CN109624435A - 一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板，包括基材和覆材，覆材冶金结合于基材上；覆材为奥氏体不锈钢；基材化学成分按重量百分比为：C：0.03%‑0.09%，Si：0.2%‑0.4%，Mn：1.00%‑1.70%，P≤0.02%，S≤0.01%，Alt：0.015%‑0.050%，Nb：0.020%‑0.090%，V≤0.05%，Ti：0.006%‑0.030%，Cr:0.10%‑0.30%，Ni≤0.30%，Mo≤0.10%，Cu≤0.30%，B≤0.001%，余量为Fe及少量不可避免的杂质；本发明还设计一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，该制备方法简单易行，成本低廉，制备出的复合板具有良好的耐腐蚀性能、强韧性，复合界面更平直，覆材厚度更均匀，表面质量更佳，且无需退火热处理可直接使用。

Description

一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板及其制备方法
技术领域
本发明属于双金属复合板领域及其制造技术，具体地说涉及一种石油天然气输送管用不锈钢复合板及其制备方法。
背景技术
随着油气工业的不断进步，世界能源需求量越来越大，易于开采的石油与天然气资源越来越少。为了满足全球工业化发展对油气的需求，油气田的勘探开发逐渐向环境条件更为苛刻的地区发展。近年来，高含CO2、高含Cl-1、高含H2S、高温、高压以及元素硫等的油气田不断出现。在高含H2S、Cl-1、CO2等高腐蚀性的恶劣环境下，采用常规管线钢制备的油气井套管、集输管线的腐蚀极为严重，尤其是与温度和压力共同作用下，极易造成集输管线穿孔、开裂等事故。而用纯不锈钢管，则价格昂贵，成本很高，且不锈钢纯材作抗腐蚀部分只占三分之一，造成材料的巨大浪费。管线用不锈钢复合板兼具复层不锈钢的良好耐蚀性及基层管线钢的高强度和高韧性，由其制备的双金属复合管，能显著提高输送管线的耐腐蚀能力，延长管线的使用寿命，同时材料价格也适宜。
管线用不锈钢复合板主要制备技术以***复合法和真空轧制复合法为主。如专利申请号201410424877.3《一种油气运输管道用不锈钢/管线钢复合板的制备方法》公开的是一种采用***复合法制备油气管道用不锈钢复合板的生产方法。由于***复合法存在噪声污染及环境污染等问题，同时起爆点无法冶金结合且***后长时间退火对不锈钢的耐蚀性影响很大，是一种将逐步被淘汰的复合板生产方式。真空轧制复合法采用焊接组坯，经高温加热，然后轧制的方式实现基材和覆材良好冶金结合，是一种绿色、环保的复合板生产方法。而采用真空轧制复合法生产复合板，现有传统组坯工艺主要通过封焊四周，然后钻孔再抽真空的方法进行组坯，如专利公开号CN103639203A《对称热轧制造不锈钢复合板的真空封装方法》公开的正是利用该法进行组坯，因该法需要封焊后再钻孔抽真空，工艺较为繁琐，且大气环境下封焊复合坯其边部未复合界面容易氧化，影响结合。另外一种新颖的组坯方式是在真空环境下电子束直接焊接组坯，省去了封焊后钻孔抽真空过程，如专利公开号CN102069289A《一种不锈钢-碳钢复合板的制备方法》公开的正是采用电子束将不锈钢与碳钢直接在真空环境下进行焊接组坯。然而该法由于不锈钢与碳钢的热膨胀系数存在很大差异，加热过程因膨胀量不一样很容易使不锈钢与碳钢的焊缝裂开，轧制成功率不太高。石油天然气输送管线用不锈钢复合板对基材和覆材的性能要求高，对结合性能也提出很高要求，要获得石油天然气输送管线用不锈钢复合板良好综合性能，对基材的成分及轧制工艺等都有严格的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板及其制备方法，该制备方法简单易行，成本低廉，制备出的复合板具有良好的耐腐蚀性能、强韧性，复合界面更平直，覆材厚度更均匀，表面质量更佳，且无需退火热处理可直接使用。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板，包括基材和覆材，覆材冶金结合于基材上；
覆材为奥氏体不锈钢；
基材化学成分按重量百分比为：C：0.03％-0.09％，Si：0.2％-0.4％，Mn：1.00％-1.70％，P≤0.02％，S≤0.01％，Alt：0.015％-0.050％，Nb：0.020％-0.090％，V≤0.05％，Ti：0.006％-0.030％，Cr:0.10％-0.30％，Ni≤0.30％，Mo≤0.10％，Cu≤0.30％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板中，覆材为S30403(304L)、S31008(310S)、S31603(316L)、S31703(317L)或S32168(321)奥氏体不锈钢。
前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板中，基材的组织为贝氏体+少量先共析铁素体组织，或针状铁素体+贝氏体组织；覆材的组织为奥氏体组织。
前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板中，基材的屈服强度：415-635MPa，抗拉强度：520-760MPa，延伸率≥20％，-20℃夏比冲击功Akv≥120J。
前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板中，覆材按照ASTM A262方法E进行晶间腐蚀检测，其弯曲外表面未出现晶间开裂现象，抗晶间腐蚀性能良好。
前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板中，该石油天然气输送管线用不锈钢复合板的抗剪强度≥350MPa，经180°内弯曲和外弯曲复合界面不开裂。
本发明还设计一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，具体包括以下步骤：
㈠坯料准备：根据成品复合板的品种和规格，准备基材和覆材坯料，并对基材和覆材坯料的待复合面进行打磨处理，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属；
㈡隔离剂涂刷：对覆材非复合面进行隔离剂涂刷，保证隔离剂均匀涂刷在覆材表面上，然后再将隔离剂烘干；
㈢复合坯制备：在其中一块基材待复合面的四周边部将封条点焊固定，封条高度为两块覆材的厚度之和，宽度为30-60mm；然后将两块覆材非复合面叠合，并放置在封条围成的槽内，再将另一块基材复合面朝下，盖在两块覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，组成一个待封焊的复合坯；在真空室内采用真空电子束将复合坯封条与基材之间的缝隙进行焊接，焊接时的真空度值＜10×10-2Pa；
㈣加热：将复合坯送至加热炉加热，加热温度在1120-1230℃，加热总时间按坯料厚度以1.0-2.0min/mm的时间控制；
㈤轧制与冷却：采用TMCP工艺大压下方式进行轧制，粗轧阶段首道次压下率在10％以上，粗轧最后一道次压下率在25％以上；中间坯厚度是轧制总厚度的2.0-3.0倍，精轧阶段开轧温度830-950℃，终轧温度控制800-900℃；轧制后高速抛钢，复合板直接进入超快冷装置进行以5-20℃/s速度快速冷却，返红温度控制在350-550℃；
㈥切割分板：采用等离子或火焰切割方式对复合板进行切割，经切头、尾及切两边后，上下两张单面复合板分离，再对单面复合板进行矫直处理，经表面打磨后，获得所需规格的不锈钢复合板产品。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法中，步骤㈢中的电子束封焊的焊缝深度为30-60mm。
前述石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法中，步骤㈤中轧制过程粗轧阶段的压缩比≥2.0。
本发明的有益效果是：
⑴本发明基材采用低碳+微量Nb、Ti的成分设计，扩大了未再结晶区间，可适当提高终轧温度，有利于覆材获得优异的耐蚀性能，同时基材仍在未再结晶区轧制,也具有良好的强韧性能；
⑵本发明在真空室环境下直接封焊组坯，减少了传统工艺的钻孔、抽真空等工序，真空度更有保障；同时通过封条与基材焊接所组复合坯，避免了不锈钢与碳钢直接焊接组坯在加热过程因膨胀量不一致而开裂的问题；
(3)与***复合比，本发明采用真空焊接组坯与TMCP轧制工艺结合制备的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，复合界面更平直，覆材厚度更均匀，表面质量更佳，且无需退火热处理可直接使用。
附图说明
图1为本发明实施例1的复合板界面显微组织图，
图2为本发明实施例1的复合板基材显微组织图。
具体实施方式
实施例1-5,本实施例提供的一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板，包括基材和覆材，覆材冶金结合于基材上；
表2列出了实施例1-5的石油天然气输送管线用不锈钢复合板覆材的不锈钢牌号；
表1列出了实施例1-5的石油天然气输送管线用不锈钢复合板基材坯料的化学成分质量百分比；
表1本发明实施例基材钢种的冶炼成分
实施例 C Si Mn P S Nb V Ti Alt Cr Ni Cu Mo B
实施例1 0.06 0.25 1.45 0.012 0.0025 0.040 0.001 0.009 0.032 0.18 0.01 0.02 0.011 0.0002
实施例2 0.06 0.20 1.55 0.012 0.0023 0.045 0.001 0.010 0.035 0.17 0.01 0.02 0.012 0.0001
实施例3 0.05 0.20 1.56 0.012 0.0021 0.045 0.001 0.011 0.034 0.16 0.01 0.02 0.011 0.0002
实施例4 0.06 0.30 1.63 0.012 0.0022 0.055 0.001 0.012 0.036 0.27 0.18 0.02 0.010 0.0002
实施例5 0.06 0.29 1.65 0.012 0.0018 0.065 0.001 0.015 0.032 0.26 0.25 0.15 0.011 0.0001
余量为Fe及少量不可避免的杂质；
表2本发明实施例覆材不锈钢的牌号
实施例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
覆材牌号 S30403 S31008 S31603 S31703 S32168
实施例1-5的石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，各实施例的具体工艺参数见表3，具体包括以下步骤：
㈠坯料准备：根据成品复合板的品种和规格，准备基材和覆材坯料，并对基材和覆材坯料的待复合面进行打磨处理，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属；
㈡隔离剂涂刷：对覆材非复合面进行隔离剂涂刷，保证隔离剂均匀涂刷在覆材表面上，然后再将隔离剂烘干；
㈢复合坯制备：在其中一块基材待复合面的四周边部将封条点焊固定，封条高度为两块覆材的厚度之和，宽度为30-60mm；然后将两块覆材非复合面叠合，并放置在封条围成的槽内，再将另一块基材复合面朝下，盖在两块覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，组成一个待封焊的复合坯；在真空室内采用真空电子束将复合坯封条与基材之间的缝隙进行焊接，焊接时的真空度值＜10×10-2Pa；
㈣加热：将复合坯送至加热炉加热，加热温度在1120-1230℃，加热总时间按坯料厚度以1.0-2.0min/mm的时间控制；
㈤轧制与冷却：采用TMCP工艺大压下方式进行轧制，粗轧阶段首道次压下率在10％以上，粗轧最后一道次压下率在25％以上；中间坯厚度是轧制总厚度的2.0-3.0倍，精轧阶段开轧温度830-950℃，终轧温度控制800-900℃；轧制后高速抛钢，复合板直接进入超快冷装置进行以5-20℃/s速度快速冷却，返红温度控制在350-550℃；
㈥切割分板：采用等离子或火焰切割方式对复合板进行切割，经切头、尾及切两边后，上下两张单面复合板分离，再对单面复合板进行矫直处理，经表面打磨后，获得所需规格的不锈钢复合板产品。
表3本发明实施例具体工艺参数
在本实施例中，覆材按照ASTM A262方法E进行晶间腐蚀检测，抗晶间腐蚀性能优异，步骤㈢中的电子束封焊的焊缝深度为30-60mm；步骤㈤中轧制过程粗轧阶段的压缩比≥2.0。
表4本发明实施例各项组织性能
实施例1-5的复合板各项组织性能参数具体见表4所示，复合板的拉伸、冲击、弯曲、抗剪强度及耐晶间腐蚀性能优异，图1和图2是实施例1复合板的复合界面显微组织和基材的显微组织照片，由图可知，复合板实现良好冶金结合，基材组织为贝氏体+先共析铁素体。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：包括基材和覆材，所述覆材冶金结合于基材上；
所述的覆材为奥氏体不锈钢；
所述基材化学成分按重量百分比为：C：0.03%-0.09%，Si：0.2%-0.4%，Mn：1.00%-1.70%，P ≤0.02%，S ≤0.01%，Alt：0.015%-0.050%，Nb：0.020%-0.090%，V ≤0.05%，Ti：0.006%-0.030%，Cr:0.10%-0.30%，Ni ≤0.30%，Mo ≤0.10%，Cu ≤0.30%，B ≤0.001%，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：所述覆材为S30403(304L)、S31008(310S)、S31603(316L)、S31703(317L)或S32168(321)奥氏体不锈钢（其成分及性能满足对应标准要求）。
3.根据权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：所述基材的组织为贝氏体+少量先共析铁素体组织，或针状铁素体+贝氏体组织；所述覆材的组织为奥氏体组织。
4.根据权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：所述基材的屈服强度：415-635MPa，抗拉强度：520-760MPa，延伸率≥20%，-20℃夏比冲击功Akv≥120J。
5.根据权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：所述覆材按照ASTM A262 方法E进行晶间腐蚀检测，其弯曲外表面未出现晶间开裂现象，抗晶间腐蚀性能良好。
6.根据权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板，其特征在于：所述该石油天然气输送管线用不锈钢复合板的抗剪强度≥350MPa，经180°内弯曲和外弯曲复合界面不开裂。
7.如权利要求1所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
㈠坯料准备：根据成品复合板的品种和规格，准备基材和覆材坯料，并对基材和覆材坯料的待复合面进行打磨处理，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属；
隔离剂涂刷：对覆材非复合面进行隔离剂涂刷，保证隔离剂均匀涂刷在覆材表面上，然后再将隔离剂烘干；
复合坯制备：在其中一块基材待复合面的四周边部将封条点焊固定，封条高度为两块覆材的厚度之和，宽度为30-60mm；然后将两块覆材非复合面叠合，并放置在封条围成的槽内，再将另一块基材复合面朝下，盖在两块覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，组成一个待封焊的复合坯；在真空室内采用真空电子束将复合坯封条与基材之间的缝隙进行焊接，焊接时的真空度值＜10×10-2Pa；
加热：将复合坯送至加热炉加热，加热温度在1120-1230℃，加热总时间按坯料厚度以1.0-2.0min/mm的时间控制；
轧制与冷却：采用TMCP工艺大压下方式进行轧制，粗轧阶段首道次压下率在10%以上，粗轧最后一道次压下率在25%以上；中间坯厚度是轧制总厚度的2.0-3.0倍，精轧阶段开轧温度830-950℃，终轧温度控制800-900℃；轧制后高速抛钢，复合板直接进入超快冷装置进行以5-20℃/s速度快速冷却，返红温度控制在350-550℃；
切割分板：采用等离子或火焰切割方式对复合板进行切割，经切头、尾及切两边后，上下两张单面复合板分离，再对单面复合板进行矫直处理，经表面打磨后，获得所需规格的不锈钢复合板产品。
8.根据权利要求7所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤中的电子束封焊的焊缝深度为30-60mm。
9.根据权利要求7所述的石油天然气输送管线用不锈钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤中轧制过程粗轧阶段的压缩比≥2.0。
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