CN107502823B - 高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢及其制造方法 - Google Patents

高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢，其特征在于：该输送管线钢的化学成份按质量百分数Wt％计为：C为0.040～0.070％、Si为0.35～0.40％、Mn为1.65～1.75％、P≤0.010％，S≤0.0020％、Cr为1.5～2.5％、Nb为0.065～0.075％、Ti为0.01～0.05％，B≤0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明的管线钢具有优良强韧性和优异耐CO2腐蚀特性，适用于高CO2分压条件下的石油天然气长输焊管的制造。

Description

高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢及其制造方法。
背景技术
随着易开采石油、天然气资源的枯竭，采用CO2回注油气井以提高采出率的EOR技术得以广泛应用，相应地开采的油气资源中 CO2的含量大大增加。同时，长距离大输量的设计需求使得在建及规划管道的输送压力由不足10MPa升高至14MPa以上，这也导致输送介质中CO2的分压不断升高。
CO2腐蚀问题已经成为集输与长输管道腐蚀的主要形式，CO2腐蚀引起油气管道失效事故频繁发生。这不仅严重威严安全运营，造成巨大的经济损失，泄露的原油还会对环境造成严重污染。
干燥的CO2对钢铁没有腐蚀，但是CO2溶入水后对钢铁具有极强的腐蚀性。在相同的pH值下，CO2的总酸度比盐酸高，其对钢铁的腐蚀比盐酸还严重。在油气采集和运输过程中，传统的碳钢管材不能抵抗腐蚀，而利用不锈钢代替普通碳钢成本过高。因此，在维持管线钢优异强韧性匹配特性的前提下，如何有效改善其在高CO2分压环境中的耐腐蚀性能已经成为材料开发热点。
在本发明之前，专利CN 103820714 B、CN 104451394 B、CN 102851607 A、CN106119727 A、CN 101413089 B、CN 100439551C 等涉及的耐CO2腐蚀管材均采用正火、调质等热处理方式生产，生产工艺复杂且成本较高；专利CN 1100159C涉及的耐CO2腐蚀管材含有稀土元素，已不适合当前的管材设计与市场需求，且消耗国家战备资源，不具备成本优势；专利CN 105132822 A、CN 103320705 B、CN 106498279A等涉及的耐CO2腐蚀管材采用Cr+Mo+V或 Cr+Mo+Cu+Ni的成分，复杂体系增加生产难度和稳定性，Mo、Cu、 Ni等贵金属的添加导致成本过高；专利CN 102199729 A涉及的耐 CO2腐蚀管材为无缝钢管类型油套管，不适用于焊接钢管的制造，韧塑性指标不满足输送管线钢要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提出一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢及其制造方法，该钢具有优良的韧性和优异的耐CO2腐蚀特性。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种高CO2分压环境服役 415MPa级输送管线钢，其特征在于：该输送管线钢的化学成份按质量百分数Wt％计为：C为0.040～0.070％、Si为0.35～0.40％、Mn为 1.65～1.75％、P≤0.010％，S≤0.0020％、Cr为1.5～2.5％、Nb为0.065～0.075％、Ti为0.01～0.05％，B≤0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
一种上述高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：输送管线钢的制造依次包括板坯加热、粗轧、精装、冷却和卷取；
其中，板坯加热温度为1120～1140℃，精轧终轧温度为 840～860℃；
所述冷却分为两个阶段，第一阶段冷却速度为65～75℃/s，第一阶段冷却终止温度为550～570℃；
第二阶段冷却速度为50～60℃/s，第二阶段冷却终止温度为 500～520℃。
本发明的有益效果：
本发明采用合理的成分设计和制造技术，成功开发出一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢。本发明涉及的管线钢力学性能为：屈服强度Rt0.5 425～475MPa，抗拉强度Rm 550～600MPa，-20℃冲击功KV2≥160J(全尺寸规格)，-20℃DWTT断面剪切率SA≥90％。在温度80～120℃、CO2分压≥2MPa、流速为1.0～2.0m/s的条件下，本发明钢的腐蚀速率≤0.3mm/a。
本发明的管线钢具有优良强韧性和优异耐CO2腐蚀特性，适用于高CO2分压条件下的石油天然气长输焊管的制造。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
对于含CO2油气资源输送环境，CO2溶于输送介质中残留的水分中，形成含有与的低pH值酸性溶液。管道用钢表面与酸性溶液相接触化学反应，使材料表面受到化学腐蚀。管道用钢通常为多相组织，不同部位因化学成分和微观结构不同具有不同的电位。钢表面一旦与酸性溶液相接触，处于酸性溶液环境中的不同电位的组织之间形成原电池，进而发生电化学腐蚀。通常而言，电化学腐蚀较化学腐蚀更强烈。
CO2腐蚀过程中低电位部位作为阳极(F、BF等)被不断地腐蚀并消失，而作为阴极(Fe3C、M/A等)的高电位部位则残留在钢基体上。溶液中的腐蚀产物在阴极附近非均匀形核并长大，最终覆盖钢基体表面形成大范围的腐蚀产物膜。
腐蚀产物膜附着在钢基体表面，其内部的应力与钢基体表面的腐蚀坑形态紧密相关。分布均匀且深度较浅的腐蚀坑有利于基体表面腐蚀产物膜的完整，可以物理隔绝酸性溶液与钢基体的接触，抑制腐蚀行为的进一步发生。空间上与阳极间隔合理的阴极部分将为腐蚀产物膜提供良好的形核和支撑作用，为获得完整的腐蚀产物膜提供有利条件。
同时，通过初期一定程度的腐蚀，钢基体中的Cr元素可以在与基体相接触的腐蚀产物膜内产生富集，进而通过阴离子选择机理阻碍与的通过，起到抑制CO2腐蚀的作用。
基于以上，在保证管线钢常规高强韧性指标的前提下，本发明通过促使钢表面附近的晶粒度充分细化、获得阴极片层化且与阳极紧密相间的微观组织、促进阴离子选择性腐蚀产物膜的形成等多种手段，获得具有优良强韧性和优异耐CO2腐蚀特性的输送管道用钢。
本发明的一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢(用于CO2分压≥2MPa环境中服役、耐CO2腐蚀性能优异的415MPa级输送管线钢板)，该输送管线钢的化学成份按质量百分数Wt％计为： C为0.040～0.070％、Si为0.35～0.40％、Mn为1.65～1.75％、P≤0.010％，S≤0.0020％、Cr为1.5～2.5％、Nb为0.065～0.075％、Ti为0.01～0.05％， B≤0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述技术方案中，碳C为最基本、最经济的强化元素，通过固溶强化和析出强化有效地提高钢的强度。C含量过低时对钢的强度作用不明显，含量太高时则会降低钢的塑性、韧性和可焊接性。本发明中C的含量控制为0.040～0.070％(质量百分数，以下各元素相同)。
硅Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过低时强化效果不明显，含量过高时又对钢的韧性不利。本发明中Si的含量控制为0.35～0.40％。
锰Mn是钢中重要的固溶强化元素，利于提高钢的强度和低温韧性。但其含量过高时，会导致其钢中偏析严重，导致检验过程中出现严重的分层现象。本发明中Mn的含量控制为1.65～1.75％。
铬Cr的添加可以改善钢的耐候、耐酸腐蚀性能，同时能有效地提高钢的淬透性和强度。Cr含量过高易引起强度过高而韧性不足的问题。本发明中Cr含量控制在1.5～2.5％。
铌Nb具有强烈的晶粒细化作用和中等的析出强化作用，能够延迟奥氏体再结晶，导致奥氏体晶粒和相变产物的细化并提高钢的强韧性。本发明中Nb含量控制为0.065～0.075％。
钛Ti在冶炼过程中形成TiN，避免游离N原子减弱钢的韧性。同时，TiN颗粒可以阻碍奥氏体晶粒在加热过程中的粗化，从而细化钢的相变产物。本发明中Ti含量控制为0.01～0.05％。
磷P促进带状组织的产生，降低钢的低温韧性，同时引起焊接性能恶化。硫S容易与Mn形成长条状MnS夹杂，严重影响钢的韧性。因此，本发明应尽量减少P、S的含量以减少其对钢的不利影响， P的含量控制为P≤0.010％，S的含量控制为S≤0.0020％。
考虑到用户对管线钢化学成分的普遍要求，要求B≤0.0005％。
上述技术方案中，所述输送管线钢的基体组织类型为铁素体加珠光体。
上述技术方案中，所述输送管线钢中距钢带表层≤3mm范围内晶粒度为11级以上，且该范围内珠光体中Fe3C间距≤0.05μm。
本发明采用高Mn成分体系，扩大奥氏体稳定区域，为在较低温度进行相变并获得细化组织提供条件，提高材料的韧性。同时添加适量的Cr元素提高钢的淬透性，确保管线钢板厚心部区域的组织转变，获得合适的强度性能。
一种上述高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：输送管线钢的制造依次包括板坯加热、粗轧、精装、冷却和卷取；
其中，板坯加热温度为1120～1140℃，精轧终轧温度为 840～860℃；
所述冷却分为两个阶段，第一阶段冷却速度为65～75℃/s，第一阶段冷却终止温度为550～570℃；
第二阶段冷却速度为50～60℃/s，第二阶段冷却终止温度为 500～520℃。
上述技术方案中，所述精轧过程供七个道次，精轧过程中精轧前两道次单道次压下率为15～20％。
本发明在TMCP(Thermo Mechanical Control Process，热机械控制工艺)和高Nb技术的基础上，优化精轧阶段压下工艺，实现再结晶过程晶粒充分细化和未再结晶内部位错密度的高度积累，促进奥氏体中固溶的Nb元素以NbC的形式在位错与晶界处弥散析出，为获得细小相变产物提供有利条件，改善材料的强韧性匹配。
本发明采用超快冷分段精确冷却控制，实现第一阶段管线钢表面附近组织在高冷速条件下的组织转变和晶粒细化，进而在第二阶段降低冷速并控制终冷温度，保证管线钢内部组织的精确转变。
本发明各实施例的具体情况见表1～3：
表1 本发明各实施例与对比钢化学成分(wt％)
表2 本发明实施例与对比例的主要工艺过程
表3 本发明各实施例与对比例力学及腐蚀性能
从表3数据可知，本发明实施例的力学性能和耐CO2腐蚀性能均优于对比例。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，该输送管线钢的化学成份按质量百分数wt ％计为：C为0.040～0.070％、Si为0.35～0.40％、Mn为1.65～1.75％、P≤0.010％，S≤0.0020％、Cr为1.5～2.5％、Nb为0.065～0.075％、Ti为0.01～0.05％，B≤0.0005％，其余为Fe及不可避免的杂质；
该高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：输送管线钢的制造依次包括板坯加热、粗轧、精装、冷却和卷取；
其中，板坯加热温度为1120～1140℃，精轧终轧温度为840～860℃；
所述冷却分为两个阶段，第一阶段冷却速度为65～75℃/s，第一阶段冷却终止温度为550～570℃；
第二阶段冷却速度为50～60℃/s，第二阶段冷却终止温度为500～520℃。
2.根据权利要求1所述的高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：所述输送管线钢的基体组织类型为铁素体加珠光体。
3.根据权利要求1所述的高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：所述输送管线钢中距钢带表层≤3mm范围内晶粒度为11级以上，且该范围内珠光体中Fe3C间距≤0.05μm。
4.根据权利要求1所述的高CO2分压环境服役415MPa级输送管线钢的制造方法，其特征在于：所述精轧过程共 七个道次，精轧过程中精轧前两道次单道次压下率为15～20％。
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