CN114480818A - 酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,包括如下步骤:高温步进梁加热、高压水除鳞、高温淬火、高温回火、高压水除鳞、高温热矫直工艺、冷床整管空冷;母管包括如下重量百分比的各组分:0.06%≤C≤0.12%;0.10%≤Si≤0.30%;1.00%≤Mn≤1.60%;0.02%≤Nb≤0.10%;0.04%≤V≤0.10%;Ni+Mo≤0.20%;Cr+Cu≤0.20%;其他元素和余量Fe;本发明的管线管母管,能够达到高尺寸精度、高性能稳定性、高韧性(韧脆转变温度≤‑60℃)、高延展性(延伸率≥30%(板))、高抗SSC腐蚀性(90%AYS四点弯曲720小时不断裂)。
Description
技术领域
本发明属于管材制备热处理技术领域,尤其涉及酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法。
背景技术
随着石油天然气开采和运输条件的不断恶劣,开采及输送的油气体也越复杂,对于复合管的需求日益增加。复合管即母材为碳钢管,复合层为316L不锈钢或者双相不锈钢或者镍基合金,母管保证基本强度,复合层保证足够的腐蚀余量,从而达到恶劣环境下输送环境的使用要求。复合管无缝母管相比普通管线管具有特殊性,对于母管的成分稳定、性能波动(最大屈服强度与最小屈服强度之差)和尺寸波动(壁厚不均度,管与管直径差)要求都比普通管线管要求高,需要保证复合后每个钢管的性能变化都符合要求,均一稳定的成分保证复合后管与管性能差别小。母管对整管外径、壁厚、椭圆度要求更高,尤其是管端尺寸,需要保证管端高尺寸精度满足后续堆焊的控制和焊接对接尺寸的控制。普通管线母管存在性能强度范围为150MPa,海洋用管强度范围为120MPa,管端尺寸精度不能满足焊接后对接余高差0.5mm等。在钢管的产品标准中,对钢管有多种要求,其中的力学性能是主要的指标之一。此外,还包括使用性能、工艺性能、金相组织等,所有这些要求都与热处理工艺密切相关,热处理的目的就是使这些性能达到标准的要求。
钢管热处理工艺包括钢管加热、淬火、淬火冷却、再加热、回火、冷却等工序,但是不同炉型和加热控制、淬火方式和冷却控制都会影响最终产品的整体性能,尤其是对于大口径厚壁的管线这种影响会更明显。淬火过程是将工件从高温快速冷却到低温的一个工艺过程,工艺的特点决定了工件在淬火后将发生变形,尤其是像钢管这类细长的产品更容易变形,特别是钢管弯曲,弯曲严重时则成为废品。为了解决这一问题,多年来,设备制造企业研制了各种淬火装置应用于生产,浸入式、外淋内喷、旋转式内喷外淋、浸入式内喷外淋等淬火装置来增大冷却强度,改善冷却均匀,实现淬火后变形小、性能提升。炉温及节拍是钢管奥氏体化的重要参数,它决定了钢管在炉内的加热时间,并保证钢管达到了规定的温度及保温时间的要求。
诸如中国专利等均为普通酸性用管线,未有成分波动(ΔC、ΔSi、ΔMn、ΔNb、ΔV、ΔMo、ΔCr、ΔNi、ΔCu等)、性能波动(最大屈服强度与最小屈服强度之差)和尺寸波动(壁厚不均度,管与管直径差)等复合管母管指标的要求。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种酸性环境用复合管母管的热处理方法,以满足深海等苛刻环境开发所需要的机械复合管母管,解决管线管在机械复合的情况下,性能不稳,尺寸不合而不能满足设计要求等问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,包括如下步骤:
高温步进梁加热、高压水除鳞、高温淬火、高温回火、高压水除鳞、高温热矫直工艺、冷床整管空冷。
进一步的,所述高温步进梁加热采用高温步进梁炉,双交叉限幅比例控制方式,微正压还原气氛,控制压力≤10Pa。
进一步的,所述高温淬火采用外淋内喷旋转式,淬火冷却介质采用工业水,其中,水温低于30℃,外淋水量≥1300m3/h,压力为2~3bar;内喷水量≥700m3/h,压力为5~7bar,内喷时水的流速可达7~20m/s。
进一步的,高压水除磷分别在高温淬火之前、高温回火之后均进行,且除鳞水压力在10~22MPa。
进一步的,所述高温回火采用步进梁回火炉,燃烧***采用的亚高速烧嘴,并通过脉冲控制烧嘴燃烧,回火保温时间≥15min。
进一步的,酸性环境用机械复合管无缝母管包括如下重量百分比的各组分:
0.06%≤C≤0.12%;
0.10%≤Si≤0.30%;
1.00%≤Mn≤1.60%;
0.02%≤Nb≤0.10%;
0.04%≤V≤0.10%;
Ni+Mo≤0.20%;
Cr+Cu≤0.20%;
其他元素和余量Fe。
进一步的,所述母管中组分的波动范围为:ΔC≤0.03%、ΔSi≤0.15%、ΔMn≤0.40%、ΔNb≤0.020%、ΔV≤0.030%、ΔMo≤0.05%、ΔCr≤0.05%、ΔNi≤0.10%、ΔCu≤0.10%。
进一步的,所述母管的壁厚不均度≤20%,管端内径公差≤±1mm,不圆度≤3mm,任意两支钢管管端外径直径差≤1.6mm。
进一步的,所述母管的性能满足屈服强度≥450MPa、抗拉强度≥535MPa、断后延伸率≥22%、最大总延伸率≥8%、屈强比≤0.90、韧脆转变温度≤-60℃、强度波动≤80MPa。
进一步的,所述其他元素包括Al、B、P、S。
进一步的,所述其他元素中组分的重量百分比满足:Al≤0.050%;B≤0.0005%、P≤0.020%、S≤0.008%。
本发明在成分设计上主要考虑成分控制范围,即元素波动范围的控制,利用低碳V+Nb微合金及织构的控制保证基本的强度范围。在轧制工艺上,利用高精度连轧机组通过优化孔型匹配轧制工具保证外径、壁厚不均度和内外表面质量,实现钢管尺寸精度和表面质量的吻合性。在热处理工艺上,通过淬火加回火,长材热处理工艺优化,保证温度控制精度、淬透性的充分以及组织转变的稳定性实现热处理后材料尺寸精度和性能稳定性。
本发明的优点和积极效果是:
本发明的酸性环境用机械复合管线管母管的热处理方法,能够使得母管达到高尺寸精度(管端内径±1mm,椭圆度≤3mm,管与管直径差≤1.6mm),高性能稳定性(强度波动范围为≤80MPa),高韧性(韧脆转变温度≤-60℃),高延展性(延伸率≥30%(板)),高抗SSC腐蚀性(90%AYS四点弯曲720小时不断裂)。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述,但是应当知道,这些附图仅是为解释目的而设计的,因此不作为本发明范围的限定。此外,除非特别指出,这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造,而不必要依比例进行绘制。
图1是本发明实施例提供的酸性环境用机械复合管无缝母管整个圆周360°性能波动;
图2本发明实施例提供的酸性环境用机械复合管无缝母管组织放大500X后的照片。
具体实施方式
首先,需要说明的是,以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等,然而所有的描述仅是用来进行说明的,而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外,在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征,或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征,仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减,从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外,为了简化图面起见,相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例提供的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,包括如下步骤:高温步进梁加热、高压水除鳞、高温淬火、高温回火、高压水除鳞、高温热矫直工艺、冷床整管空冷。
其中,高温步进梁加热采用高温步进梁炉,双交叉限幅比例控制方式,微正压还原气氛,控制压力≤10Pa;高温步进梁炉沿炉子长度方向分为加热段和保温段,每段又可以分为若干个区进行燃烧、温度控制,如加热段可以分为3个燃烧、温度控制段,使得加热段的温度保持的更加稳定,又如保温段可以分为3个燃烧、温度控制段,使得保温段的温度保持的更加稳定,从而保证钢管在长度方向上的温度均匀性。装料端炉顶压低,不安装烧嘴,对刚入炉的钢管起到预热作用,以防止钢管骤然受到热气流冲击产生变形。高温步进梁炉采用亚高速烧嘴供热,炉内最高温度为1100℃,高温步进梁加热段炉温的最大偏差为±20℃,保温段炉温的最大偏差为±10℃,为保证炉内温度均匀,在正常生产过程中,应将炉压控制在微正压状态,常用3-5Pa,控制压力≤10Pa,防止外界空气进入炉内。正常生产时控温及步进采用自动控制,当设备异常时可转变为手动控制,手动控制时根据温度偏差的高低人工调节燃气和空气输出量的大小,以达到将温度控制在工艺要求范围内的目的,加热段和保温段同一段的若干个区炉膛温度尽量接近,避免温度波动过大。生产过程中应严格监控高低温炉侧墙温度的变化,确保高低温炉加热段两侧墙温度差≤30℃,保温段两侧墙温度差≤15℃。如有超出情况,尽快采取适当措施使其恢复正常。高低温炉空气过剩系数设定为:加热段1.2,保温段1.0,可根据实际燃烧情况进行调节。调整空气与天然气的燃烧比例:在保证正常燃烧的情况下,适当调节,高低温炉的火焰调至暗红色(空气过剩系数加热段控制在0.8~2.0,保温段控制在0.8~1.5,减少过量的氧气。正常连续生产过程中,高低温炉残氧量控制在13%以下。钢管从高温炉出炉炉门开启到位,到水淬入水过程中,当遇到设备故障,停滞或无法自动淬火时,认为淬火异常,需剔除重新装高温炉。钢管的淬火方式为钢管在旋转的情况下,对钢管进行外淋、内喷的冷却淬火,这种淬火方式不仅冷却强度大,而且冷却均匀,既达到了淬火目的,又最大限度地减少或避免了钢管的变形及开裂。该淬火设备主要由以下几部分组成:上料机构,使钢管旋转的托轮及压紧轮、外淋水管及挡水板、内喷喷嘴、出料机构及斜台架、步进机构等,淬火冷却介质采用工业水(水温低于30℃),外淋水量≥1300m3/h,压力为2~3bar;内喷水量≥700m3/h,压力为5~7bar,内喷时水的流速可达7~20m/s。调整水淬喷嘴,喷淬前,管端与喷嘴距离应保证在150mm范围以内。不同钢管应配以不同的喷嘴,目的使内喷冷却水能够全部进入管内,喷嘴与钢管的中心线应保持一致,为了使内喷水能够喷入管内,喷嘴的直径小于钢管内径,使水流进入管内即与内壁接触,使管端也能得到充分冷却,如果喷嘴与管端的距离太近,则钢管端部内壁不能与水接触,将影响端部淬火效果,钢管水淬完后内部表面有残留水,要保证足够的控水时间,使内表面的积水排净,防止残余水进入回火炉形成水蒸气,造成内表面形成过多的氧化铁皮;
另外,在淬火炉、高温回火炉出炉位置安装高压水除鳞装置,调整除鳞水压力在10~22MPa,去除外表面氧化铁皮,改善外表面质量,合理调整高压水除鳞装置,根据规格不同选择合适的除鳞环节。
本实施例中高温步进梁加热采用步进梁回火炉,燃烧***采用的是亚高速烧嘴,并通过脉冲控制烧嘴燃烧,回火保温时间应该≥15min,经淬火后钢管需在低温炉内进行高温回火,回火工序十分重要,它直接影响到产品的最终力学性能指标,因此,对步进梁回火炉而言,温度的准确性及稳定性至关重要,也是衡量回火炉质量的依据。步进梁回火炉燃烧***采用的是亚高速烧嘴,并通过脉冲控制烧嘴燃烧。回火炉沿炉子长度方向分为加热一段、加热二段和保温段,每段又分为三个区进行燃烧和温度控制,共计九个控制区,回火炉的节拍原则上与高温炉相同,在生产中,为了避免某些因素影响高温炉的节奏,可以将低温炉的节拍略低于高温炉,这是因为如果高温炉的节拍受影响,炉温将产生波动,影响加热质量。
酸性环境用机械复合管无缝母管,所述母管包括如下重量百分比的各组分:
0.06%≤C≤0.12%;
0.10%≤Si≤0.30%;
1.00%≤Mn≤1.60%;
0.02%≤Nb≤0.10%;
0.04%≤V≤0.10%;
Ni+Mo≤0.20%;
Cr+Cu≤0.20%;
其他元素和余量Fe。
其中,所述其他元素包括Al、B、P、S;所述其他元素中组分的重量百分比满足:Al≤0.050%;B≤0.0005%、P≤0.020%、S≤0.008%。
需要说明的是,CEpcm≤0.21%;
其中,CEPcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B,该式中各种元素代表该元素的质量百分比。
具体的,母管中的化学成分说明如下:
C:强度元素,考虑焊接性能和冶炼成本以及碳含量对性能和碳当量的影响,所以将其含量限制在0.06~0.12%范围内,波动范围控制在ΔC≤0.03%;
Si:强度元素,考虑韧性和耐蚀性以及对性能和碳当量的影响,所以将其含量限制在0.10~0.30%范围内,波动范围控制在ΔSi≤0.15%;
Mn:强度元素,考虑强度和低温韧性以及对性能和碳当量的影响,所以将其含量限制在1.00~1.60%范围内,波动范围控制在ΔMn≤0.40%;
Nb:微合金化元素,细化晶粒,提高抗腐蚀性能。所以将其含量限制在0.020~0.100%范围内,波动范围控制在ΔNb≤0.020%;
V:微合金元素,析出强化来提高钢的强度以及对性能和碳当量的影响,控制V含量在0.040~0.100%范围内,波动范围控制在ΔV≤0.030%;
Cr、Mo、Ni、Cu:残余元素,参与碳当量计算,控制Ni+Mo≤0.20%、Cr+Cu≤0.20%;,波动范围控制在ΔMo≤0.05%,ΔCr≤0.05%,ΔNi≤0.10%,ΔCu≤0.10%;
Al:Al是脱氧元素,其含量不能过高,易导致氧化物夹杂,所以将其含量限制在Al≤0.050%范围内;
B:残余元素,考虑钢的表面质量和焊接性能,控制其含量在≤0.0005%范围内;
P、S:P和S是杂质元素,炼钢过程中尽量降低其含量,杂质元素含量控制在P≤0.020%、S≤0.008%。
所述母管的壁厚不均度≤20%,椭圆度≤1%D,管端内径公差≤±1mm,不圆度≤3mm,任意两支钢管管端外径直径差≤1.6mm;是通过PQF和MPM高精度轧制和控制轧制工艺实现的,管端尺寸可以通过直接轧制或者定径工艺实现。
所述母管的性能满足屈服强度≥450MPa、抗拉强度≥535MPa、断后延伸率≥22%、最大总延伸率≥8%、屈强比≤0.90、韧脆转变温度≤-60℃、强度波动≤80MPa;是通过热处理工序实现,热处理工序采用高温淬火和高温回火工艺,淬火冷却介质采用水淬,高温回火冷却方式采用空冷。
利用本发明的热处理方法处理得到的酸性环境用机械复合管无缝母管,性能满足屈服强度≥450MPa、抗拉强度≥535MPa、断后延伸率≥22%、最大总延伸率≥8%,屈强比≤0.90、韧脆转变温度≤-60℃,强度波动≤80MPa。矫直机上辊带有快开机构,可避免钢管端部撞伤,特殊的辊型设计保证钢管与辊面的良好接触,不仅保证钢管的直度达到标准要求,并可以使椭圆度得到进一步改善。矫直辊角度调整要合适,钢管和辊表面接触应吻合,接触线尽可能长(辊子曲线的2/3为佳),相对矫直辊对中,且矫直后的钢管表面应无明显螺旋线及压痕。高度(辊缝)调整要适中,且矫直速度要合适;对不同规格及钢级的钢管应施加不同的弯曲,施加不同的弯曲靠调整中间一对辊共同上升的高度来实现,接触面应尽可能大,注意接触面的同轴度,注意管子尾部出辊子时是否平稳,试矫时的测量,用合适长度的平尺或专用量具直接检测直度,用游标卡尺或派尺检测外径或内径和不圆度,这几项指标达到标准要求时方可正式投入运行,矫直时,调整矫直机合理的压下量,使钢管产生变形,使内表面氧化铁皮脱落。
作为举例,在本实施例中,制备若干DNVGL SMLS 450SFPDU钢级、规格219.1mm×12.7mm的酸性环境用机械复合管无缝母管,其化学成分如下表1、2;管材的尺寸精度见表3,此实施例的管端是直接通过轧制得到的,不需要额外的加工处理;力学性稳定性能见表4;韧脆性转变系列值见表5,转变温度≤-60℃。
表1管线管的化学成分
注:Ni、Cr、Mo、Cu为电炉冶炼残余,非故意添加元素;
需要说明的是,管线管的化学成分中还有其他的杂质元素,如表2所示:
表2
Ca | Pb | Sn | As | Sb | Bi | O | N | H |
0.0010 | 0.0001 | 0.0048 | 0.0056 | 0.0021 | 0.0005 | 0.0018 | 0.0050 | 0.00002 |
表3管线管的尺寸公差情况
注:管与管直径差是根据实测钢管管端外径,对比任意两支钢管管端外径得到直径差。
表4管线管的力学性能
注:试样类型为板状试样,bo为试样宽度,Lo为试样标距为50mm;Rt0.5:规定总延伸强度;Rm:抗
拉强度;A:断后伸长率;Agt:最大力总延伸率;Ag:最大力塑性延伸率;Y/T:屈强比。
表5管线管的韧脆性转变系列值
注:K为吸收能量,V为缺口形状,8为摆锤刀刃半径;T:横向;AK:冲击值;SFA:剪切面积百分比(纤维断面率)。
需要说明的是,图1是本发明实施例提供的酸性环境用机械复合管无缝母管整个圆周360°性能波动,是沿着钢管周向方向从1号顺时针挨着取样,试样宽度70mm,总计取8个试样,进行拉伸试验,得到每个试样的拉伸性能;拉伸性能数据大小变化不大,说明性能均匀稳定;图2本发明实施例提供的酸性环境用机械复合管无缝母管组织照片500X,就是热处理之后区金相试样,进行的组织分析,在放大倍数500X下进行的拍照,从图中可以看出,组织均匀,晶粒细小,说明组织比较好。
以上实施例对本发明进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于,包括如下步骤:
高温步进梁加热、高压水除鳞、高温淬火、高温回火、高压水除鳞、高温热矫直工艺、冷床整管空冷。
2.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:所述高温步进梁加热采用高温步进梁炉,双交叉限幅比例控制方式,微正压还原气氛,控制压力≤10Pa。
3.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:所述高温淬火采用外淋内喷旋转式,淬火冷却介质采用工业水,其中,水温低于30℃,外淋水量≥1300m3/h,压力为2~3bar;内喷水量≥700m3/h,压力为5~7bar,内喷时水的流速可达7~20m/s。
4.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:高压水除磷分别在高温淬火之前、高温回火之后均进行,且除鳞水压力在10~22MPa。
5.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:所述高温回火采用步进梁回火炉,燃烧***采用的亚高速烧嘴,并通过脉冲控制烧嘴燃烧,回火保温时间≥15min。
6.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:所述酸性环境用机械复合管无缝母管包括如下重量百分比的各组分:
0.06%≤C≤0.12%;
0.10%≤Si≤0.30%;
1.00%≤Mn≤1.60%;
0.02%≤Nb≤0.10%;
0.04%≤V≤0.10%;
Ni+Mo≤0.20%;
Cr+Cu≤0.20%;
其他元素和余量Fe。
7.根据权利要求6所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:母管中组分的波动范围为:ΔC≤0.03%、ΔSi≤0.15%、ΔMn≤0.40%、ΔNb≤0.020%、ΔV≤0.030%、ΔMo≤0.05%、ΔCr≤0.05%、ΔNi≤0.10%、ΔCu≤0.10%。
8.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:母管的壁厚不均度≤20%,管端内径公差≤±1mm,不圆度≤3mm,任意两支钢管管端外径直径差≤1.6mm。
9.根据权利要求1所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:母管的性能满足屈服强度≥450MPa、抗拉强度≥535MPa、断后延伸率≥22%、最大总延伸率≥8%、屈强比≤0.90、韧脆转变温度≤-60℃、强度波动≤80MPa。
10.根据权利要求6所述的酸性环境用机械复合管无缝母管的热处理方法,其特征在于:所述其他元素包括Al、B、P、S,其所述其他元素中组分的重量百分比满足:Al≤0.050%;B≤0.0005%、P≤0.020%、S≤0.008%。
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