CN103820708A

CN103820708A - 海洋油气开采用含硼无缝管线管的制备方法

Info

Publication number: CN103820708A
Application number: CN201410076838.9A
Authority: CN
Inventors: 许才斌; 郑臻; 王国富; 张劲松; 汪勇; 李珺; 王燕萍
Original assignee: JIANGSU CHANGBAO STEEL TUBE CO Ltd
Current assignee: JIANGSU CHANGBAO STEEL TUBE CO Ltd
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: CN103820708B

Abstract

本发明公开了一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，该方法的步骤如下：a）采用废钢、生铁和配料经过冶炼和铸造后得到管坯：其中，确保管坯的化学元素及其质量百分含量如下：C：0.09%～0.19%；Si：0.23%～0.38%；Mn：0.9%～1.7%；B：0.0015%～0.0025%；Nb：0.01%～0.07%；P:≤0.012%；S:≤0.007%；其余为Fe和其他不可避免的杂质；b）接着对管坯加热处理；c）再进行轧制；d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管。通过该方法制备的管材的抗拉强度高，焊接性能好，抗盐水和酸性环境腐蚀性能优良、抗低温冲击性能好，抗低温冲击性能在-70℃条件下达到100焦耳，具备高韧性特点。

Description

海洋油气开采用含硼无缝管线管的制备方法

技术领域

本发明涉及一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制备方法，属于无缝管线管技术领域。

背景技术

目前，随着世界经济的复苏和发展中国家经济发展规模的不断扩大，特别是中国经济的高速发展，目前世界能源和输送进入极度紧张的状况，世界各能源消耗大国和石油、天然气输出国纷纷进行新的可行性研究报告和新管道铺设计划。预计在今后的10～15年，全球总能源消耗将比现在增加60%左右，其中天然气消耗将翻番。

天然气排放的CO₂较少，故能源使用的现行趋势是从石油向天然气的稳步过渡，与石油的输送不同，气体输送进程中采用高压操作，可提高生产和输送的效率，导致市场对高压输气管线的需求量不断增加，同时对管线管提出了更高强度的要求。另外为提高气井生产效率，要求油井管口径更大，管壁更薄，通过提高管线钢强度即可达到减薄管壁的目的。

但管线钢级的发展，仅靠强度的提高是不够的，因为管道所用区域地质条件极其复杂恶劣，需要应对诸如抵制断层、地震、滑坡（地层移动），冰原、冻土（周期性融沉、冻胀）以及沿海洋流（腐蚀、冲刷、洋流运动）等不利环境因素；这就对管线管的韧性、变形能力、焊接性、低温韧性和耐腐蚀性这类钢管综合性能提出了更高的要求。从设计理念上对基于应力设计（以管道运行中所承受的环向内应力为设计依据，不考虑管道的纵向应力及应变，即不考虑管道运行过程中发生地质以及外力引起的运动）的传统油气输送管线管设计理念提出了挑战；转而向“基于应变的设计方法”，即为符合上述服役环境而考虑适应大的塑性应变能力，以保障管线的安全性和完整性。海洋钻井平台将采集到的石油和天然气（包括可燃冰）由无缝管线管输送至进行脱水、脱硫、净化处理的装置（平台），工作在高温或高压(≥14MPa)环境中，管内承受油气腐蚀以及油水混输、油水交替输送所带来的腐蚀，管外同时承受着海水、海洋大气和海底土壤带来的腐蚀。由于服役环境非常恶劣，安全系数、可靠性、耐久性要求高，焊接管线管在此环境下易失效报废，故通常需采用口径小、管壁厚的无缝钢管。近年来，油气田的开发逐步由浅水向深水（＞300m），甚至超深水（＞1500m）领域延伸，深海无缝管线管服役的海洋环境则更加恶劣：深水海底为高静压、低温环境（可燃冰的低温环境可达到-70℃左右），同时面临很多的不确定性，如风浪、表层洋流、底流、海冰、海啸以及风暴潮等。对管材内在质量的稳定性、特别是对碳当量的控制及管端加工精度有更高的技术要求，除抗硫化氢腐蚀、抗海水、海域环境的腐蚀外，还要满足-70℃的低温冲击。常用的X52钢级无缝管线管在此环境中容易在内外腐蚀、低温冲击和外力作用下，在管线管的材料缺陷和焊缝缺陷处产生应力集中而失效报废。

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陷，提供一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制备方法，通过该方法制备的管材的抗拉强度高，焊接性能好，抗盐水和酸性环境腐蚀性能优良、抗低温冲击性能好，抗低温冲击性能在-70℃条件下达到100焦耳，具备高韧性特点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于该方法的步骤如下：a）采用废钢、生铁和配料经过冶炼和铸造后得到管坯：废钢、生铁和配料首先在电炉里初炼，接着经过LF精炼，再进行喂钙处理，然后VD真空处理，紧接着弧形连铸，再经过管坯冷却和精整后得到管坯；其中，确保其化学元素及其质量百分含量如下：C：0.09%～0.19%；Si：0.23%～0.38%；Mn：0.9%～1.7%；B：0.0015%～0.0025%；Nb：0.01%～0.07%；P:≤0.012%；S:≤0.007%；其余为Fe和其他不可避免的杂质。b）接着对管坯加热处理；c）再进行轧制：采用无缝钢管轧制工艺将管坯轧制成无缝管；d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管。

进一步，所述的步骤d）中的热处理方式为淬火+回火。

进一步，所述的步骤d）中的淬火温度为830℃～960℃，所述的回火温度为520℃～650℃。

进一步，所述的步骤b）中，将管坯的温度加热至AC₃的温度及以上。

进一步，所述的步骤c）中，轧制为CPE机组顶管轧制。

进一步，其中，还具有Mo：0.15wt%～0.5wt%、Ni：0.15wt%～0.25wt%、Cr：0.15wt%～0.25wt%、Cu:0.1wt%～0.4wt%、Ti≤0.10wt%、V≤0.10wt%、Al：0.01wt%～0.04wt%的其中至少一种。

进一步，其中，Mo：0.2%～0.3%；

进一步，Nb：0.02%～0.06%。

采用了上述技术方案后，碳（C）：作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高碳含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，本发明将碳含量进行有效的控制，提升了钢的韧性和可焊性，依照焊接标准，当含碳量在0.10%～0.12%以下区域时，为易焊区，当含碳量大于0.10%～0.12%，且碳当量CE＜0.49%的区域为可焊区，当碳当量0.49%≤CE＜0.69%的区域为较难焊区，必须通过合适的热处理工艺进行焊接。本发明将碳含量控制在0.09%～0.19%；锰（Mn）：通过固溶强化提高钢的强度，是补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素；锰还可以扩大γ相区，并可降低钢的γ-α相变温度，有助于获得更加细小的相变产物，藉此提高钢的韧性、降低韧脆转变温度，本发明采取锰含量控制在0.9%～1.7%的设计，考虑到C-Mn元素的匹配，当碳含量每减少0.01%时，Mn最大含量允许增加0.05%，但最大不超过1.7%的设计；铌（Nb）：是现代微合金化管线管中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显，通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复和再结晶，经控制轧制和控制冷却使张减阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，藉此使钢具有高强度和高韧性，本发明Nb含量为0.01%～0.07%，目标中值0.05%；钼（Mo）：主要用来扩大γ相区，推迟γ-α相变时先析出铁素体，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷速和温度控制下，添加0.15wt%～0.5wt%的Mo就能获得明显的针状铁素体组织；同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，通过组织的相变强化来提高钢的强度；另外因为Mo是大原子半径元素，少量加入可以有效增加钢的抗局部腐蚀和抗氯离子腐蚀性，在含H₂S条件下，还可提高钢的抗H₂S腐蚀能力，本发明的Mo设计选取0.15%～0.5%；铜（Cu）：主要通过固溶强化来提高钢的强度，同时添加一定比例的Cu可改善钢的耐蚀性能，可有效提高钢耐硫酸露点腐蚀的能力；但是Cu的添加量过大，会导致钢在1050℃～1150℃这一温度范围内发生还原析出并附着在晶界上，导致钢的热脆性发生，本项目Cu设计选取0.1%～0.4%，依据试验后钢种的耐蚀能力，可适当提高，但不可超过0.4%wt；镍（Ni）：作为提高钢材低温韧性最有效的元素，调质5%镍钢可用到-162℃，含镍9%可用到-196℃，但是过量添加镍一方面不经济，另一方面会损害钢管焊接等工艺性能，同时过量添加Ni会导致穿孔时粘顶头等生产质量控制问题；添加元素Ni还可用来改善因添加Cu以后在钢中易引起的热脆性，一般和Cu的比例按照1～2倍添加；在大壁厚管线管中还可补偿因壁厚增加而引起的强度下降，本发明Ni设计选取0.15%～0.25%；铬（Cr）：能提高钢的热力学稳定性，阻滞电化学腐蚀的阳极过程，能在一定程度上提高管线钢抗CO₂腐蚀，本发明的Cr设计选取0.15%～0.25%；另外，钒（V）：具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元属复合使用时，V主要是通过在铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度，本发明V设计选取≤0.10wt%，目标中值0.06%；钛（Ti）：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在钢坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相，这种细小的TiN粒子可有效阻碍再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性具有明显的作用，本发明Ti设计选取≤0.10wt%，硼（B）：能够提高钢的淬透性，本发明设计选取0.0015%～0.0025%，综上所述，只要确保在无缝管线管中各化学元素的质量百分含量，就能提高其抗拉强度，提高其焊接性，提高其抗盐水和酸性环境腐蚀性能，并且抗低温冲击性能好，抗低温冲击性能在-70度条件下达到100焦耳，具备高韧性的特点，通过热轧加调质热处理的方式使其强度能够达到80ksi以上的强度级别。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

一种海洋油气开采用含硼无缝管线管，它的化学元素及其质量百分含量如下：

C：0.09%；

Si：0.23%；

Mn：1.6%；

Mo：0.15%；

Ni：0.15%；

B：0.0015%；

Cr：0.2%；

Nb：0.06%；

P:0.012%；

S:0.003%；

Cu:0.25%;

V：0.015%；

Al：0.04%；

其余为Fe和其他不可避免的杂质。

一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，该方法的步骤如下：

a）采用废钢、生铁和配料经过冶炼和铸造后得到管坯，并在此过程中确保该海洋油气开采用含硼无缝管线管的化学元素满足上述的质量百分含量要求：废钢、生铁和配料首先在电炉里初炼，接着经过LF精炼，再进行喂钙处理，然后VD真空处理，紧接着弧形连铸，再经过管坯冷却和精整后得到管坯；

b）接着对管坯加热处理；其中加热温度为AC₃+50℃；

c）再进行轧制：采用无缝钢管轧制工艺将管坯轧制成无缝管；轧制设备采用CPE机组轧制；

d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管，热处理方式为淬火+回火，淬火温度为890℃左右，回火温度为590℃。

其中b）、c）和d）的具体流程为：环形炉加热→三辊斜轧穿孔→顶管→切头尾→再加热→高压水除磷→张减→冷床冷却→排锯切定尺→矫直→热处理→理化检验→矫直→探伤→包装入库。

实施例二

C：0.13%；

Si：0.35%；

Mn：1.2%；

Mo：0.25%；

Ni：0.2%；

B：0.0025%；

Cr：0.23%；

Nb：0.04%；

P:0.01%；

S:0.005%；

Cu:0.35%;

Al：0.03%

其余为Fe和其他不可避免的杂质。

a）采用废钢、生铁和配料经过冶炼和铸造后得到管坯，并在此过程中确保该海洋油气开采用含硼无缝管线管的化学元素的满足上述的质量百分含量要求：废钢、生铁和配料首先在电炉里初炼，接着经过LF精炼，再进行喂钙处理，然后VD真空处理，紧接着弧形连铸，再经过管坯冷却和精整后得到管坯；

b）接着对管坯加热处理；其中加热温度为AC₃的温度；

d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管，热处理方式为淬火+回火；淬火温度为840℃左右，回火温度为530℃左右。

实施例三

C：0.15%；

Si：0.3%；

Mn：1%；

Mo：0.4%；

Ni：0.2%；

B：0.002%；

Cr：0.15%；

Nb：0.02%；

P:0.01%；

S:0.006%；

Cu:0.4%;

Al：0.04%；

其余为Fe和其他不可避免的杂质。

b）接着对管坯加热处理；其中加热温度为AC₃+100℃；

d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管，热处理方式为淬火+回火。淬火温度为950℃左右，回火温度为640℃左右。

实施例四

C：0.15%；

Si：0.35%；

Mn：1.7%；

B：0.0023%；

Nb：0.07%；

P:0.01%；

S:0.005%；

其余为Fe和其他不可避免的杂质。

b）接着对管坯加热处理；其中加热温度为AC₃；

d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管，热处理方式为淬火+回火。淬火温度为900℃左右，回火温度为600℃左右。

上述四个实施例中的海洋油气开采用含硼无缝管线管的性能参数表如下：

	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四
					晶粒度（级）	8	8	8	8
年腐蚀速率（mm/年）	0.1	0.08	0.06	0.13
					屈服强度（室温）	595	615	635	580
抗拉强度（室温）	685	725	740	665
					延伸率（室温）	25%	24%	23%	27%
焊接性能	优良	优良	优良	优良
					抗低温冲击（-70℃）（单位：J）	120	118	115	110

从上表可以看出，本发明的海洋油气开采用含硼无缝管线管的抗拉强度高，焊接性能好，抗盐水和酸性环境腐蚀性能优良、抗低温冲击性能好，抗低温冲击性能在-70℃条件下达到100焦耳，具备高韧性特点；晶粒度满足5-9级，级差≤2级的要求；完全符合要求。

上述实施例中,步骤d）中的淬火温度可以为830℃～960℃，所述的回火温度可以为520℃～650℃。

本发明的工作原理如下：

碳（C）：作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高碳含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响，本发明将碳含量进行有效的控制，提升了钢的韧性和可焊性，依照焊接标准，当含碳量在0.10%～0.12%以下区域时，为易焊区，当含碳量大于0.10%～0.12%，且碳当量CE＜0.49%的区域为可焊区，当碳当量0.49%≤CE＜0.69%的区域为较难焊区，必须通过合适的热处理工艺进行焊接。本发明将碳含量控制在0.09%～0.19%；

锰（Mn）：通过固溶强化提高钢的强度，是补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素；锰还可以扩大γ相区，并可降低钢的γ-α相变温度，有助于获得更加细小的相变产物，藉此提高钢的韧性、降低韧脆转变温度，本发明采取锰含量控制在0.9%～1.7%的设计，考虑到C-Mn元素的匹配，当碳含量每减少0.01%时，Mn最大含量允许增加0.05%，但最大不超过1.7%的设计；

铌（Nb）：是现代微合金化管线管中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显，通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复和再结晶，经控制轧制和控制冷却使张减阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，藉此使钢具有高强度和高韧性，本发明Nb含量为0.01%～0.07%，目标中值0.05%；

钼（Mo）：主要用来扩大γ相区，推迟γ-α相变时先析出铁素体，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷速和温度控制下，添加0.15wt%～0.5wt%的Mo就能获得明显的针状铁素体组织；同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，通过组织的相变强化来提高钢的强度；另外因为Mo是大原子半径元素，少量加入可以有效增加钢的抗局部腐蚀和抗氯离子腐蚀性，在含H₂S条件下，还可提高钢的抗H₂S腐蚀能力，本发明的Mo设计选取0.15%～0.5%；

铜（Cu）：主要通过固溶强化来提高钢的强度，同时添加一定比例的Cu可改善钢的耐蚀性能，可有效提高钢耐硫酸露点腐蚀的能力；但是Cu的添加量过大，会导致钢在1050℃～1150℃这一温度范围内发生还原析出并附着在晶界上，导致钢的热脆性发生，本项目Cu设计选取0.1%～0.4%，依据试验后钢种的耐蚀能力，可适当提高，但不可超过0.4%wt；

镍（Ni）：作为提高钢材低温韧性最有效的元素，调质5%镍钢可用到-162℃，含镍9%可用到-196℃，但是过量添加镍一方面不经济，另一方面会损害钢管焊接等工艺性能，同时过量添加Ni会导致穿孔时粘顶头等生产质量控制问题；添加元素Ni还可用来改善因添加Cu以后在钢中易引起的热脆性，一般和Cu的比例按照1～2倍添加；在大壁厚管线管中还可补偿因壁厚增加而引起的强度下降，本发明Ni设计选取0.15%～0.25%；

铬（Cr）：能提高钢的热力学稳定性，阻滞电化学腐蚀的阳极过程，能在一定程度上提高管线钢抗CO₂腐蚀，本发明的Cr设计选取0.15%～0.25%；

另外，钒（V）：具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在Nb、V、Ti三种微合金元属复合使用时，V主要是通过在铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度，本发明V设计选取≤0.10wt%，目标中值0.06%；

钛（Ti）：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在钢坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相，这种细小的TiN粒子可有效阻碍再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性具有明显的作用，本发明Ti设计选取≤0.10wt%；

硼（B）：能够提高钢的淬透性，本发明设计选取0.0015%～0.0025%；

综上所述，只要确保在无缝管线管中各化学元素的质量百分含量，就能提高其抗拉强度，提高其焊接性，提高其抗盐水和酸性环境腐蚀性能，并且抗低温冲击性能好，抗低温冲击性能在-70度条件下达到100焦耳，具备高韧性的特点，通过热轧加调质热处理的方式使其强度能够达到80ksi以上的强度级别。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于该方法的步骤如下：

a）采用废钢、生铁和配料经过冶炼和铸造后得到管坯：废钢、生铁和配料首先在电炉里初炼，接着经过LF精炼，再进行喂钙处理，然后VD真空处理，紧接着弧形连铸，再经过管坯冷却和精整后得到管坯；其中，确保其化学元素及其质量百分含量如下：C：0.09%～0.19%；Si：0.23%～0.38%；Mn：0.9%～1.7%；B：0.0015%～0.0025%；Nb：0.01%～0.07%；P:≤0.012%；S:≤0.007%；其余为Fe和其他不可避免的杂质。

b）接着对管坯加热处理；

c）再进行轧制：采用无缝钢管轧制工艺将管坯轧制成无缝管；

d）最后经过热处理再检测后得到该海洋油气开采用含硼无缝管线管。

2.根据权利要求1所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：所述的步骤d）中的热处理方式为淬火+回火。

3.根据权利要求2所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：所述的步骤d）中的淬火温度为830℃～960℃，所述的回火温度为520℃～650℃。

4.根据权利要求1所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：所述的步骤b）中，将管坯的温度加热至AC₃的温度及以上。

5.根据权利要求1所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：所述的步骤c）中，轧制为CPE机组顶管轧制。

6.根据权利要求1所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：其中，还具有Mo：0.15wt%～0.5wt%、Ni：0.15wt%～0.25wt%、Cr：0.15wt%～0.25wt%、Cu:0.1wt%～0.4wt%、Ti≤0.10wt%、V≤0.10wt%、Al：0.01wt%～0.04wt%的其中至少一种。

7.根据权利要求6所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：其中，Mo：0.2%～0.3%。

8.根据权利要求1所述的海洋油气开采用含硼无缝管线管的制造方法，其特征在于：其中，Nb：0.02%～0.06%。