CN106702273B - 一种经济型耐h2s腐蚀正火管线钢及生产方法 - Google Patents

一种经济型耐h2s腐蚀正火管线钢及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种经济型耐H2S腐蚀正火管线钢，其化学成分及wt%：C：0.04~0.07%，Si：0.10~0.20%，Mn：0.7~0.9%，P：≤0.01%，S：≤0.002%，Nb 0.06~0.12%，V 0.04~0.07%，B≤0.0005，RE≤0.0005。生产步骤：对铸坯加热；粗轧；精轧；冷却；卷取；正火。本发明在在保证使用力学性能及良好的可焊接性之外，还具有优异的耐硫化氢腐蚀性能，在加载载荷为0.80×实际屈服强度载荷条件下均未观察到裂纹，且合金成本简单，成本低可降低20%以上。

Description

一种经济型耐H2S腐蚀正火管线钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种管线钢及生产方法，具体属于一种耐H2S腐蚀性能优异的正火管线钢及生产方法。
背景技术
石油、天然气是国民经济发展的重要能源，在能源消费中的比重日益增加。当前管道输送依然是石油、天然气最为经济、安全、高效的长距离输送方式。然而，随着易开采石油、天然气资源的枯竭，H2S含量高的天然气开发力度正不断加大。
H2S是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一。当管线钢暴露在含湿H2S的输送介质中时，材料极易发生H2S酸性腐蚀，造成送管道突然失效，其中氢致开裂（HIC）和硫化物应力开裂（SSCC）是H2S腐蚀的主要形式。
我国大部分油气田中含有的H2S浓度含量较高，集输管线管输送的介质是未经脱盐、脱水、脱硫等处理的石油或天然气，其相应党的管线钢除要求其具有良好的强度、冲击性能和焊接性能之外，还要求具有较好的抗H2S腐蚀性能。正火态管线钢因其组织与性能均匀的特性，相较于热轧态更适合于集输管线的制造。同时考虑到降低油气输送成本的需求，亟需开发经济型耐H2S腐蚀正火管线钢。
经检索，在本发明之前，中国专利申请号为CN201010235925.6、CN201510297590.3、CN20160419909.X、CN2012101168133.0、CN201410233997.5的文献，所涉及的正火管线钢化学成分均采用的是低C或中C+中Mn的成分体系，同时添加适量Cr、Ni等贵重合金，经济性不足且均不具备耐腐蚀性。
中国专利申请号为CN201210271608.9、CN201610025494.8、CN201310146465.3、CN201010130911.8、CN201410130811.3的文献，所涉及的正火管线钢采用Cu+Cr+Mo+Ni或高Cr的成分体系，不具有经济性特征。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种在具有高强度、高韧性及良好的可焊接性之外，还具有采用控轧控冷与离线正火热处理相结合的方式生产、耐H2S腐蚀性能优异，具有合金成本低即可使合金成本降低20%以上、抗HIC和SSCC性能优异的经济型耐H2S腐蚀正火管线钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种经济型耐H2S腐蚀正火管线钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.04~0.07%，Si：0.10~0.20%，Mn：0.7~0.9%，P：≤0.01%，S：≤0.002%，Nb 0.06~0.12%，V 0.04~0.07%， B≤0.0005，RE≤0.0005，其余为Fe及杂质。
生产一种经济型耐H2S腐蚀正火管线钢的方法，其步骤：
1）对连铸后铸坯加热，控制其加热温度在1100~1150℃；
2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度为1030~1080℃；
3）进行精轧，并控制其开轧温度不超过950℃，终轧温度控制位870~900℃；
4）进行冷却，在冷却速度30~40℃/s条件下冷却至卷取温度；
5）进行卷取，控制卷取温度在500~550℃；
6）进行正火，并控制正火温度在890~920℃，并再此温度下按照1.5~2min/mm进行保温。
本发明中各化元素级主要工艺的作用及机理：
C：C为最基本、最经济的强化元素，通过固溶强化和析出强化有效地提高钢的强度。C含量过低时对钢的强度作用不明显，含量太高时则会降低钢的塑性、韧性和可焊接性，并且会加重钢中的带状组织级别。故本发明中C的含量控制为0.040~0.070%。
Si：Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过低时强化效果不明显，含量过高时又对钢的韧性不利。故本发明中Si的含量控制为0.10~0.20%。
Mn：Mn是钢中重要的固溶强化元素，利于提高钢的强度和低温韧性。但其含量过高时，会导致其钢中成分偏析严重，进而促进钢中硬脆的珠光体或者M/A带状组织形成，恶化钢的耐H2S腐蚀性能。同时，高的Mn含量易于促进MnS条带状夹杂物的产生，成为钢中扩散氢的聚集地，容易诱发氢致开裂。故本发明中Mn的含量控制为0.7~0.9%。
Nb：热轧过程中Nb具有强烈的晶粒细化作用和中等的析出强化作用，能够延迟奥氏体再结晶，导致奥氏体晶粒和相变产物的细化并提高钢的强韧性。正火过程中，钢中固溶的Nb元素通过溶质拖曳效应阻止奥氏体晶粒的过度长大，可以使热轧时的晶粒细化程度得到较大程度的遗传，且在正火冷却过程中Nb元素以第二相粒子形式析出，提高正火钢的强度。故本发明中Nb含量控制为0.06~0.12%。
V：V是重要的微合金元素，具有强烈的析出强化效果，可以有效地改善钢的强度性能，但其含量过高则会引起钢的冲击韧性显著下降。因此本发明中V含量控制在0.04~0.07%。
P、硫S：P会降低钢的低温韧性，恶化焊接性能，并且P容易在钢中偏析，促进带状组织的产生，不利于钢的耐H2S腐蚀特性。S容易与Mn形成长条状MnS夹杂，在影响钢韧性的同时，氢原子倾向于在MnS尖端聚集，从而诱发H2S腐蚀开裂。因此本发明应尽量减少P、S的含量以减少其对钢的不利影响，P的含量控制为P≤0.010%，S的含量控制为S≤0.0020%。
考虑到用户对管线钢化学成分的普遍要求，本发明中不故意添加B和RE元素，且要求B≤0.0005%、RE≤0.0005%。
本发明为获得兼顾正火管线钢的强度和耐腐蚀性能，除对化学成分进行优化设计外，还在热轧阶段（粗轧、精轧、冷却等）与正火阶段（温度、时间等）的生产工艺进行了针对性设计。具体设计思路如下：
1）采用低C+低Mn体系以降低钢中带状组织的形成趋势，同时利用热轧后的快速冷却技术抑制相变阶段C元素的扩散和局部富集，提高钢的耐腐蚀性能。
2）采用TMCP+低C高Nb技术的进行生产，通过充分的再结晶细化和未再结晶位错密度积累，促进奥氏体中固溶的Nb元素以NbC的形式在位错与晶界处弥散析出，进而为正火阶段奥氏体晶粒形核提供有利条件，从而实现奥氏体晶粒的细化和正火钢的强韧性改善。
3）精确进行控冷阶段冷却速度与终冷温度的控制，确保钢中的V元素以细小、弥散的形态充分析出，进而在正火阶段奥氏体化过程中提供形核位置，实现奥氏体晶粒细化和正火钢强韧性改善。
4）控制正火温度和保温时间，既保证完全奥氏体化又避免晶粒过度长大，以免恶化正火钢的强度和韧性。
本发明与现有技术相比吨钢成本可降低15%，在具有高强度、高韧性及良好的可焊接性之外，即屈服强度Rt0.5 ≥245MPa，抗拉强度Rm≥415MPa， -20℃冲击功KV2≥180J（全尺寸规格），-20℃DWTT断面剪切率SA≥90%。
同时，本发明在NACE A溶液中具有优异的耐H2S腐蚀性能。具体表现为，按照NACETM 0284标准，在A溶液中进行HIC检验，正火管线钢试样断面的裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR、裂纹面积率CSR值均为0，即试样断面无裂纹；按照NACE TM 0177标准，在A溶液中分别采用四点弯曲法进行SSCC检验，正火管线钢试样在加载载荷为0.80SYMS（名义屈服强度）载荷条件下均未观察到裂纹。
附图说明
图1为本发明钢板的金相组织图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例力学性能与耐H2S腐蚀性能列表；
表4为本发明实施例与相似专利实施例重要合金成本对比列表。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1）对连铸后铸坯加热，控制其加热温度在1100~1150℃；
2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度为1030~1080℃；
3）进行精轧，并控制其开轧温度不超过950℃，终轧温度控制位870~900℃；
4）进行冷却，在冷却速度30~40℃/s条件下冷却至卷取温度；
5）进行卷取，控制卷取温度在500~550℃；
6）进行正火，并控制正火温度在890~920℃，并再此温度下按照1.5~2min/mm进行保温。
表1 本发明各实施例与对比钢化学成分取值列表（wt％）
表2 本发明实施例与对比例的主要工艺参数取值列表
表3 本发明各实施例及对比例力学性能与耐H2S腐蚀性能列表
表4 本发明实施例与相似专利实施例的重要合金成本对比
从表3数据可知，本发明实施例的力学性能和HIC、SSCC性能均优于对比例。
由于本发明未添加Cu、Ni、Cr、Mo等贵重合金元素，与相似专利合金成本相比较，吨钢成本降低20%以上。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (1)

1.生产一种经济型耐H2S腐蚀正火管线钢的方法，其步骤：
1）对连铸后铸坯加热，控制其加热温度在1100~1150℃；
2）进行粗轧，并控制粗轧结束温度为1065~1080℃；
3）进行精轧，并控制其开轧温度在937~950℃，终轧温度控制位880~900℃；
4）进行冷却，在冷却速度30~40℃/s条件下冷却至卷取温度；
5）进行卷取，控制卷取温度在500~550℃；
6）进行正火，并控制正火温度在890~920℃，并再此温度下按照1.5~2min/mm进行保温；
所述经济型耐H2S腐蚀正火管线钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.04~0.07%，Si：0.10~0.20%，Mn：0.7~0.9%，P：≤0.01%，S：≤0.002%，Nb 0.06~0.12%，V 0.04~0.07%，其余为Fe及杂质。
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