CN105132822B - 一种耐co2腐蚀性能优异的管线钢及生产方法 - Google Patents

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R_t0.5≥450MPa，R_m≥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

一种耐CO2腐蚀性能优异的管线钢及生产方法

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R_t0.5≥450MPa，R_m≥535MPa、R_t0.5/R_m≤0.85，A_50mm≥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：R_t0.5≥450MPa，R_m≥535MPa、R_t0.5/R_m≤0.85，A_50mm≥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（R_t0.5）≥450MPa，抗拉强度（R_m）≥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：R_t0.5≥450MPa，R_m≥535MPa、R_t0.5/R_m≤0.85，A_50mm≥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。