CN115449698B - 一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法 - Google Patents
一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法，所述管线钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.010～0.050％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.015％、S≤0.002％、Cu 0.50～2.00％、Ni 0.30～1.50％、Mo0.15～0.45％、Nb 0.020～0.040％、Ti 0.015～0.035％，其余为Fe及不可避免的夹杂，本发明提供的管线钢成分中不加入稀土元素，通过低C、低Mn和Cu、Ni元素的综合作用通过传统的热连轧工业化生产出屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢。
Description
技术领域
本发明属于管线钢技术领域，具体涉及一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法。
背景技术
微生物腐蚀是微生物自身生命活动及其代谢产物直接或者间接地加速金属腐蚀过程的现象，有研究显示，管线钢腐蚀的15-30％与微生物腐蚀有关，中国每年因微生物腐蚀造成的经济损失高达500亿元。
随着微生物腐蚀导致的管线失效事故的增多，微生物腐蚀已经引起了国内外的广泛重视，国内微生物腐蚀相关研究起步较晚，目前已建成的管道项目基本都是传统的管线钢，无论在成分上还是生产工艺上均没有考虑抗微生物腐蚀的作用。
现有技术中公开的耐微生物腐蚀的管线钢，多是通过添加Ga、Ce元素来抑制细菌的增值，这样的管线钢生产成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法，不加入稀土元素，通过低C、低Mn、低P/S和Cu、Ni等元素的综合作用低成本的通过传统的热连轧工业化生产出屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢，包括以下重量百分比的化学成分：C0.010～0.050％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.015％、S≤0.002％、Cu 0.50～2.00％、Ni 0.30～1.50％、Mo 0.15～0.45％、Nb 0.020～0.040％、Ti0.015～0.035％，其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述管线钢的金相组织为铁素体+粒状贝氏体，晶粒度等级为12级以上。
所述管线钢的屈服强度：485～602MPa，抗拉强度：601～752MPa，屈强比≤0.82，A50：30％～36％，-20℃冲击功≥210J，-10℃落锤性能≥90％。
所述管线钢在硫酸盐还原菌浓度为25000个/mL的环境中试验168h，其均匀腐蚀率≤0.24mm/a，最大点蚀坑深度≤3.0μm。
本发明提供的所述屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→RH真空脱气→LF炉精炼→连铸→堆垛缓冷→板坯清理→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
所述堆垛缓冷步骤中，堆垛缓冷的时间≥48h，堆垛缓冷能促进合金元素扩散均匀化。
所述板坯加热步骤中，均热温度控制在1210～1250℃，促进奥氏体均匀化和合金元素在奥氏体中充分固溶，同时避免奥氏体晶粒过分粗化。板坯出炉经过高压水除鳞去除表面氧化铁皮后进行轧制。
所述控制轧制步骤中，粗轧温度控制在1000～1060℃，促进形变奥氏体晶粒进行多次回复再结晶细化，粗轧后板坯厚度控制在50～60mm。
所述控制轧制步骤中，精轧开轧温度控制在980-1020℃，通过累计＞74％的大变形增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，从而增加相变形核点细化晶粒尺寸，精轧终轧温度控制在850～890℃，避免在低温双相区轧制导致轧机负荷过大，同时避免造成混晶，也要避免终轧温度过高导致奥氏体晶粒粗化。
所述控制冷却步骤中，前段层流冷却，冷却速度控制在10～20℃/s。
所述卷取步骤中，控制冷却后的钢板在660～740℃进行卷取，卷取后板卷快速转移至库房与其他热卷共同堆放，以达到板卷余温“自回火”缓慢降温的目的。本发明提供的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢中的各化学成分的控制及作用如下：
C：是钢中的间隙原子，对材料的强度(屈服和抗拉强度)和焊接性能起着非常重要的作用，在管线钢板卷中，一方面需要保证其强度，需要较高的含碳量，C含量必须保证下限为0.010％，但抗微生物腐蚀管线钢板卷由于环境因素，需要具有较高的冲击韧性和焊接性能，C含量增加，材料的韧性、焊接性和抗微生物腐蚀的性能均会下降，因此，C含量必须保证上限为0.050％。
Si：在钢中起到固溶强化作用，从而提高板卷的强度，还可扩大铁素体形成范围，有利于扩大轧制工艺窗口，但过高的Si含量会影响钢材的表面质量，损害板卷的使用性能，因此将Si含量需要控制在0.10％～0.30％，以满足使用要求。
Mn：是廉价元素，其可通过固溶强化提高钢的强度，同时可促进碳氮化物析出相在加热时候的溶解，抑制析出相在轧制时候的析出，有利于保持较多的析出元素于轧后的冷却过程中在铁素体中析出，加强了析出强化，加入适量的Mn元素对保证成品钢卷的强度是有利的，但是过高的Mn元素易造成板坯的中心偏析，对钢材的抗腐蚀性能是不利的，需要将Mn含量控制在0.80％～1.0％。
Nb：是管线钢中不可缺少的微合金元素，能同时提高强度和低温韧性，在固熔状态下，能够加速奥氏体化的进程，细化晶粒；而且在焊接的过程中，铌原子的析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，改善焊接性能，因此保证材料中Nb的含量下限为0.020％，综合考虑材料的强度要求，将材料的Nb上限控制为0.040％。
Ti：与钢中的C、N等形成化合物，为了降低钢中固溶N含量，通常采用微钛处理，使钢中的N被Ti固定；钢中加入微量的钛，可以达到提高钢板强度和韧性的目的，因此将Ti含量控制在0.015％～0.035％。
Cu：铜在铁素体钢中的析出反应具有典型的扩散型相变特征，随着奥氏体向低温铁素体的转变，铜在铁素体中的固溶度急剧降低，当缓慢冷却时，纳米尺寸富铜析出相可以获得足够的形核时间。因此，铜可以伴随相变、固溶度降低和自然时效析出，因此将铜控制在0.50～2.0％之间。
Ni：Ni扩大γ相区，形成无限固溶体，细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。同时，Ni元素的加入还可以有效的防止连铸过程中的“铜脆”，保证连铸坯的表面质量，根据Cu/Ni≈1.0-2.0的要求，控制钢中Ni含量为0.30-1.5％。
Mo：Mo元素具有细化晶粒的作用，可以降低钢的热倾向性，提高钢的强度，并且与Ni结合可以大大提高材料的淬透性，细化晶粒，提高韧性；Mo元素可以降低材料的回火脆性，综合考虑将Mo元素限定为0.15％～0.45％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢中未添加任何稀土元素，避免了炼钢过程中稀土收得率难以控制的问题，减小炼钢难度；
2.本发明提供的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢的具有均匀细小的F+GB组织，其屈服强度Rt0.5：485～602MPa，Rm：601～752MPa，屈强比≤0.82，A50：30％～36％，-20℃冲击功≥210J，-10℃落锤性能≥90％；
3.本发明提供的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢在SRB浓度为25000个/ml的环境中试验168h，其均匀腐蚀率≤0.24mm/a，最大点蚀坑深度≤3.0μm，具备耐微生物腐蚀的功能。
附图说明
图1为实施例1中的管线钢的金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.010～0.050％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.015％、S≤0.002％、Cu 0.50～2.00％、Ni 0.30～1.50％、Mo 0.15～0.45％、Nb 0.020～0.040％、Ti0.015～0.035％其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→RH真空脱气→LF炉精炼→连铸→堆垛缓冷→板坯清理→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取；
1)冶炼、精炼、连铸工艺
按照上述化学成分进行钢水冶炼。采用洁净钢冶炼技术，经过LF炉脱P和S、RH炉处理以脱氢和氧，钙处理控制非金属夹杂物形态数量、形态和尺寸，减少非金属夹杂物的形成。连铸过程中投用动态轻压下和电磁制动，减少铸坯内部缺陷，提高材料的塑韧性。板坯切割完成后铸坯进行堆垛缓冷，堆垛缓冷时间≥48h，堆垛缓冷能促进合金元素扩散均匀化，对板坯表面进行检查和清理，避免热轧过程中带钢产生边部缺陷。
2)控制轧制和控制冷却工艺
板坯首先入加热炉进行加热，均热温度控制在1210～1250℃，促进奥氏体均匀化和合金元素在奥氏体中充分固溶，同时避免奥氏体晶粒过分粗化。板坯出炉经过高压水除鳞去除表面氧化铁皮后进行轧制，轧制分为粗轧和精轧两个阶段。粗轧阶段在奥氏体再结晶区进行多道次轧制，轧制温度控制在1000～1060℃，，促进形变奥氏体晶粒进行多次回复再结晶细化，粗轧后板坯厚度控制在50～60mm。精轧开轧温度控制在980-1020℃，通过累计＞74％的形变增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，从而增加相变形核点细化晶粒尺寸。精轧终轧温度控制在850～890℃，避免在低温双相区轧制导致轧机负荷过大，同时避免造成混晶，也要避免终轧温度过高导致奥氏体晶粒粗化。精轧结束后进行前段层流冷却，冷却速度控制在10～20℃/s，控制冷却后的钢板卷取温度在660～740℃。下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明各实施例和对比例的化学成分及重量百分比如表1所示，余量为铁及不可避免的杂质。成分检测根据GB/T 4336《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》进行。
表1本发明各实施例和对比例的化学成分
本发明各实施例和对比例的主要轧制工艺参数如表2所示。
表2本发明各实施例和对比例的轧制工序主要工艺参数
本发明各实施例和对比例的力学性能如表3所示。
表3本发明各实施例和对比例的力学性能
本发明实施例和对比例的夏比冲击功和落锤性能如表4所示。
表4本发明各实施例和对比例的夏比冲击功和落锤性能
本发明各实施例和对比例的夹杂物对比如表5所示。
表5本发明各实施例和对比例的夹杂物和组织
参照NACE SP 0775-2013《油田作业中腐蚀试样的制备、安装、分析和解释标准操作规程》进行抗微生物腐蚀试验，本发明各实施例和对比例的钢板在含有硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)的环境中进行耐微生物腐蚀行为研究，观察腐蚀坑形状和均匀腐蚀速率，对比例的均匀腐蚀速率和最大点蚀坑深度均远高于实施例。具体试验结果对比如表6所示。
表6本发明各实施例和对比例的抗菌性能
结合上述表格中的实施例可以看出，本发明提供的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢Rt0.5：485～602MPa，Rm：601～752MPa，屈强比≤0.82，A50：30％～36％，-20℃冲击功≥210J，-10℃落锤性能≥90％，在SRB浓度为25000个/ml的环境中试验168h，其均匀腐蚀率≤0.24mm/a，最大点蚀坑深度≤3.0μm，均远小于对比试样试验钢。可见本发明提供的技术方案适用于制造服役于硫酸盐还原菌环境的油气输送管道。
上述参照实施例对一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.010～0.050％、Si 0.10～0.30％、Mn 0.80～1.00％、P≤0.015％、S≤0.002％、Cu 0.50～2.00％、Ni 0.30～1.50％、Mo 0.15～0.45％、Nb0.020～0.040％、Ti0.015～0.035％其余为Fe及不可避免的夹杂；
所述管线钢的金相组织为铁素体+粒状贝氏体，晶粒度等级为12级以上；
所述屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→RH真空脱气→LF炉精炼→连铸→堆垛缓冷→板坯清理→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取；
所述控制轧制步骤中，粗轧温度控制在1000～1060℃，粗轧后板坯厚度控制在50～60mm；精轧开轧温度控制在980-1020℃，精轧终轧温度控制在850～890℃；
所述控制冷却步骤中，前段层流冷却，冷却速度控制在10-20℃/s；
所述卷取步骤中，控制冷却后的钢板在660～740℃进行卷取。
2.根据权利要求1所述的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，所述管线钢的屈服强度：485～602MPa，抗拉强度：601～752MPa，屈强比≤0.82，A50：30％～36％，-20℃冲击功≥210J，-10℃落锤性能≥90％。
3.根据权利要求1所述的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，所述管线钢在硫酸盐还原菌浓度为25000个/mL的环境中试验168h，其均匀腐蚀率≤0.24mm/a，最大点蚀坑深度≤3.0μm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的屈服强度480MPa级耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→RH真空脱气→LF炉精炼→连铸→堆垛缓冷→板坯清理→板坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述板坯加热步骤中，均热温度控制在1210～1250℃。
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