoV模具鋼，定型冷拔的外模選用高耐磨微變形的冷作模具鋼Crl2,保證了模具的尺寸精度和耐磨性能。由于Crl2淬透性好，硬度高耐磨性好，所以脆性也大。在冷拔成型時(shí)容易產(chǎn)生開裂失效。為提高外模整體強(qiáng)度和韌性。采用在Crl2外模外加45#外套，如圖2。這樣外模既具有高硬度高耐磨性又具有45#鋼外模的強(qiáng)度和韌性，適合于無縫異型鋼管的成型冷拔外模。芯棒(內(nèi)模)采用Crl2MoV模具鋼，淬透性好，硬度均勻，耐磨性好，表面粗糙度與外模一樣要求拋光^，尺寸偏差士0.02mm，確保異型鋼管的內(nèi)徑尺寸和壁厚。步驟四、成品熱處理成品熱處理采用淬火、噴水冷卻加回火調(diào)質(zhì)熱處理工藝，淬火溫度900-930°C，保溫時(shí)間30分鐘，快速噴水冷卻至300°C以下后轉(zhuǎn)入空氣冷卻，回火溫度55(TC,保溫時(shí)間100分鐘。淬火溫度控制在900-930°C，有利于得到細(xì)小的奧氏體晶粒經(jīng)淬火回火后得到細(xì)晶組織獲得優(yōu)良的低溫沖擊韌性\高強(qiáng)度高塑性高韌性的良好的綜合力學(xué)性能。本材料的Ms點(diǎn)41(TC，Mt點(diǎn)在200-300。C區(qū)間，淬火必須迅速冷卻到Ms點(diǎn)以下方能得到低碳馬氏體組織，當(dāng)淬火激烈冷卻到Ms點(diǎn)以下時(shí)轉(zhuǎn)入空氣冷卻，這樣有利于減少淬火的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而減小變形，成品熱處理工藝曲線見圖3，淬火金相組織見圖4，淬火后金相組織為板條狀低碳馬氏體加少量先共析鐵素體加少量貝氏體組織，淬火后力學(xué)性能Rm800MpaReH628MpaA511%。淬火后金相組織的不穩(wěn)定性，而且延伸率A511%很低要通過回火得到回火索氏體組織時(shí)使延伸率A5升高，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度水平，經(jīng)過回火熱處理試驗(yàn)其數(shù)據(jù)集總見圖5。其金相組織為均勻的回索氏體加少量鐵素體組織見圖6，得到很細(xì)的10-11級(jí)晶粒度。材料淬火加回火熱處理后獲得極佳的低溫沖擊韌性和良好的綜合力學(xué)性能。權(quán)利要求1.一種耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制造方法，其特征在于它是采用整體無縫鋼管圓管坯經(jīng)退火熱處理、定型冷拔工藝、成品熱處理工藝制造而成，所述整體無縫鋼管圓管坯材料中各化學(xué)元素重量百分比為C0.15-0.18％、Mn1.4-1.6％、Si0.2-0.5％以及微量元素V0.02-0.06％、Nb0.015-0.06、Ti0.02-0.06％和Al0.02-0.05％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)S≤0.020％、P≤0.020％、N≤0.020％，其具體工藝步驟如下步驟一、退火熱處理退火熱處理熱軋鋼管坯管，退火溫度850～880℃，保溫時(shí)間30分鐘，空氣冷卻，步驟二、酸洗、磷化、皂化退火熱處理以后進(jìn)行鋼管的磨修去除表面的裂縫折疊、結(jié)疤、翹皮缺陷，然后進(jìn)行鋼管表面的酸洗、磷化、皂化工藝，步驟三、定型冷拔定型冷拔采用帶芯棒液壓冷拔，管坯外面采用外?？刂仆鈴焦畛叽?，里面采用芯棒控制壁厚以及內(nèi)徑尺寸，外模材料采用冷作模具鋼Cr12，硬度HRC58-62，并在外模外加45#鋼外套，芯棒采用Cr12MoV模具鋼，步驟四、成品熱處理成品熱處理采用淬火、噴水冷卻加回火調(diào)質(zhì)熱處理工藝，淬火溫度900-930℃，保溫時(shí)間30分鐘，快速噴水冷卻至300℃以下后轉(zhuǎn)入空氣冷卻，回火溫度550℃，保溫時(shí)間100分鐘。全文摘要本發(fā)明涉及一種耐低溫石油井架輸電塔架用無縫異型鋼管的制造方法，它是采用整體無縫鋼管圓管坯經(jīng)退火熱處理、定型冷拔工藝、成品熱處理工藝制造而成，材料各化學(xué)元素重量百分比為C0.15-0.18％、Mn1.4-1.6％、Si0.2-0.5％以及微量元素V0.02-0.06％、Nb0.015-0.06、Ti0.02-0.06％和Al0.02-0.05％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)，具體工藝步驟退火熱處理，溫度850～880℃，保溫時(shí)間30分鐘，空冷；定型冷拔；成品熱處理采用淬火、噴水冷卻加回火調(diào)質(zhì)熱處理工藝，淬火溫度900-930℃，保溫時(shí)間20～30分鐘，快速噴水冷卻至300℃以下后轉(zhuǎn)入空氣冷卻，回火溫度550℃，保溫時(shí)間100分鐘。本發(fā)明方法制備的無縫異型鋼管具有優(yōu)良的低溫性能、高強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能、成本較低等特點(diǎn)。文檔編號(hào)C21D1/26GK101259582SQ20081002537公開日2008年9月10日申請(qǐng)日期2008年4月28日優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日發(fā)明者薛建良,鄧爾康申請(qǐng)人:江陰市界達(dá)特異制管有限公司