管線用厚壁電焊鋼管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及管線用厚壁電焊鋼管，特別涉及具有API (美國石油學會（American Petroleum Institute))X52 ~X80 級（屈服強度 YS :相當于 360MPa ~555MPa)高強度、 且母材部和電焊部均具有高韌性（high toughness)的管線用厚壁電焊鋼管（havy wall electric resistance welded steel pipe for line pipe)及其制造方法。需要說明的 是，這里所說的"厚壁"是指壁厚（wall thickness)為20mm以上的情況。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著深海的油田、氣田的開發(fā)，作為海底管道（offshore pipeline)用途、 油井管（Oil Country Tubular Goods)用途，強烈地期望高強度厚壁鋼管。而且，對于面向 北海（the North Sea)、阿拉斯加（Alaska)等寒冷地區(qū)（cold area)的鋼管而言，強烈地要 求電焊管焊接部的低溫可靠性（low temperature reliability)，特別要求低溫下的脆性 破壞初始抗力（brittle fracture initiation resistance) 〇
[0003] 對于電焊鋼管的焊接部（weld zone)(電焊部（electric resistance weld zone))而言，由于在焊接時快速加熱（rapid heating)、快速冷卻（rapid quenching)，通 常比母材部的強度（strength)(硬度（hardness))更高而韌性（toughness)降低。針對這 樣的電焊部的問題，最近提出了如下技術(shù)：在焊接（電焊焊接）后對電焊部（焊接部）在 線（in-line)地實施加熱和冷卻，改善電焊焊接部的組織（microstructure)，從而使電焊 焊接部的韌性恢復(fù)（提高）至與母材相同的程度。
[0004] 例如，專利文獻1記載了一種低溫韌性（low temperature toughness)優(yōu)異的 電焊鋼管的制造方法，該方法包括：將電焊鋼管的電焊焊接部加熱至850~1000°C，然 后從Ar 3相變點以上以超過30°C /秒且為KKTC /秒以下的冷卻速度進行快速冷卻，在 (Ar「50°C )~（Ar1-IOiTC )停止冷去卩，然后進行弱冷卻（weak cooling)，所述電焊鋼管以 C :0. 05~0. 20%、Si :0. 3%以下、Mn :0. 50~2. 00%作為基本成分，且含有Nb :0. 01~ 0. 10%、V :0. 01~0. 10%、Ti :0. 01~0. 05%中的一種或兩種以上，余量由Fe及不可避免 的構(gòu)成。由此，不實施冷卻后的再加熱（回火（tempering))也能夠使電焊部的韌性達到與 母材相同程度優(yōu)異的韌性。
[0005] 另外，專利文獻2記載了一種高韌性電焊鋼管的制造方法，該方法包括：將電焊鋼 管的焊接部（電焊部）加熱至850~1050°C，以冷卻速度5~20°C/秒進行冷卻，或者進一 步實施加熱至550°C以下后再進行冷卻的回火，所述電焊鋼管具有如下成分體系：含有C : 0· 10% 以下、Si :0· 5% 以下、Mn :0· 4 ~I. 6%、P :0· 025% 以下、S :0· 010% 以下、Nb :0· 01 ~ 0. 08%、Ti :0. 01~0. 07%、V :0. 005~0. 07%，余量由Fe及不可避免的構(gòu)成。由此，可以 使電焊部兼具與母材相同程度的高強度和高韌性。
[0006] 另外，專利文獻3記載了一種厚壁電焊鋼管的熱處理方法。專利文獻3記載的技術(shù) 是一種厚壁電焊鋼管的熱處理方法，該方法包括：在用高頻感應(yīng)加熱裝置（high-frequency dielectric heating device)對厚壁電焊鋼管的焊接部連續(xù)地進行熱處理時，首先在第1 次加熱時進行加熱使得焊接部內(nèi)表面的溫度為（Ar3A+50°C)以上，接著，通過水冷或自然 冷卻將外表面溫度冷卻至被加熱材料的貝氏體相變（bainite transformation)結(jié)束溫度 (end temperature)以下，接下來，在第2次加熱時加熱至Ac3相變區(qū)域（Ac3transformation zone)能夠完全覆蓋由第1次加熱和冷卻引起的貝氏體相變產(chǎn)生區(qū)域（generating area) 的溫度、且為產(chǎn)生貝氏體組織（bainite microstructure)的溫度以下。由此，能夠不用附 加復(fù)雜且處理時間長的工序就可制造加工性（workability)、韌性及耐腐蝕性（corrosion resistance)優(yōu)異的具有焊接部的厚壁電焊鋼管。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0008] 專利文獻
[0009] 專利文獻1 :日本特公平07-42509號公報
[0010] 專利文獻2 :日本特開平06-158177號公報
[0011] 專利文獻3 :日本特開平06-220547號公報
[0012] 發(fā)曰月的內(nèi)容 [0013] 發(fā)明要解決的課題
[0014] 然而，對于專利文獻1、2所記載的技術(shù)而言，如果不進一步增強用于加熱的設(shè)備， 則在線處理（in-line process)中無法使壁厚20mm以上的厚壁電焊鋼管的電焊部成為具 有高強度且高韌性的電焊部，存在經(jīng)濟上不利的問題。而且，對于壁厚為20mm以上的厚 壁電焊鋼管而言，存在難以在全部壁厚方向上確保如專利文獻1所述的超過30°C /秒且 KKTC /秒以下的冷卻速度的問題。另外，在以如專利文獻2所記載的5~20°C /秒的冷卻 速度對壁厚為20mm以上的厚壁電焊鋼管進行冷卻時，存在電焊部中容易生成鐵素體+珠光 體組織而容易使電焊部的強度降低的問題。
[0015] 另外，專利文獻3中僅記載了比較厚的壁厚16. Omm的例子，并未提及壁厚20mm以 上的厚壁電焊鋼管。而且，專利文獻3所記載的技術(shù)需要實施兩次加熱處理等復(fù)雜的工序。 在將專利文獻3所述的技術(shù)應(yīng)用于壁厚20mm以上的厚壁電焊鋼管時，需要實施再次加熱至 Ac3相變區(qū)域能夠完全覆蓋第1次加熱和冷卻引起的貝氏體相變產(chǎn)生區(qū)域的溫度的加熱處 理等復(fù)雜的工序，需要多個加熱裝置（heating device)的較長的加熱帶、以及較長的冷卻 帶等，存在經(jīng)濟上不利的問題。另外，對于專利文獻3所述的技術(shù)而言，存在如下問題：如 果不進一步增強加熱設(shè)備等，則在線處理中無法實施使壁厚20mm以上的厚壁電焊鋼管的 電焊部成為具有高強度且高韌性的電焊部的熱處理而不降低制管速度（pipe production speed) 〇
[0016] 本發(fā)明的目的在于，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種作為管線用途的具有API X52~X80級的高強度、且母材部和電焊部均具有高韌性的管線用厚壁電焊鋼管及其制造 方法。在本發(fā)明中，特別將解決方法定為不進行回火而通過1次電焊部的熱處理來使電焊 部高韌性化。需要說明的是，這里所說的"厚壁"是指壁厚為20mm以上的情況。另外，這里 所說的"高韌性"是指CTOD試驗（crack-tip-opening-displacement test)中在試驗溫度 為-25°C時的張開位移臨界值（critical opening displacement) δ為0.80mm以上的情 況。
[0017] 解決課題的方法
[0018] 本發(fā)明人等為了實現(xiàn)上述目的，首先對影響壁厚20mm以上的厚壁電焊鋼管的電 焊部的韌性的各種因素進行了深入研究。
[0019] 其結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在用CTOD試驗評價電焊部的韌性時，為了使電焊部高韌性化需要使 電焊部在壁厚方向上全部為富有韌性的組織；為了不進行回火處理而用1次熱處理使電焊 部高韌性化，需要通過1次熱處理在整個電焊部確保由貝氏體鐵素體相（bainitic ferrite phase)和/或貝氏體相（bainite phase)構(gòu)成的組織；對于混入了馬氏體相（martensite phase)或珠光體（pearlite)的組織而言，無法不進行回火處理而確保高韌性。因此，需要 進行控制冷卻（controlled cooling)，使得冷卻條件如圖2所示，避開在整個電焊部生成 馬氏體或珠光體的區(qū)域，而通過生成貝氏體鐵素體相和/或貝氏體相的區(qū)域。需要說明的 是，圖2中的M表示馬氏體，BF表示貝氏體鐵素體，F(xiàn)表示鐵素體，P表示珠光體。
[0020] 在線的電焊部熱處理由于受到設(shè)備限制，因此通常通過如下方法進行：使用高 頻加熱等加熱裝置從管外面進行加熱，使用利用水等的冷卻裝置（水冷裝置）從管外面 進行冷卻。因此，在加熱時，不可避免地在管的壁厚方向上產(chǎn)生溫度分布（temperature distribution)，在壁厚方向上產(chǎn)生粒徑分布（grain size distribution)。
[0021] 因此，本發(fā)明人等在上述受限的條件下對影響電焊部韌性的各種因素進行了深入 研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果將電焊鋼管的管外面及管內(nèi)面的加熱溫度和冷卻速度精密地調(diào)節(jié) 至合適范圍內(nèi)，并對電焊部實施熱處理，則能夠使整個電焊部成為由貝氏體鐵素體相和/ 或貝氏體相構(gòu)成的組織，進而能夠形成壁厚方向上最粗粒位置的平均結(jié)晶粒徑（最粗粒位 置的平均結(jié)晶粒徑）與壁厚方向上最細粒位置的平均結(jié)晶粒徑（最細粒位置的平均結(jié)晶粒 徑）之比（最粗粒位置的平均結(jié)晶粒徑）八最細粒位置的平均結(jié)晶粒徑）為2.0以下的均 勻組織，可以通過1次熱處理（1步加熱冷卻處理）使壁厚20mm以上的電焊鋼管的電焊部 高韌性化。（最粗粒位置的平均結(jié)晶粒徑）八最細粒位置的平均結(jié)晶粒徑）超過2.0時，粗 粒的部位容易成為脆性裂紋（brittle crack)的起點（origination)，因此韌性降低，無法 確保所希望的高韌性。
[0022] 本發(fā)明是基于上述見解并進行進一步研究而完成的。即，本發(fā)明的要點如下。
[0023] [1] -種管線用厚壁電焊鋼管，其是以厚熱乳鋼板為原材料制管而成、且由母材部 和電焊部構(gòu)成的厚壁電焊鋼管，其中，
[0024] 所述母材部具有如下組成：以質(zhì)量％計含有C :0.02~0. 10%、Si :0.05~ 0· 30%、Mn :0· 80~2. 00%、Nb :0· 010~0· 100%，且由下述式（1)定義的碳當量Ceq滿足 0. 25~0. 50%，并且具有由貝氏體鐵素體相和/或貝氏體相構(gòu)成的組織，
[0025] 所述母材部具有屈服強度為360MPa以上的高強度、以及夏比沖擊試驗（Charpy impact test)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（fracture transition temperature) vTrs 為 _45°C 以下的 高韌性，
[0026] 所述電焊部具有如下的組織：由貝氏體鐵素體相和/或貝氏體相構(gòu)成，且壁厚方 向的各位置處的最粗粒位置的平均結(jié)晶粒徑與壁厚方向的最細粒位置的平均結(jié)晶粒徑之 比（最粗粒位置的平均結(jié)晶粒徑V(最細粒位置的平均結(jié)晶粒徑）為2. 0以下，
[0027] 所述電焊部具有CTOD試驗中在試驗溫度_25°C下的張開位移臨界值δ為〇. 80mm 以上的高韌性。
[0028] Ceq(%