CN106756537B - 一种耐h2s腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢及生产方法 - Google Patents
一种耐h2s腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢及生产方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种耐H2S腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢,其组分及wt%:C 0.05~0.08%,Si 0.30~0.45%,Mn 0.85~1.0%,P≤0.010%,S≤0.0020%,Mo 0.10~0.20%,Nb 0.06~0.12%,B不超过0.0005%,RE不超过0.0005%。生产步骤:对铸坯加热;粗轧;精轧;冷却;卷取;正火。本发明在具有高强度、高韧性及良好的可焊接性之外,还必须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。
Description
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腐蚀性能优异的高强韧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。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。同时考虑到提高油气输送效率的需求,亟需开发兼具高强韧与优良耐H2S腐蚀性能的正火态管线钢。
对于输送含H2S油气资源的管线钢,腐蚀产生的氢原子不断向钢中缺陷位置(带状组织、夹杂物、晶格缺陷等)聚集并产生氢分子。当缺陷部位氢分子浓度升高到一定程度时,就会引起聚集处发生永久变形并导致管线钢实效,其重要形式包括氢致裂纹开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。
经检索,在本发明之前,中国专利申请号为CN201010235925.6与CN201510297590.3的文献,均涉及到正火钢X60N,其化学成分均采用中C+中Mn体系,其存在不具备耐腐蚀特性的问题。
中国专利申请号为CN201210271608.6的文献,涉及到正火钢X52NS钢,其采用Cu+Cr+Ni+V的体系,其存在生产成本较高的不足。
中国专利申请号为CN201610419909.X的文献,其涉及的正火钢存在Mn含量偏高,成品的强度仅达X52级别,且不具备耐腐蚀特性。
中国专利申请号为CN201310146465.3的文献,其涉及无缝钢管的制造,其存在合金元素含量极高(Cr 1.0~9.0 wt%、W 0.1~0.2 wt%),不具备经济性优势。
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,还必须具有优异的耐H2S腐蚀性能的高强韧正火管线钢及生产方法。
实现上述目的的措施:
一种耐H2S腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢,其组分及重量百分比含量为:C0.05~0.08%,Si 0.30~0.45%,Mn 0.85~1.0%,P≤0.010%,S≤0.0020%, Mo 0.10~0.20%,Nb0.06~0.12%, B不超过0.0005%,RE不超过0.0005%,其它为Fe及不可避免的夹杂元素;金相组织为:铁素体+弥散M/A岛+少量珠光体。
生产一种耐H2S腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢的方法,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1020~1070℃;
3)进行精轧,并控制其开轧温度不超过950℃,终轧温度不低于860℃;
4)进行冷却,在冷却速度不低于55℃/s条件下冷却至卷取温度;
5)进行卷取,控制卷取温度不超过450℃;
6)进行正火,并控制正火温度在860~900℃,并再此温度下按照2min/mm进行保温,并控制正火过程冷却速度在5~8℃/s。
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含量低于0.05%时,对钢的强度作用不明显,含量高于0.080%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0.050~0.080%。
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0.30~0.45%。
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0.85~0.10%。
Mo:Mo能够扩大奥氏体相变区,提高钢的淬透性,改善钢在厚度截面的组织均匀性。同时,Mo的添加使钢在较低的冷速下容易获得均匀分布的M/A组织,提高钢的强度性能。Mo元素具有与Mn元素相似的强韧化作用,Mo的添加避免了钢中高的Mn含量,进而避免了钢中带状组织恶化,提高了钢的耐H2S腐蚀性能。故本发明中Mo含量控制为0.10~0.20%。
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。本发明中Nb含量控制为0.06~0.12%。
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%。
本发明为获得兼顾高强韧性和优异耐腐蚀性能的正火态管线钢,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、冷速等)的生产工艺进行了针对性设计。具体设计思路如下:
本发明之所以采用低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,以提高钢的耐腐蚀性能。
本发明之所以添加适量的固溶强化Mo元素,以促进较低冷速下(正火冷却)钢中硬相组织的转变,使正火钢的强度性能提高。
本发明之所以采用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,以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。
本发明之所以控制正火温度和保温时间,在保证完全奥氏体化的同时避免晶粒过度长大,以免恶化正火钢的强度和韧性。
本发明之所以当控制正火冷却过程中的冷却速度,避免因板厚中心冷却缓出现的条带状硬相组织,进而严重恶化钢的抗腐蚀性能。
本发明与现有技术相比,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 ≥415MPa,抗拉强度Rm≥520MPa, -30℃冲击功KV2≥200J(全尺寸规格),-30℃DWTT断面剪切率SA≥90%。
同时,本发明在NACE及 A溶液中具有优异的耐H2S腐蚀性能。具体表现为,按照NACE TM 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和恒载荷拉伸法进行SSCC检验,正火管线钢试样在加载载荷为0.80×实际屈服强度载荷条件下均未观察到裂纹。
采用上述成分与工艺成产的正火管线钢可用于L415N级别以上的直缝埋弧焊管的制造与生产。
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的拉伸性能和镀层质量检测结果列表。
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1020~1070℃;
3)进行精轧,并控制其开轧温度不超过950℃,终轧温度不低于860℃;
4)进行冷却,在冷却速度不低于55℃/s条件下冷却至卷取温度;
5)进行卷取,控制卷取温度不超过450℃;
6)进行正火,并控制正火温度在860~900℃,并再此温度下按照2min/mm进行保温,并控制正火过程冷却速度在5~8℃/s。
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
表3 本发明各实施例及对比例力学性能列表
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。
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)
1.一种耐H2S腐蚀性能优异的高强韧正火管线钢,其组分及重量百分比含量为:C 0.054~0.08%,Si 0.335~0.45%,Mn 0.85~1.0%,P≤0.010%,S≤0.0020%, Mo 0.10~0.198%,Nb0.066~0.12%,其它为Fe及不可避免的夹杂元素;金相组织为:铁素体+弥散M/A岛+少量珠光体;
生产方法:
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1020~1070℃;
3)进行精轧,并控制其开轧温度不超过950℃,终轧温度不低于875℃;
4)进行冷却,在冷却速度不低于61℃/s条件下冷却至卷取温度;
5)进行卷取,控制卷取温度不超过450℃;
6)进行正火,并控制正火温度在860~900℃,并在 此温度下按照2min/mm进行保温,并控制正火过程冷却速度在5~8℃/s。
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