CN107177792A - 一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢，以实现从材料自身角度显著降低硫酸盐还原菌腐蚀的可能性。按重量百分比计，该钢的化学成分如下：C≤0.10％；Si≤0.50％；Mn≤2.0％；1.5％≤Cu≤4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质，化学成分还可包括：Ni≤0.6％；Mo<0.3％；Cr<0.3％；Nb<0.05％；Ti<0.05％中的一种或多种。本发明所述管线钢能够明显降低土壤中硫酸盐还原菌腐蚀的风险，可应用于埋地管线用钢的生产。

Description

一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢。本发明的管线钢能够明显降低土壤中硫酸盐还原菌腐蚀的风险，可应用于埋地管线用钢的生产。

背景技术

微生物腐蚀(MIC)是指由于微生物的自身生命活动及其代谢产物直接或间接地加速金属材料腐蚀过程的现象，普遍存在于各种自然环境中，如土壤、油田***等，是引起工程材料失效的一个主要原因。研究发现，埋地管线微生物腐蚀主要是由厌氧的硫酸盐还原菌(SRB)引起的。当前埋在土壤中的地下管线通常联合采用防护涂层和阴极保护来防止其腐蚀。然而，绝缘性防护涂层常因机械损伤、老化降解、土壤应力、阴极析氢等因素作用失去粘结力而发生剥离，与管道表面间形成缝隙，而且粘结剂同时为硫酸盐还原菌的生存提供大量的营养物质。地下水、微生物等腐蚀介质渗入缝隙内形成局部薄液膜微环境，从而导致缝隙内的管道发生腐蚀。大量的管线腐蚀调查研究表明，大多数管道外表面的剥离涂层下都存在微生物腐蚀。因此，剥离涂层缝隙内管线钢的硫酸盐还原菌腐蚀应加以重视。

微生物腐蚀与微生物在碳钢表面形成的生物膜有着密切关系。生物膜是微生物由自身产生的胞外多聚物所包围而形成的。它能附着在生物和几乎所有材料的表面。生物电化学领域的最新研究结果表明，附着在金属表面的生物膜内的细菌，可通过直接电子转移或间接电子转移从金属获得电子，从而导致微生物腐蚀的发生。因此，如果生物膜被抑制或破坏，微生物腐蚀发生的机率将大大减小。已经服役或现有的管线钢没有考虑到材料自身具有耐硫酸盐还原菌腐蚀的性能。本发明利用铜离子具有生物毒性这一特点，在原有管线钢成分基础上添加1.5-4.0％的Cu元素，并通过时效保温使铜原子析出，腐蚀过程中铜离子破坏生物膜的形成，从而达到耐硫酸盐还原菌腐蚀的性能。这种新型管线钢有望成为兼具高强韧性及耐硫酸盐还原菌腐蚀性能于一体的理想的埋地管线用钢材料，具有重要的经济和社会意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐硫酸盐还原菌腐蚀的管线钢及富铜相析出方法，以实现从材料自身角度显著降低埋地管线发生硫酸盐还原菌腐蚀的风险。

本发明的技术方案是：

一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢，其特征在于：按重量百分比计，该钢的化学成分如下：C≤0.10％；Si≤0.50％；Mn≤2.0％；1.5％≤Cu≤4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

按照上述化学成分的管线钢，还包括：Ni≤0.6％；Mo<0.3％；Cr<0.3％；Nb<0.05％；Ti<0.05％中的一种或多种。

优选钢的化学成分如下：0.01≤C≤0.05％；0.10≤Si≤0.30％；0.80≤Mn≤1.50％；1.50％≤Cu≤3.00％；其余为Fe和不可避免的杂质。优选成分钢具有最佳的综合力学性能及耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。

本发明中为了使管线钢的综合力学性能不受高含量Cu的影响，可适当降低C、Mn主元素的含量；

本发明中为了减小高含量Cu对所述管线钢在热加工方面产生的负面影响，可适当增加Ni的含量。

本发明中Cu元素是关键性合金化元素，是保证该管线钢具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的必要条件，其含量为1.5～4.0％，优选含量为1.5～3.0％，以保证在热处理条件下，富铜相在基体中均匀弥散的析出，从而使铜离子持续溶出具有杀菌作用。当铜含量较低时，基体中析出的富铜相不足，因而耐硫酸盐还原菌腐蚀性能不佳。当铜含量相对过高时，会导致析出粗大的富铜相，对冲击韧性及热加工性能产生不利影响。

本发明还提供了上述具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢的时效热处理方法，采用上述化学成分的管线钢，经冶炼、锻造和轧制，在热机械控轧控冷后，温度降至500～600℃，或降温后再重新升温到500～600℃，保温0.5～2小时，而后空冷。其优选的时效处理制度为：550℃时效1小时，空冷。通过以上处理方式管线钢中富铜相析出，在腐蚀过程中富铜相释放的铜离子具有破坏生物膜的能力，从而能够明显降低管线钢发生硫酸盐还原菌腐蚀的风险。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述管线钢中添加了Cu元素，经过时效处理后，在保证现有管线钢性能的基础上还使得该钢具有优异的耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。

2、本发明所述的管线钢能够从材料自身角度显著降低埋地管线硫酸盐还原菌腐蚀的可能性。

附图说明

图1为实施例1中硫酸盐还原菌腐蚀的点蚀形貌。

图2为实施例1中硫酸盐还原菌腐蚀的最大点蚀深度(激光共聚焦所测最大坑点蚀深度为1.90μm，坑直径为10.5μm)。

图3为对比例1中硫酸盐还原菌腐蚀的点蚀形貌。

图4为对比例1中硫酸盐还原菌腐蚀的最大点蚀深度(激光共聚焦所测最大坑点蚀深度为23.6μm，坑直径为318.2μm)。

具体实施方式

实施例管线钢的制备采用实验室规模的真空感应炉冶炼、锻造，而后热机械控制轧制与控制冷却，对比例选用现有商用管线钢，其化学成分如表1。

表1实施例和对比例管线钢的化学成分，(重量百分含量，％)

所有实施例管线钢均采用最佳的铜析出热处理工艺：550℃保温1小时，空冷。对比例管线钢保持原有轧制状态。

对实施例和对比例管线钢与在土壤中分离出来的硫酸盐还原菌(SRB)接菌在土壤浸出液中共培养20天后的点蚀性能进行了评估。微生物腐蚀导致的点蚀是目前世界上公认的微生物腐蚀对材料的最大危害，而点蚀深度被认为是定量评价材料耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的重要指标，因此通过激光共聚焦显微镜检测了腐蚀后样品表面由硫酸盐还原菌腐蚀导致的最大点蚀深度，测试结果见表2。实施例和对比例的力学性能测试结果见表3。

表2实施例和对比例的最大点蚀深度测试结果

表3实施例和对比例力学性能测试结果

注：冲击功测试样品为半尺寸：5mm×10mm×55mm，温度为-20℃。

如表2所示，通过对比实施例1-6和对比例1-4的结果可知，含铜管线钢与现有传统的商用管线钢相比，本发明实施例的新型含铜管线钢均表现出优异的耐硫酸盐还原菌腐蚀的性能，实施例的最深点蚀深度均低于对比例，而且对比例的最大点蚀深度是实施例的10倍之多。因此在现有管线钢化学成分基础上，添加适量铜元素是本发明提出的管线钢能发挥其优良的耐硫酸盐还原菌腐蚀的关键所在。

铜是该钢发挥耐硫酸盐还原菌腐蚀功能的主要元素，然而铜含量过低(对比例1、2和4)不能保证含铜管线钢的耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。如果从基体中析出的富铜相尺寸过大、体积分数过多，会影响管线钢的综合力学性能，特别是冲击韧性(表3)。如果铜含量过低或者没有添加铜，管线钢则体现出明显弱的耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。

通过以上实验结果可知，铜是使管线钢具有优异耐硫酸盐还原菌的关键元素，并且只有当铜含量达到一个平衡范围时，也即是本申请所保护的范围内时，才能发挥新型含铜管线钢优异综合力学性能及耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢，其特征在于：按重量百分比计，该钢的化学成分如下：C≤0.10％；Si≤0.50％；Mn≤2.0％；1.5％≤Cu≤4.0％；其余为Fe和不可避免的杂质。

2.按照权利要求1所述具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢，其特征在于，所述管线钢还包括：Ni≤0.6％；Mo<0.3％；Cr<0.3％；Nb<0.05％；Ti<0.05％中的一种或多种。

3.按照权利要求1所述具有耐硫酸盐还原菌腐蚀性能的管线钢，其特征在于，所述管线钢的化学成分如下：0.01≤C≤0.05％；0.10≤Si≤0.30％；0.80≤Mn≤1.50％；1.50％≤Cu≤3.00％；其余为Fe和不可避免的杂质。

4.一种权利要求1～3所述管线钢的铜析出方法，其特征在于：在热机械控轧控冷后，在500～600℃温度范围内时效保温0.5～2小时，而后空冷。

5.按照权利要求4所述其中管线钢的铜析出方法，其特征在于：在热机械控轧控冷后，在550℃保温1小时，空冷。