CN105132822B - 一种耐co2腐蚀性能优异的管线钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢,其化学成分及wt%为:C:0.035~0.060%、Si:0.10~0.30%、Mn:1.00~1.50%、P:≤0.012%、S≤0.0020%、Cr:3.0~4.5%、Cu:0~0.10%、Ni:0~0.10%、Mo:0~0.10%、Nb:0.015~0.040%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%;生产步骤:连铸成坯后加热;粗轧;精轧;冷却;卷取;冷却至室温。本发明解决了现有技术抗CO2腐蚀性能、生产成本过高等不足,且钢板的Rt0.5≥450MPa,Rm≥535MPa,‑20℃ KV2≥120J,‑15℃ DWTT SA≥85%);在温度80℃、CO2分压2MPa及流速为1.0m/s条件下,腐蚀速率≤5mm/a,较常规X65管线钢的腐蚀速率下降80%。
Description
技术领域
本发明涉及一种管线用钢及生产方法,具体地属于一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢及生产方法。
背景技术
随着陆地常规油气资源的逐步枯竭,新的资源开采向海洋、酸性地质条件等腐蚀情况严重的地区延伸。目前,采用常规管用钢作为原材料的油气输送管道在新疆塔里木、大庆油田和部分酸性环境、海底油气田中均发现严重的腐蚀情况,使用寿命远达不到设计要求。
当CO2分压达到2MPa甚至更高的油气输送管道,其原材料不仅要承受较高的内部输送压力、周围环境和输送介质的温度变化,还需要抵抗CO2的全面腐蚀和局部点状腐蚀。因此需要所采用的管线钢原材料具有高强度、良好的低温韧性和优异的抗CO2腐蚀性能。
经检索,在本发明专利之前:
中国专利申请号为CN201310286950.0的文献,公开了“一种抗二氧化碳及硫化氢腐蚀管线钢及其生产方法”。其采用低C、低Mn、高Cr、高Nb,加Cu、Ni、V、Ti等合金元素的成分设计,结合TMCP工艺生产抗二氧化碳和硫化氢腐蚀管线钢的制造方法,该方法由于C、Mn等经济型强化合金元素含量很低,为保证达到一定的强度要求,除Cr含量很高外,还添加了较高含量的Cu、Ni、Nb、V等贵重合金元素,导致合金成本很高,且由于加入合金含量大,使冶炼工序控制困难。
中国专利申请号为CN201310217916.8的文献,公开了一种“地面集输用耐CO2腐蚀管线钢及其制备方法”,其采用低C、较高Mn,高Cr(1.0~3.0%),适量添加Cu、Ni、Mo、Nb、V、Ti等合金元素的成分设计,结合TMCP工艺生产耐二氧化碳腐蚀管线钢的制造方法,该文献由于添加了较高含量的Cu、Ni、Mo等重合金元素,合金成本高,且Cr含量不足3.0%,当CO2分压达到2MPa以上时,抗CO2腐蚀性能不能满足工程使用要求。
中国专利申请号为CN201410240436.8的文献,公开了 “一种复合抗酸管线钢基料用热轧平板及生产方法”,其采用低C、较低Mn,适量添加Cu、Cr、Ni、Nb、V等合金元素的成分设计,结合中厚板控轧控冷工艺生产抗酸管线钢热轧平板的制造方法。该文献较低含量的Cu、Cr、Ni等合金设计,虽抗硫化氢腐蚀能力可以满足要求,但不具有抗CO2腐蚀的能力,不适于CO2腐蚀环境使用的高强度管线钢的生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有隔水管用钢技术存在的抗CO2能力不足、制造成本高、生产工序控制困难等不足,而提供一种Rt0.5≥450MPa,Rm≥535MPa、Rt0.5/Rm≤0.85,A50mm≥20%、-20℃ KV2≥120J,-15℃ DWTT SA≥85%,在温度80℃,CO2分压达到2MPa,流速为1.0m/s的试验条件下,腐蚀速率≤5mm/a,较常规X65管线钢的腐蚀速率下降80%的耐CO2腐蚀性能优异的管线钢及生产方法。
实现上述目的的措施:
一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢,其化学成分及重量百分比为:C:0.035~0.060%、Si:0.10~0.30%、Mn:1.00~1.50%、P:≤0.012%、S≤0.0020%、Cr:3.0~4.5%、Cu:0~0.10%、Ni:0~0.10%、Mo:0~0.10%、Nb:0.015~0.040%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%,其余为Fe和不可避免的杂质;力学性能:Rt0.5≥450MPa,Rm≥535MPa、Rt0.5/Rm≤0.85,A50mm≥20%、-20℃ KV2≥120J,-15℃ DWTT SA≥85%,在温度80℃,CO2分压达到2MPa,流速为1.0m/s的条件下,腐蚀速率≤5mm/a,较常规X65管线钢的腐蚀速率下降80%;金相组织为细小多边形铁素体+少量贝氏体组织。
一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢的生产方法,其步骤:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1170~1260℃;
2)进行粗轧,控制粗轧温度在1020~1200℃,单道次压下率不低于10%,累积压下率不低于70%;
3)进行精轧,控制精轧温度在830~990℃,精轧累积压下率不低于70%;
4)进行冷却,控制冷却速率在35~60℃/s,终冷温度610~710℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在550~650℃;
6)自然冷却至室温,待用。
本发明中各元素的作用机理如下:
碳(C)含量为0.035~0.060%,碳是最经济的强化元素,加入一定量的碳,可以显著提高钢的强度,且可以简化冶炼工序。对高钢级管线钢,为保证优异的断裂韧性和焊接性能,防止碳的中心偏析,将碳含量控制在0.060%以下。
硅(Si)含量为0.10~0.30%,硅在钢中主要起固溶强化作用,但对高钢级管线钢,为保证焊接热影响区的低温韧性,应严格控制钢中的硅含量,降低钢中硅酸盐夹杂含量,避免M-A组元的过量形成。
锰(Mn)含量为1.00~1.50%,加入较高的经济合金化元素锰,可以显著提高钢的强度,此外,锰还可以在一定程度上细化晶粒,改善钢的冲击韧性,但是对高强度管线钢,过量的锰易形成中心偏聚,导致钢的成分、组织和性能不均。
铌(Nb)含量为0.015~0.040%,铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度,扩大未再结晶区范围,便于实现高温控轧,降低轧机负荷,同时铌还可以抑制奥氏体晶粒长大,具有显著的细晶强化和析出强化作用。但是Nb属于贵重合金,提高Nb含量会显著增加合金成本,且在高强度管线钢中,添加过量的铌会促进M-A岛的生成,降低焊接热影响区的韧性,因此,将铌的含量限定为0.015~0.040%。
钛(Ti)含量为0.010~0.025%,钛与铌在钢中的作用类似,有较强的细晶强化和析出强化作用,微量的钛还可以在高温下与碳、氧结合,形成高温难熔的析出物,有利于抑制焊接热影响区的奥氏体晶粒长大,显著改善焊接热影响区的韧性。
钼(Mo)含量为0~0.10%,钼显著推迟γ→α转变,抑制铁素体和珠光体形核,促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成,使得钢在轧后一个较宽的冷速范围内得到针状铁素体组织,但钼属于贵重金属,加入量增加会显著提高钢的制造成本。
镍(Ni)含量为0~0.10%,镍能够有效提高钢的淬透性,具有一定的固溶强化作用,还能显著改善钢的低温韧性。但镍与钼类似,属于贵重金属,易导致钢的制造成本大幅提高。
铜(Cu)的含量为0~0.10%,铜的添加有利于提高钢的强度、淬透性和高温稳定性,并能改善耐候、耐腐蚀性能。但铜为低熔点金属,易引起热脆,添加过量对钢的低温韧性不利,且Cu为贵重金属,加入量增加会显著提高钢的制造成本。
铬(Cr)的含量为3.0~4.5%。铬是提高钢的淬透性元素,具有一定的固溶强化作用。当铬含量达到3.0%以上时,钢的耐CO2腐蚀性能显著提高,此外,加入一定的铬还能改善钢的耐候、耐酸腐蚀性能。但加入过高的Cr易导致钢的淬透性过高,产生难以消除的淬硬组织,使钢的强度过高而韧性不足,且会导致冶炼工序生产效率大幅度降低。
铝(Al)的含量为0.010~0.050%,铝是钢中主要的脱氧元素,能够显著降低钢中的氧含量,同时铝与氮的结合形成AlN,能够有效地细化晶粒。但是钢中铝含量超过0.050%时,易导致铝的氧化物夹杂明显增加,降低钢的洁净度,对钢的低温韧性不利。
磷(P)、硫(S)、氮(N)含量分别为:[%P]≤0.012,[%S]≤0.0020,[%N]≤0.0080。磷易导致钢的冷脆,硫易引起热脆,而氮易引起钢的淬火失效和形变失效,导致钢的性能不稳定,因此对深海用厚规格隔水管用钢,应严格控制钢中的磷、硫、氮的含量。
本发明将钢坯加热至1170~1260℃,在于保证微合金化元素的充分固溶,同时防止奥氏体晶粒过分长大。
将粗轧温度控制在1020~1200℃,单道次压下率不低于10%,累积压下率不低于70%,其目的使通过动、静态再结晶使奥氏体晶粒充分细化,同时抑制奥氏体晶粒长大。
将精轧温度控制在830~990℃,精轧累积压下率不低于70%,在于防止部分再结晶,导致的晶粒大小不均,同时使奥氏体晶粒充分压扁,形成足够多的变形带以利于形核,细化相变后组织。
之所以将冷却速率35~60℃/s,终冷温度在610~710℃,其在于以以细化相变组织。
本发明与现有技术相比,由于采用合理的成分设计和优化的TMCP生产工艺,可以显著提高管线钢的强韧性匹配和抗CO2腐蚀性能,解决常规管线钢抗CO2腐蚀性能不足和此前耐CO2腐蚀管线钢生产成本过高、生产效率低等问题。试验和生产检验结果表明,通过组分及含量和生产工艺的控制,能够沿板厚方向获得理想的细晶多边形铁素体+少量贝氏体的复合组织,可以实现高强度、优异的强、塑、韧和抗CO2腐蚀性能的良好匹配,钢板的屈服强度(Rt0.5)≥450MPa,抗拉强度(Rm)≥535MPa,-20℃ KV2≥120J,-15℃ DWTT SA≥85%)。在温度80℃,CO2分压达到2MPa,流速为1.0m/s的试验条件下,腐蚀速率≤5mm/a,较常规X65管线钢的腐蚀速率下降80%。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述:
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表;
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表;
表3为本发明各实施例及对比例性能监测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1170~1260℃;
2)进行粗轧,控制粗轧温度在1020~1200℃,单道次压下率不低于10%,累积压下率不低于70%;
3)进行精轧,控制精轧温度在830~990℃,精轧累积压下率不低于70%;
4)进行冷却,控制冷却速率在35~60℃/s,终冷温度610~710℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在550~650℃;
6)自然冷却至室温,待用。
表1 本发明各实施例及对比例的化学组分及重量百分含量
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数
表3 本发明各实施例及对比例的力学及耐候性能检测结果
通过表3数据可以看出:本发明通过成分和工艺的组合控制,可以实现高等级耐CO2腐蚀管线钢高强度、高塑性、优异低温韧性和抗CO2腐蚀性能的良好匹配,而对比例由于成分、控轧控冷工艺的差异,强度、低温韧性或抗CO2腐蚀性能难以达到技术要求。
上述实施例仅为最佳例举,而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (1)
1.一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢,其化学成分及重量百分比为:C:0.051~0.060%、Si:0.10~0.17%、Mn:1.00~1.50%、P:≤0.012%、S≤0.0020%、Cr:3.0~3.8%、Cu:0~0.10%、Ni:0~0.10%、Mo:0~0.10%、Nb:0.015~0.040%、Ti:0.010~0.025%、Al:0.010~0.050%、N:≤0.008%,其余为Fe和不可避免的杂质;力学性能:Rt0.5≥450MPa,Rm≥535MPa、Rt0.5/Rm≤0.85,A50mm≥20%、-20℃ KV2≥120J,-15℃ DWTT SA≥85%,在温度80℃,CO2分压达到2MPa,流速为1.0m/s的条件下,腐蚀速率≤5mm/a,较常规X65管线钢的腐蚀速率下降80%;金相组织为细小多边形铁素体+少量贝氏体组织;
生产方法:
1)常规冶炼并连铸成坯后,对铸坯加热,加热温度为1258~1260℃;
2)进行粗轧,控制粗轧温度在1020~1200℃,单道次压下率不低于10%,累积压下率不低于70%;
3)进行精轧,控制精轧温度在955~990℃,精轧累积压下率不低于73%;
4)进行冷却,控制冷却速率在35~60℃/s,终冷温度610~710℃;
5)进行卷取,控制卷取温度在550~650℃;
6)自然冷却至室温,待用。
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