CN109055865B

CN109055865B - 一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN109055865B
Application number: CN201811165262.8A
Authority: CN
Inventors: 任毅; 张帅; 王爽; 刘文月; 高红
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2038-10-08
Also published as: CN109055865A

Abstract

本发明公开一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢及其制造方法。钢中含有C：0.035％～0.060％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.26％～1.44％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.018％、Cu：0.10％～0.20％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cr：0.08％～0.18％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸坯加热过程分为4个阶段，加热总时间0.9～2.0min/mm；粗轧温度区间为1000～1150℃，精轧温度区间为800～880℃；轧后冷却温度780～820℃，终冷温度550～600℃。钢板具有良好的抗HIC和SSCC性能。

Description

一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及低碳微合金钢技术领域，具体涉及海洋钻井隔水管制造用钢板。

背景技术

海洋隔水管是海洋钻井工程中的必要设备，主要应用于钻井、采油、注水和油井维修等多个作业领域。钻井隔水管通常是一个大口径钢管，其主要功能是隔离海水，保护钻杆，为钻井船或钻井平台与海底井口之间钻井液循环提供回路，并为钻具送入海底井口进行导向。由于隔水管在海洋恶劣环境下工作，是一种具有高风险、高难度、高技术、高附加值的石油钻井装备，被喻为深水钻井开发的“咽喉”。目前，海洋隔水管因技术复杂，科技含量高，在我国的价格十分昂贵，从而严重制约了我国海洋石油工业的发展。深海区域的隔水管以高强度为主，多数是屈服强度555MPa以上的级别，目前国内开发的海上油气多数在1000米以内的区域，所用的隔水管面临的更严重的情况不是高强度而是H₂S的腐蚀问题，因为刚采上的油气没有经过净化处理，不可避免地含有硫化氢(H₂S)，而硫化氢(H₂S)是油气田中最具腐蚀作用的有害介质之一，严重影响油气输送系统的使用寿命，其中氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)是酸性腐蚀的主要形式。

ZL 201510650725.X公开了“一种高强度海洋隔水管用钢及生产方法”，提供一种R_t0.5≥555MPa，R_m≥625MPa、-30℃KV2≥200J，-15℃DWTT SA≥85％，-10℃CTOD≥0.50mm的浅海用隔水管用钢及生产方法。该发明中没有提到公开的钢具有抗酸性能。

ZL 201510650867.6公开了“一种深海用高性能隔水管钢及生产方法”，是采用调质的方法生产R_t0.5≥555MPa，Rm≥625MPa用于海深1500米以上深海用高性能隔水管钢及生产方法，该发明中没有提到具有抗酸性能。

CN 106917056A公开了“一种海洋钻井隔水管用高强度热轧中厚板及其制备方法”，采用150、300mm厚连铸坯生产屈服强度R_t0.5≥555MPa，抗拉强度R_m≥625MPa，屈强比≤0.89，高强度隔水管用中厚板，没有提到具有抗酸性能。

CN104451431A公开了“一种高性能隔水管板材及其生产方法”，该发明采用热处理方法生产R_t0.5为500～800MPa，R_m为600～1000MPa、－80℃冲击功大于200J的高强度、低温韧性良好的隔水管板材，但该发明中没有提到具有抗酸性能。

CN106367685A公开了“深水钻探隔水管用X80及以下钢级管线钢及其制备方法”，其力学性能为横向R_t0.5≥555MPa，R_m≥670MPa、也属于高强度隔水管用材，没有提到具有抗酸性能。

ZL201110179840.5公开了“一种低成本高性能海洋隔水管用热轧钢板”，是采用低成本方案生产25.4mm的X80隔水管，也属于高强度隔水管用材，但该发明中没有提到具有抗酸性能。

CN 107142427A公开了“一种螺旋成型X80钢级隔水管主管及其制造方法”，该发明采用高Ni焊丝并螺旋成型X80钢级隔水管主管的制造方法，不是具优异的抗HIC和SSCC性能的钢板的制造方法。

CN 106119685A公开了“一种抗深水压溃海洋钻井隔水管及其制造方法”，是采用JCO工艺生产厚度为21～33.5mm的抗深水压溃的X80高强度隔水管，该发明中涉及钢管的生产方法，并没有涉及钢板的生产方法。

ZL201310478765.1公开了“一种抗疲劳性能优良的隔水管主管及其制造方法”，提供了一种抗疲劳性能的X80高强度、高尺寸精度隔水管主管的制方法，没有涉及具有优异抗HIC和SSCC性能钢板的制造方法。

综上所述，现有技术对具有优异耐蚀性能的隔水管用钢的研究尚有不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢及生产方法，以耐H₂S腐蚀为主要出发点，成分设计以低C、低Mn为基础，利用Cr、Ni、Cu等元素提高耐蚀性，配以高质量连铸、低温加热、轧制大压下、均匀加速冷却的制造工艺提高钢板的抗HIC和SSCC性能和综合性能，满足海洋钻井隔水管制造用钢板的高技术要求。

具体的技术方案是：

一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢板，化学成分按重量百分比计为C：0.035％～0.060％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.26％～1.44％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.018％、Cu：0.10％～0.20％、Ni：0.06％～0.15％、Als：0.015％～0.040％、Cr：0.08％～0.18％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明所述具有优异耐蚀性能的隔水管用钢板碳当量CE_IIW控制在0.30％～0.350％，裂纹敏感指数CE_Pcm控制在0.13％～0.17％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明成分设计理由如下：

C是钢中最基本、最有效的强化元素，能够形成间隙固溶体，还可以与合金元素作用形成碳化物，提高强度，影响钢中微观组织的构成，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料韧性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明将碳含量控制在0.035％～0.060％。

Si有固溶强化作用，提高淬透性，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，易引起冷脆，其适宜范围是0.10％～0.25％。

Mn可以增加奥氏体稳定性；具有固溶强化作用，对提高淬透性也有利，但是，锰含量过高易诱发偏析且不利于抗蚀和焊接，本发明认为将锰含量控制在1.26％～1.44％较为适宜。

Nb有明显的固溶强化作用，以碳氮化物形式析出时能够阻碍晶粒长大，细化晶粒，同时，钉扎位错起到强化作用。但是，铌含量过高会恶化焊接性能，促进焊接裂纹生成；也会使生产成本明显增加，本发明认为将铌含量控制在0.01％～0.04％较为适宜。

Ti可起到析出强化和固氮效果，易形成碳氮化物，且熔点高，Ti/N≥3.42能够保证氮化钛析出，有效减少和控制游离氮元素量；本发明认为将钛含量控制在0.011％～0.018％较为适宜。

Ni含量超过0.05％时可以起到提高强度和改善耐蚀性的作用，防止Cu脆；Ni可以延迟珠光体转变，促进中温转变组织形成，降低厚规格钢板冷速限制；但镍价格较高，因此，本发明将其含量控制在0.06％～0.15％。

Al有效的脱氧元素，铝含量过高会使钢中的夹杂物增加，焊接性能恶化，因此，本发明将酸溶铝的含量控制在0.015％～0.040％。

Cu可以起到固溶强化作用，具有良好的耐蚀作用；但铜含量过高会使韧性恶化，因此，本发明将其含量控制在0.10％～0.20％。

Cr有很强的固溶强化作用，同时，能提高奥氏体稳定性和淬透性，对提高厚规格钢板强度和改善厚度方向组织均匀性发挥良好作用，另外，Cr可以改善钢的耐腐蚀性；但Cr含量过高对焊接性不利、塑性也有恶化趋势，所以，本发明将Cr含量控制在0.08％～0.18％。

P、S、N、H、O：这些元素均为有害杂质，考虑到成本，本发明分别将上述成分控制在P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、N：0.0020％～0.0045％。

本发明的碳当量CE_IIW控制在0.30％～0.350％，裂纹敏感指数CE_Pcm控制在0.13％～0.17％，既可以保证钢板的强韧性，又能使钢板具有适宜的抗HIC、SSCC性能。

一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却；钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于8min，连铸坯浇注过热度18～35℃，拉坯速度0.9～1.3m/min；连铸前的吹氩镇静和对浇注温度的控制能够促进夹杂物去除，改善钢水成分、温度均匀性，减少铸坯质量缺陷；适宜的拉坯速度有利于减少偏析，改善铸坯厚度中心质量。

连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度600～850℃，加热段1加热温度850～1080℃，加热段2加热温度1090～1230℃，均热段加热温度1100～1180℃，预热段加热时间不低于30min，加热段1和2段加热时间0.60～1.0min/mm，均热段加热时间60～90min；连铸坯清理可有效减少表面缺陷，提高钢板表面质量，分段加热过程可有效减少加热缺陷，提高加热效果和温度均匀性，采用该加热工艺可满足坯料内合金元素处于固溶或部分固溶状态，同时，保证坯料温度均匀性，将奥氏体晶粒尺寸控制在有效范围内。

粗轧温度区间为1000～1150℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于60％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到25％～30％且轧制温度不超过1020℃，粗轧阶段利用低温轧制配以大道次变形量使奥氏体再结晶充分细化晶粒，同时又避免出现混晶造成性能损失；中间待温坯厚度2.5t～3.0t(t为成品钢板厚度)，精轧温度区间为800～880℃，精轧阶段促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置。

轧后钢板开始水冷冷却温度780～820℃，终冷温度550～600℃，上下冷却水量比2.3～2.9，加速冷却可分为两阶段，其中，开始加速冷却到650℃温度区间内的冷却速度10～15℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后空冷。钢板最终微观组织为针状铁素体+多边形铁素体，其中，多边形铁素体体积百分比在20％～35％，平均晶粒尺寸不超过10μm，使钢板具有适宜的横纵向强度、良好的抗HIC、SSCC，同时，焊接性和成型性优异，满足制作隔水管的要求。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明以低C、低Mn为基础，充分利用Cr、Cu元素替代贵重的Mo、V等元素，添加少量Nb、Ti等元素，严格控制有害元素含量，配以与之相应的独特的生产工艺，得到针状铁素体+多边形铁素体复合组织，获得了良好的抗酸蚀性能和综合性能优异的隔水管钢板。

(2)本发明碳当量CE_IIW和裂纹敏感指数CE_Pcm适宜，保证材料具有良好的可焊性。

(3)本发明的连铸工艺方案有效改善了铸坯质量，从而提高最终产品抗HIC、SSCC性能。

(4)本发明低温加热、轧制大压下、均匀加速冷却的制造方法有效细化了钢板晶粒，其中，最终成品钢板平均晶粒尺寸≤10μm。

(5)本发明所述具有优异耐蚀性能的隔水管用钢板的厚度控制在14.3～30.8mm，横向屈服强度R_t0.5：455～530MPa，横向抗拉强度R_m：530～600MPa，横向屈强比≤0.85；纵向屈服强度R_t0.5：455～530MPa，纵向抗拉强度R_m：530～600MPa，纵向屈强比≤0.88；具优异的抗HIC和SSCC性能，满足了海洋钻井隔水管制造用钢板的高技术要求。

附图说明

图1为实施例1的钢板显微组织；显微组织为针状铁素体+多边形铁素体；图2为实施1的钢板HIC腐蚀宏观形貌。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明实施例钢的化学成分见表1；相应实施例钢的连铸工艺见表2；相应实施例钢的板坯加热工艺见表3；相应实施例钢的轧制工艺见表4；相应实施例钢的冷却工艺见表5；相应实施例钢板的拉伸性能情况见表6，韧性性能见表7；相应实施例钢板的抗HIC性能见表8；相应实施例钢板的抗SSCC性能见表9。

表1实施例钢板化学成分wt％

表2本发明实施例钢板的连铸工艺

实施例	吹氩镇静时间/min	浇注过热度/℃	拉坯速度/(m·min<sup>-1</sup>)
				1	10	18	0.9
2	11	25	1.0
				3	21	20	0.9
4	16	26	1.1
				5	23	22	1.3
6	8	34	0.9
				7	21	29	1.0

表3本发明实施例钢板的板坯加热工艺

表4本发明实施例钢板的轧制工艺

注：t为成品钢板厚度。

表5本发明实施例钢板的冷却工艺

表6本发明实施例钢板的拉伸性能

注：拉伸试样为φ14mm圆棒试样。

表7本发明实施例钢板的韧性性能

注：DWTT试样为全厚度试样；冲击试样尺寸为10*55*55mm。

表8本发明实施例钢抗HIC性能

表9本发明实施例钢抗SSCC性能

由表1～9可见，采用本发明技术方案生产的耐蚀性能隔水管用钢，具有良好的综合力学性能和抗HIC和SSCC性能，满足了海洋钻井隔水管制造用钢板的高技术要求。

Claims

1.一种具有优异耐蚀性能的隔水管用钢的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.035％～0.060％、Si：0.10％～0.25％、Mn：1.26％～1.33％、Nb：0.01％～0.04％、Ti：0.011％～0.018％、Cu：0.15％～0.20％、Ni：0.06％～0.093％、Als：0.015％～0.040％、Cr：0.08％～0.17％、N：0.0020％～0.0045％、P≤0.009％、S≤0.001％、H≤0.00015％、O≤0.0020％、Ti/N：3.42～6.10，其余为Fe和不可避免的杂质；并且将碳当量CE_IIW控制在0.30％～0.350％，裂纹敏感指数CE_Pcm控制在0.13％～0.17％，其中CE_IIW＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V+Nb+Ti)/5+(Ni+Cu)/15；CE_Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，

钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却，钢水精炼后连铸前吹氩镇静时间不少于8min，连铸坯浇注过热度18～35℃，拉坯速度0.9～1.3m/min；

连铸坯经清理后装炉加热，加热过程分为4个阶段，预热段、加热段1和2、均热段，预热段加热温度600～850℃，加热段1加热温度850～1080℃，加热段2加热温度1090～1230℃，均热段加热温度1100～1180℃，预热段加热时间不低于30min，加热段1和2段加热时间0.60～1.0min/mm，均热段加热时间60～90min；

粗轧温度区间为1000～1150℃，采用横纵轧制方式，粗轧总变形量不小于60％，其中，纵轧最终2道次每道次变形量达到25％～30％且轧制温度为1000～1020℃；中间待温坯厚度2.5t～2.8t，其中t为成品钢板厚度，精轧温度区间为800～880℃；

轧后钢板开始水冷，冷却温度780～820℃，终冷温度550～600℃，上下冷却水量比2.3～2.9，加速冷却可分为两阶段，其中，开始加速冷却到650℃温度区间内的冷却速度10～15℃/s，后续加速冷却速度6～10℃/s，之后空冷。