CN104831180B - 一种深海用海洋软管铠装层用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种深海用海洋软管铠装层用钢及其制备方法，属于冶金技术领域，成分按重量百分比含C 0.06~0.16%，Si 0.10~0.50%，Mn 0.8~1.5%，Cr 1.0~3.0%，Mo 0.3~1.0%，Al 0.01~0.03%，Ni≤0.3%，S≤0.003%，P≤0.015，余量为Fe及不可避免杂质；其抗拉强度800~840MPa，屈服强度720~795MPa，延伸率14.1~16.3%；方法为：（1）冶炼并浇铸；（2）加热至1150~1220℃均热30~50min；（3）热轧后穿水冷却，吐丝；（4）缓慢冷却后集卷；（5）冷拔获得冷拔扁钢；（6）调质热处理。本发明的深海用海洋软管铠装层用钢具有优良的耐酸性腐蚀性能，和优良的力学性能；方法成本低，产品综合性能好。

Description

一种深海用海洋软管铠装层用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种深海用海洋软管铠装层用钢及其制备方法。

背景技术

我国具有丰富的海洋油气资源，走向海洋是保障我国能源安全的战略发展需要。随着海洋石油开发向着更深海域扩展，海洋软管在海洋输送管道中有着广泛的应用前景。现有海底管材大多为碳钢硬管，但金属防腐性能差，碳钢管的长度通常为12米，需要专用的铺管船进行铺设作业，海上铺设困难，并且费用昂贵，接头落点多、隐患多，而且施工进度缓慢，每天的费用支出在百万元以上，且效率较低。相比之下，海洋软管作为海洋用管道，具有与碳钢硬管相比具有无可比拟的优点：防腐蚀、耐高压、柔顺、无配重、易安装等特点，而具有广阔的前景。海洋软管是由聚合物材料和金属材料组成的具有多层独立结构的复合挠性管。内层和外层是由高分子聚合材料连续挤出制成，中间层是由多层高强度钢带（或相互咬合的扁钢）螺旋缠绕而成。复合软管既有塑料卓越的耐腐蚀性，又有金属管的耐高压性，而且可根据用户需求连续缠绕几百米到几公里，是理想的海洋油田输油、输气和输水管道。其连续无接口避免了金属管道接头连接存在的隐患，安装方便、施工便捷、可免除大量焊接作业，每天的铺设费用大大降低，并且铺设速度大大提高，不受地基沉降的影响，比重大不需要配重，能抵抗100年的潮汐。比碳钢钢管铺设时间缩短了一半，而且综合费用仅为铺设碳钢管所需费用的一半；因此，是海洋油气开采的优选材料。

海洋复合柔性管的特殊结构，在海洋环境中某些场合比钢管具有更好的适应性。该产品的核心部件为抗拉/压铠装层使用的扁钢，这部分主要承受集输油气中的压力，维持管材的安全。所用扁钢需要对满足深海服役条件下高强度、抗硫化氢应力腐蚀、抗氢致开裂腐蚀、抗氢脆腐蚀、耐高温高压CO₂腐蚀等多项腐蚀性能，目前普通碳钢无法满足上述要求。而随着海洋深度增加，所用扁钢强度要求越高；随着屈服强度和抗拉强度提高，抗硫化氢应力腐蚀、抗氢致开裂腐蚀、抗氢脆腐蚀等越难以满足要求，需要采用镍基合金，而镍基合金价格十分昂贵，限制了使用及发展。

发明内容

针对现有深海海洋软管的抗拉/压铠装层使用的扁钢在技术上存在的上述问题，本发明提供一种深海用海洋软管铠装层用钢及其制备方法，通过合理设计合金体系和制造方法，满足深海海洋软管服役条件下的高强度和抗硫化氢应力腐蚀、抗氢致开裂腐蚀、抗氢脆腐蚀性能。

本发明的深海用海洋软管铠装层用钢的成分按重量百分比含C 0.06~0.16%， Si 0.10~0.50%，Mn 0.8~1.5%，Cr 1.0~3.0%，Mo 0.3~1.0%，Al 0.01~0.03%，Ni≤0.3%，S≤0.003%，P≤0.015，余量为Fe及不可避免杂质；其抗拉强度800~840MPa，屈服强度720~795MPa，延伸率14.1~16.3%。

上述的深海用海洋软管铠装层用钢的金相组织为回火马氏体组织。

本发明的深海用海洋软管铠装层用钢的制备方法按以下步骤进行：

1、按设定成分冶炼并浇铸，制成连铸坯，其成分按重量百分比含C 0.06~0.16%， Si 0.10~0.50%，Mn 0.8~1.5%，Cr 1.0~3.0%，Mo 0.3~1.0%，Al 0.01~0.03%，Ni≤0.3%，S≤0.003%，P≤0.015，余量为Fe及不可避免杂质；

2、将连铸坯加热至1150~1220℃，控制加热速率在6~10min/cm，均热30~50min，使奥氏体均匀，并控制连铸坯内外温差小于30℃；

3、连铸坯出炉后在高速线材轧机上完成热轧，开轧温度为1100~1150℃，终轧温度为900~950℃，压缩比8~12；热轧后穿水冷却至吐丝温度，采用吐丝机吐丝，吐丝温度为800~850℃；

4、吐丝后的热轧线材在斯太尔摩控冷线上冷却，采用加保温罩延迟型冷却，控制冷却速率2~5℃/s，冷却至温度250~450℃集卷，获得热轧线材；

5、将热轧线材用抛丸法去除氧化铁皮，然后进行冷拔，冷拔道次4~6道次，获得冷拔扁钢；

6、将冷拔扁钢进行调质热处理，先加热至880~920℃，保温10~20min完成奥氏体化，然后水淬，再进行回火，回火温度为520~680℃，保温时间25~40min，获得深海用海洋软管铠装层用钢。

上述的热轧线材尺寸为Ф9~14mm。

上述的冷拔扁钢厚度4~6mm，宽度8~12mm。

上述方法中，热轧线材的组织由铁素体、贝氏体及珠光体组成。

本发明的深海用海洋软管铠装层用钢具有优良的耐腐蚀性能，和优良的力学性能；在海洋软管铠装层用钢中其强度高，能满足深海环境集输油气压力要求；本发明的方法具有低成本优势，制备的产品为经济型耐蚀钢，具有抵抗复杂耦合腐蚀环境下的综合耐蚀能力，具有抗硫化氢应力腐蚀、抗氢致开裂腐蚀、抗氢脆腐蚀等多项抗腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明实施例1中的热轧线材微观组织图；

图2为本发明实施例1中的冷拔扁钢调质热处理后的微观组织图。

具体实施方式

本发明实施例中冶炼是通过转炉、精炼、VD炉、喂丝处理、连铸并结合微合金化、纯净钢冶炼和夹杂物变性步骤完成。

本发明实施例中冷拔过程润滑，以减少拔制力。

本发明实施例中观测微观组织采用的设备为LEICA DMIRM光学图像分析金相显微镜。

本发明实施例中热轧线材采用26架平、立交替高速无扭线材轧机，并具有斯太尔摩控冷设备。

本发明实施例中加热采用步进式双蓄热三段式加热炉加热。

本发明实施例中冷拔采用的设备为多机架连续式冷拔机。

本发明实施例中产品力学性能测试采用的标准为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸实验-第1部分室温实验方法》，采用5105-SANS微机控制30t电子万能试验机。

本发明实施例中HIC检测按照标准NACE TM 0248的要求进行，实验溶液为NACE A溶液，5%(wt)NaCl(分析纯)，0.5%(wt)的CH₃COOH(分析纯)，剩余为蒸馏水，腐蚀时间为96h，实验温度25±1℃。

本发明实施例中SCC按照标准NACE TM0177的要求进行，实验溶液为NACE A溶液，5%(wt)NaCl（分析纯），0.5%(wt)的CH₃COOH（分析纯），剩余为蒸馏水，实验温度25±1℃，实验过程维持H₂S微正压；应力腐蚀实验加载应力为90%屈服强度；经过720h之后，观察试样是否发生断裂。

本发明实施例中氢脆实验依据标准为ASTM F519-12a，实验溶液为3%的NaCl，保护电压为-0.85V，加载应力为700MPa*90%屈服强度，每组试样3个，加载150h后观察试样是否发生断裂。

本发明实施例中实验腐蚀设备为高温高压反应釜，腐蚀溶液为3.5%的NaCl，总压为1.2MPa，其中CO₂分压为0.64MPa，余压为N₂，实验温度为75±1℃，实验溶液为蒸馏水与氯化钠分析纯配置的质量分数为3.5%的NaCl水溶液，实验钢设计使用寿命为30年，实验周期为192h。

实施例1

按设定成分冶炼并浇铸，制成连铸坯，其成分按重量百分比含C 0.061%， Si 0.247%，Mn 1.48%，Cr 2.94%，Mo 0.31%，Al 0.02%，Ni 0.11%，S 0.003%，P 0.015，余量为Fe及不可避免杂质；

将连铸坯加热至1220℃，控制加热速率在6min/cm，均热30min，使奥氏体均匀，并控制连铸坯内外温差小于30℃；

连铸坯出炉后在高速线材轧机上完成热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为920℃，压缩比12；热轧后穿水冷却至吐丝温度，采用吐丝机吐丝，吐丝温度为810℃；热轧线材微观组织如图1所示；

吐丝后的热轧线材在斯太尔摩控冷线上冷却，采用加保温罩延迟型冷却，控制冷却速率2℃/s，冷却至温度250℃集卷，获得热轧线材，尺寸为Ф9mm，组织由铁素体、贝氏体及珠光体组成；

将热轧线材用抛丸法去除氧化铁皮，然后进行冷拔，冷拔道次6道次，获得冷拔扁钢，尺寸为4×8mm；

将冷拔扁钢进行调质热处理，先加热至880℃，保温20min完成奥氏体化，然后水淬，再进行回火，回火温度为520℃，保温时间40min，获得深海用海洋软管铠装层用钢，微观组织如图2所示，金相组织为回火马氏体组织，抗拉强度803MPa，屈服强度720MPa，延伸率16.3%；

HIC检测CSR、CLR和 CTR均为0；SCC实验720h未发生断裂；氢脆实验加载150h未发生断裂；耐腐蚀检测腐蚀速率0.024mm/y。

实施例2

按设定成分冶炼并浇铸，制成连铸坯，其成分按重量百分比含C 0.12%， Si 0.35%，Mn 0.84%，Cr 2.16%，Mo 0.72%，Al 0.018%，Ni 0.23%，S 0.002%，P 0.013，余量为Fe及不可避免杂质；

将连铸坯加热至1160℃，控制加热速率在8min/cm，均热40min，使奥氏体均匀，并控制连铸坯内外温差小于30℃；

连铸坯出炉后在高速线材轧机上完成热轧，开轧温度为1120℃，终轧温度为930℃，压缩比10；热轧后穿水冷却至吐丝温度，采用吐丝机吐丝，吐丝温度为830℃；

吐丝后的热轧线材在斯太尔摩控冷线上冷却，采用加保温罩延迟型冷却，控制冷却速率5℃/s，冷却至温度350℃集卷，获得热轧线材，尺寸为Ф12mm，组织由铁素体、贝氏体及珠光体组成；

将热轧线材用抛丸法去除氧化铁皮，然后进行冷拔，冷拔道次5道次，获得冷拔扁钢，尺寸为4×10mm；

将冷拔扁钢进行调质热处理，先加热至900℃，保温15min完成奥氏体化，然后水淬，再进行回火，回火温度为640℃，保温时间30min，获得深海用海洋软管铠装层用钢，金相组织为回火马氏体组织，抗拉强度823MPa，屈服强度756MPa，延伸率15.5%；

HIC检测CSR、CLR和 CTR均为0；SCC实验720h未发生断裂；氢脆实验加载150h未发生断裂；耐腐蚀检测腐蚀速率0.034mm/y。

实施例3

按设定成分冶炼并浇铸，制成连铸坯，其成分按重量百分比含C 0.16%， Si 0.49%，Mn 1.26%，Cr 1.11%，Mo 0.98%，Al 0.028%，Ni 0.28%，S 0.002%，P 0.012，余量为Fe及不可避免杂质；

将连铸坯加热至1150℃，控制加热速率在10min/cm，均热50min，使奥氏体均匀，并控制连铸坯内外温差小于30℃；

连铸坯出炉后在高速线材轧机上完成热轧，开轧温度为1100℃，终轧温度为950℃，压缩比8；热轧后穿水冷却至吐丝温度，采用吐丝机吐丝，吐丝温度为850℃；

吐丝后的热轧线材在斯太尔摩控冷线上冷却，采用加保温罩延迟型冷却，控制冷却速率4℃/s，冷却至温度450℃集卷，获得热轧线材，尺寸为Ф14mm，组织由铁素体、贝氏体及珠光体组成；

将热轧线材用抛丸法去除氧化铁皮，然后进行冷拔，冷拔道次4道次，获得冷拔扁钢，尺寸为6×12mm；

将冷拔扁钢进行调质热处理，先加热至920℃，保温10min完成奥氏体化，然后水淬，再进行回火，回火温度为680℃，保温时间25min，获得深海用海洋软管铠装层用钢，金相组织为回火马氏体组织，抗拉强度833MPa，屈服强度793MPa，延伸率14.1%；

HIC检测CSR、CLR和 CTR均为0；SCC实验720h未发生断裂；氢脆实验加载150h未发生断裂；耐腐蚀检测腐蚀速率0.036mm/y。

Claims (4)

1.一种深海用海洋软管铠装层用钢的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）按设定成分冶炼并浇铸，制成连铸坯，其成分按重量百分比含C 0.06~0.16%， Si 0.10~0.50%，Mn 0.8~1.5%，Cr 1.0~3.0%，Mo 0.3~1.0%，Al 0.01~0.03%，Ni≤0.3%，S≤0.003%，P≤0.015，余量为Fe及不可避免杂质；

（2）将连铸坯加热至1150~1220℃，控制加热速率在6~10min/cm，均热30~50min，使奥氏体均匀，并控制连铸坯内外温差小于30℃；

（3）连铸坯出炉后在高速线材轧机上完成热轧，开轧温度为1100~1150℃，终轧温度为900~950℃，压缩比8~12；热轧后穿水冷却至吐丝温度，采用吐丝机吐丝，吐丝温度为800~850℃；

（4）吐丝后的热轧线材在斯太尔摩控冷线上冷却，采用加保温罩延迟型冷却，控制冷却速率2~5℃/s，冷却至温度250~450℃集卷，获得热轧线材；

（5）将步骤（4）集卷后的热轧线材用抛丸法去除氧化铁皮，然后进行冷拔，冷拔道次4~6道次，获得冷拔扁钢；

（6）将冷拔扁钢进行调质热处理，先加热至880~920℃，保温10~20min完成奥氏体化，然后水淬，再进行回火，回火温度为520~680℃，保温时间25~40min，获得深海用海洋软管铠装层用钢；其抗拉强度800~840MPa，屈服强度720~795MPa，延伸率14.1~16.3%。

2.根据权利要求1所述的深海用海洋软管铠装层用钢的制备方法，其特征在于步骤（4）集卷后的热轧线材尺寸为Ф9~14mm。

3.根据权利要求1所述的深海用海洋软管铠装层用钢的制备方法，其特征在于所述的冷拔扁钢厚度4~6mm，宽度8~12mm。

4.根据权利要求1所述的深海用海洋软管铠装层用钢的制备方法，其特征在于步骤（4）集卷后的热轧线材的组织由铁素体、贝氏体及珠光体组成。