CN112501509A - 一种用于海洋软管铠装层的低合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海洋软管铠装层的低合金材料及其制备方法。该材料按照质量百分比由组分：C 0.05‑0.2％，Si 0.1‑0.7％，Mn 0.7‑1.7％，Cr 1‑2.5％，Mo 0.1‑1％，Al 0.01‑0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，V≤0.3，Cu≤0.1，其余为Fe组成，总质量百分比为100％。制备方法为：按照设定化学成分进行冶炼并浇注成连铸坯；将连铸坯再次进行加热并保温，并经过多道次高速线材热轧生产工艺进行生产，得到热轧盘条钢；热轧后坯料采用多道次冷轧工艺以制得断面异型钢；将冷轧后断面异型钢再次进行加热并保温，水冷至室温后，进行回火处理。本发明的低合金材料强度高，且呈现出良好的抗硫化物应力腐蚀性能，成本低廉，易于制备及控制。

Description

一种用于海洋软管铠装层的低合金钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金及金属压力加工技术领域，具体涉及一种用于海洋软管铠装层的低合金材料及其制备方法。
背景技术
石油和天然气在国民经济和日常生活中具有重要作用，随着陆地石油和天然气资源的逐渐枯竭，油气资源储量丰富的海洋，成为人类油气开采的主要场所。当前海上石油天然气开采主要集中在浅海，随着浅海油气资源开采持续进行，海洋油气开发已从浅海逐渐向深海转变，这也是我国油气资源开发的重要规划。在深海集输油气过程中，多通过管道进行运输，浅海集输油气多使用碳钢硬管。由于碳钢硬管刚度大、柔性差，若在深海中继续使用碳钢硬管，多变的洋流扰动势必将引起碳钢硬管的破裂，从而诱发油气泄漏，造成海洋环境污染。海洋软管以其诸多优点(耐蚀性强、易安装铺设、铺设长度长、抗扰动性强等)，逐渐成为深海集输油气用理想管道。海洋软管由有机材料和钢铁材料构成的复合结构管件，主要由骨架层、内衬层、抗压铠装层、耐磨层、抗拉铠装层、中间层、包覆层等构成，其中铠装层是海洋软管核心层，主要承受集输油气过程中高压力及承受软管自重，为了降低软管自重并具有良好的柔韧度，铠装层多采用高强度低合金钢构成。在集输油气过程中，油气田中都含有一定量的H2S气体，分解出的H原子在不施加载荷条件下容易引起钢铁材料的氢致开裂腐蚀，当钢铁材料在硫化物腐蚀环境中承受拉伸应力(远低于屈服强度)时，将加速断裂过程。因此，与其他集输油气用管道相同，海洋软管的核心部件-铠装层必须具有良好的抗硫化物应力性能，以切实提高海洋软管的安全服役性能。
对于钢铁材料，硫化物应力腐蚀敏感性随低合金钢强度提高而显著增强。为了确保低合金钢在硫化物作用下不引起开裂问题以保障安全性，工业上一般采用屈服强度在500MPa以下的低合金钢作为基础材料。由于海洋软管在深海中使用，降低软管自重将极大提高软管的柔韧性，而在软管承受压力不变的前提下，降低自重势必通过提高低合金钢的强度进行补偿。因此，要求海洋软管的强度显著高于一般工业所用材料。而强度提高引起硫化物应力腐蚀敏感性增大，低合金钢抗硫化物应力腐蚀断裂要求更加苛刻。研发强度等级大于800MPa且具有良好抗硫化物应力腐蚀的海洋软管铠装层用钢，是研究的重点与难点。
发明内容
本发明的目的是针对海洋软管铠装层用低合金高强钢抗硫化物应力腐蚀性能差的问题，提供一种兼具高强度和良好抗硫化物应力腐蚀性能的用于海洋软管铠装层的低合金材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种用于海洋软管铠装层的低合金材料，按照质量百分比由组分：C 0.05-0.2％，Si 0.1-0.7％，Mn 0.7-1.7％，Cr 1-2.5％，Mo 0.1-1％，Al 0.01-0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，V≤0.3，Cu≤0.1，其余为Fe，总质量百分比为100％。
一种用于海洋软管铠装层的低合金钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比称量组分、配方、冶炼并连铸，获得连铸坯料；
步骤2，将连铸坯料加热到1100～1250℃；
步骤3，将加热后连铸坯料进行多道次的热轧工艺，开起始热轧轧制温度为1050～1100℃，终止轧制温度为860～960℃，热轧结束后采用水加速冷却至810～850℃，制备得到热轧盘条；
步骤4，将热轧盘条经过多道次冷轧，获得断面为异型的钢材料；
步骤5，将断面为异型的钢材料加热至900～930℃进行完全奥氏体化，保温30～40min，随后淬火至室温，去除表面水后进行回火处理，回火温度为600～750℃，保温40～70min，即可。进一步优选，步骤2中所述保温的时间为30～60min，目的是促使其组织均匀化。
进一步优选，步骤3中所述的热轧工艺为使用高速线材进行热轧生产，盘条尺寸为Φ12～20mm；
进一步优选，步骤4中所述的冷轧需经过6～10道次轧制。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
本发明生产成本低，制备过程简单，可实现工业化生产，材料的强度高，微观组织为回火马氏体+含Cr析出物。屈服强度为821～853MPa，抗拉强度为910～930MPa，具有良好抗硫化物应力腐蚀性能，通过应力腐蚀开裂实验，满足国际标准要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的用于海洋软管铠装层的低合金材料的光学显微镜组织图；
图2为本发明实施例1中制备的用于海洋软管铠装层的低合金材料的透射电子显微镜组织图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步的详细描述和说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于海洋软管铠装层的低合金钢材料，按质量百分比计由组分：C为0.07，Si为0.25，Mn为0.9，Cr为1.2，Mo为0.3，Al为0.02，P为0.002，S为0.001，V为0.05，Cu为0.02，其余为Fe，总质量百分比为100％。
本发明用于海洋软管铠装层的低合金钢材料的制备工艺方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比称量组分、配方、冶炼并连铸，获得连铸坯料；
步骤2，将上述连铸坯加热到1130℃，并在此温度保温40min，促使组织均匀化；
步骤3，将加热后连铸坯料使用高速线材生产线进行多道次的热轧工艺，开始热轧轧制温度为1070℃，终止轧制温度为880℃，热轧结束后用水加速冷却至820℃，制备得到尺寸为Φ12的热轧盘条；
步骤4，将热轧盘条经过6道次冷轧获得断面异型钢；
步骤5，将断面异型钢加热至910℃进行完全奥氏体化，保温35min，随后淬火至室温，去除表面水后进行回火处理，回火温度为620℃，保温50min。
本实施例中制备的用于海洋软管铠装层的低合金材料，如图1和图2所示，其微观组织为回火马氏体+含Cr析出物，屈服强度为825MPa，抗拉强度为920MPa，加载应力为设计值*85％，硫化物应力腐蚀实验中，试样满足NACE TM0177国际标准要求。
实施例2
一种用于海洋软管铠装层的低合金钢材料，按质量百分比计由组分：C为0.1，Si为0.3，Mn为1.1，Cr为1.8，Mo为0.5，Al为0.03，P为0.004，S为0.002，V为0.1，Cu为0.04，其余为Fe，总质量百分比为100％。
本发明用于海洋软管铠装层的低合金钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比称量组分、配方、冶炼并连铸，获得连铸坯料；
步骤2，将上述连铸坯加热到1130℃，并在此温度保温40min，促使组织均匀化；
步骤3，将加热后连铸坯使用高速线材生产线进行多道次的热轧工艺，开始热轧轧制温度为1080℃，终止轧制温度为900℃，热轧结束后用水加速冷却至830℃，制备得到热轧盘条，尺寸为Φ14；
步骤4，将热轧盘条经过7道次冷轧，获得断面异型钢；
步骤5，将断面异型钢加热至920℃进行完全奥氏体化，保温35min，随后淬火至室温，去除表面水后进行回火处理，回火温度为650℃，保温60min。
本实施例中制备的用于海洋软管铠装层的低合金材料，其微观组织为回火马氏体+含Cr析出物，屈服强度为835MPa，抗拉强度为925MPa，加载应力为设计值*85％，硫化物应力腐蚀实验中，试样满足NACE TM0177国际标准要求。
实施例3
一种用于海洋软管铠装层的低合金材料，按质量百分比计由组分：C为0.16，Si为0.5，Mn为1.5，Cr为2.1，Mo为0.8，Al为0.03，P为0.004，S为0.002，V为0.2，Cu为0.06，其余为Fe总质量百分比为100％。
本发明用于海洋软管铠装层的低合金钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比称量组分、配方、冶炼并连铸，获得连铸坯料；
步骤2，将上述连铸坯加热到1210℃，并在此温度保温50min，促使组织均匀化；
步骤3，将加热后连铸坯使用高速线材生产线进行多道次的热轧工艺，开始热轧轧制温度为1090℃，终止轧制温度为930℃，热轧结束后用水加速冷却至840℃，制备得到热轧盘条，尺寸为Φ16；
步骤4，将热轧盘条经过9道次冷轧，获得断面异型钢；
步骤5，将断面异型钢加热至920℃进行完全奥氏体化，保温35min，随后淬火至室温，去除表面水后进行回火处理，回火温度为700℃，保温65min。
本实施例中制备的用于海洋软管铠装层的低合金材料，其微观组织为回火马氏体+含Cr析出物，屈服强度为840MPa，抗拉强度为930MPa，加载应力为设计值*85％，硫化物应力腐蚀实验中，试样满足NACE TM0177国际标准要求。
综上所述，本发明抗CO2腐蚀的低合金钢材料成本低廉，抗CO2腐蚀性能好，制备方法简单，尤其适合制备腐蚀环境下碳捕获/封存产品上的应用。

Claims (5)

1.一种用于海洋软管铠装层的低合金钢材料，其特征在于，按质量百分比计由组分：C0.05-0.2％，Si 0.1-0.7％，Mn 0.7-1.7％，Cr 1-2.5％，Mo 0.1-1％，Al 0.01-0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，V≤0.3，Cu≤0.1，其余为Fe及不可避免杂质组成，总质量百分比为100％。
2.一种如权利要求1所述的用于海洋软管铠装层的低合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比称量组分、配方、冶炼并浇注成连铸坯；
步骤2，将连铸坯再次加热至1100～1250℃，保温的时间为30～60min；
步骤3，将加热后连铸坯料进行多道次的热轧工艺，开始热轧轧制温度为1050～1100℃，终止轧制温度为860～960℃，热轧结束后采用水加速冷却至810～850℃，制备得到热轧盘条；
步骤4，将热轧盘条经过多道次冷轧，获得断面为异型的钢材料；
步骤5，将断面为异型的钢材料加热至900～930℃进行完全奥氏体化，保温30～40min，随后淬火至室温，去除表面水后进行回火处理，即可。
3.根据权利要求2所述的用于海洋软管铠装层的低合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述回火温度为600～750℃，保温40～70min。
4.根据权利要求2所述的用于海洋软管铠装层的低合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的热轧工艺为使用高速线材进行热轧生产，盘条尺寸为Φ12～20mm。
5.根据权利要求2所述的用于海洋软管铠装层的低合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的热轧工艺和步骤4中所述的冷轧的道次数均为6～10。
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