CN109226293B - 一种石油天然气管用镍基合金复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石油天然气管用镍基合金复合板及其制备方法，所述复合板包括基材‑复材‑复材‑基材，基材包含以下质量分数的成分：C≤0.26％，Mn≤1.45％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cu≤0.50％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.15％，Nb+V+Ti≤0.15％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质；复材包含以下质量分数的成分：C≤0.050％，Si≤0.5％，Mn≤1.00％，S≤0.030％，Cu：1.5‑3.0％，Ni：38.0‑46.0％，Cr：19.5‑23.5％，Mo：2.5‑3.5％，Fe≥22％，Ti：0.6‑1.2％，Al≤0.2％。所述制备方法包括：a、复合坯加工；b、复合坯电子束焊接；c、板坯加热；d、控轧控冷；e、切割分板前矫直；f、切割分板；g、切割分板后矫直。本发明的石油天然气管用镍基合金复合板，基材碳当量低，不预热可直接焊接，便于现场施工。

Description

一种石油天然气管用镍基合金复合板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合板及其制备方法，具体为一种石油天然气管用镍基合金复合板及其制备方法。
背景技术
随着我国地质结构复杂、高温高压、高腐蚀性的特大型海上石油天然气田的开采项目的不断推进，对镍基合金输送管的需求大增，但直接采用Cr、Mo及Ni含量更高的镍基合金制造石油天然气输送管造价太高，这就需要我们采用综合性能优异的金属材料同时还有考虑到降低成本。制造成本降低与使用性能提升这两个对立的矛盾限制了其应用前景，这就迫切需要找到一种新材料来进行替代，兼顾产品性能又能大幅减低制造成本。
一般情况下，不锈钢复合板有爆炸法和轧制法生产。爆炸法由于噪音大，对环境存有污染，且受天气的影响较大，不是一种可持续的复合板制备技术。轧制法是采用高温轧制的方式，利用原子间的扩散使复材和基材实现良好的冶金结合，其生产的复合板，板幅可灵活调整，是一种绿色环保可持续的生产工艺。
目前，现有石油天然气管用镍基合金复合板，一般采用爆炸法生产，其工期长且批量生产能力不足；另外石油天然气管用镍基合金复合板很少见于公开报道，且镍基合金需要离线处理，工序较长，制造成本高。传统组坯工艺主要通过封焊四周，然后钻孔再抽真空的方法进行组坯，因该法需要封焊后再钻孔抽真空，工艺较为繁琐，且主要靠人工操作完成，对轧制成功率有一定影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种便于现场施工、冲击韧性好的石油天然气管用镍基合金复合板，本发明的另一目的是提供一种生产成本低的石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板，复合板依次包括基材-复材-复材-基材，基材包含以下质量分数的成分：
C≤0.26％，Mn≤1.45％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cu≤0.50％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.15％，Nb+V+Ti≤0.15％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质；
复材包含以下质量分数的成分：
C≤0.050％，Si≤0.5％，Mn≤1.00％，S≤0.030％，Cu：1.5～3.0％，Ni：38.0～46.0％，Cr：19.5～23.5％，Mo：2.5～3.5％，Fe≥22％，Ti：0.6～1.2％，Al≤0.2％，余量为少量不可避免的杂质。
优选地，基材包含以下质量分数的成分：C≤0.05％，Mn≤1.30％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cu≤0.25％，Ni≤0.30％，Cr≤0.25％，Mo≤0.05％，Nb+V+Ti≤0.10％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
优选地，复材包含以下质量分数的成分：C≤0.020％，Si≤0.3％，Mn≤0.60％，S≤0.005％，Cu：1.8～2.1％，Ni：39.0～42.0％，Cr：20.5～22.5％，Mo：2.8～3.2％，Fe≥30％，Ti：0.7～0.9％，Al≤0.1％，余量为少量不可避免的杂质。
复合板的厚度为10～60mm。复材的厚度为1.0～6.0mm。
上述复合板的制备方法，包括以下步骤：
a、用盐酸分别对基材和复材表面进行酸洗，再用钢丝刷打磨表面，将表面的氧化层去除干净；
b、对复材和基材需要结合在一起的表面进行磨削和清理，使该表面光滑平整，清除干净表面的吸附物或污染物，在两块复材的相接触的表面均匀涂刷隔离剂，隔离剂为有机硅隔离剂、氧化铝型隔离剂或氧化镁型隔离剂，然后烘干处理，将复材和基材依次堆放形成复合坯，从上至下依次为基材-复材-复材-基材；
c、在真空度为10-2pa以下的环境中对复合坯的缝隙进行焊接，焊接速流≥70mA，上聚焦8～14mA，焊接速度≥400mm/min。
d、将复合坯加热至1100～1180℃，加热时间为40min以上，加热速度为1.0～1.5min/mm；
e、采用的两阶段轧制法处理复合坯，第一阶段开轧温度为1150℃以下，第二阶段开轧温度为930℃以下，压下率≥65％，终轧后以＞10℃/s的冷速速度冷却至500～600℃，随后空冷至200℃以下；
f、下线切割前应先根据热矫直模型设定的参数进行矫直，保证切割分板前的板形平整，更有利于顺利分板，复合板在冷床输入辊道上可采用不同的加、减速制度，以满足上冷床节奏时间的要求；
g、采用火焰切割或等离子设备对复合板进行头尾及两边切割，然后将叠轧上层的复合板进行翻面，清理镍基合金表面的隔离剂，再将单块复合板送至矫直机矫直；
h、复层面朝上，送至矫直机进行单张复合板矫直，以保证最终成品复合板的板形平整；模型设定矫直机进、出口的辊缝及进行弯辊预设定，复合板以穿带速度送至热矫直机，在矫直过程中，为了保持最初设定的辊缝，伺服液压控制缸不断地对辊缝进行调节；矫直时还可人工调节矫直机的弯辊，复合板头部出矫直机后开始加速至设定速度，复合板采用多道次矫直方式进行矫直，最终保证复合板的板形满足标准要求。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：基材碳当量低，不预热可直接焊接，便于现场施工；在真空室环境下直接封焊，减少了传统工艺的钻孔、抽真空等工序，真空度更有保障，确保后续加工及冶金结合；通过控轧工艺，保证复材镍基合金的高耐蚀性能及结构度，同时保证基材管线钢具有良好的冲击韧性，复合板不需要热处理，即可获得优异的综合性能；开发的石油天然气管用镍基合金复合板，有效地减少了镍基合金的使用量，可以作为石油储罐、管道等单纯不锈钢的替代产品，在满足其实用性要求的同时，也极大地降低了企业的制造成本，具有较高的经济效益。
附图说明
图1是本发明的石油天然气管用镍基合金复合板界面组织形貌图。
具体实施方式
表1实施例1～6各基材与复材的成分
Figure BDA0001784720430000031
实施例1
选择厚度为1.0mm的镍基合金复材坯料，基材1坯料厚度10mm，轧制成品厚度为2mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.005Pa时，采用焊接速流70mA、上聚焦8mA、焊接速度400mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1100℃，保温40min。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为800℃，第二阶段开轧温度为700℃，压下率为65％，终轧后采取加速冷却的方式，以11℃/s的冷速速度冷却至500℃，随后复合板矫直、室温下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
实施例2
选择厚度为6.0mm的镍基合金复材坯料，基材坯料厚度60mm，轧制成品厚度为12mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.01Pa时，采用焊接速流140mA、上聚焦14mA、焊接速度800mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1180℃，保温2h。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为1150℃，第二阶段开轧温度为930℃，压下率为85％，终轧后采取加速冷却的方式，以30℃/s的冷速速度冷却至600℃，随后复合板矫直、200℃下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
实施例3
选择厚度为3.5mm的镍基合金复材坯料，基材坯料厚度30mm，轧制成品厚度为6mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.05Pa时，采用焊接速流105mA、上聚焦11mA、焊接速度600mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1140℃，保温1.2h。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为970℃，第二阶段开轧温度为820℃，压下率为75％，终轧后采取加速冷却的方式，以20℃/s的冷速速度冷却至550℃，随后复合板矫直、100℃下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
实施例4
选择厚度为1.6mm的镍基合金复材坯料，基材坯料厚度20mm，轧制成品厚度为4mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.08Pa时，采用焊接速流75mA、上聚焦10mA、焊接速度400mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1110℃，保温2.1h。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为910℃，第二阶段开轧温度为720℃以下，压下率为66％，终轧后采取加速冷却的方式，以13℃/s的冷速速度冷却至510℃，随后复合板矫直、40℃下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
复合板的界面显微组织图如图1所示，由图可知，镍基合金与管线钢之间的界面3没有发现未结合区域，复合板实现良好的冶金结合。
实施例5
选择厚度为1.5mm的镍基合金复材坯料，基材坯料厚度50mm，轧制成品厚度为10mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.09Pa时，采用焊接速流72mA、上聚焦10mA、焊接速度415mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1180℃，保温2.3h。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为1130℃，第二阶段开轧温度为915℃，压下率为77％，终轧后采取加速冷却的方式，以16℃/s的冷速速度冷却至565℃，随后复合板矫直、200℃下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
实施例6
选择厚度为5.6mm的镍基合金复材坯料，基材坯料厚度40mm，轧制成品厚度为8mm的复合板，复材2与基材1的各组分质量配比见表1。
两块基材坯料和两块复材坯料的其中一个表面采用盐酸酸洗+钢丝刷打磨的方式处理，使表面完全露出新鲜金属。对复材2未打磨表面涂刷隔离剂，烘干隔离剂。将两块复材2的非复合面叠合，再将另一块基材1复合面朝下，盖在两块复材2的上面，同时保证上下基材1四侧边平齐，组成一个待封焊的复合坯。将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到0.03Pa以下时，采用焊接速流100mA、上聚焦12mA、焊接速度500mm/min的焊接工艺将复合坯四周密封焊接，得到复合坯。
将复合坯送至步进式加热炉，加热至1170℃，保温50min。采用两阶段轧制方式，第一阶段开轧温度为1100℃，第二阶段开轧温度为890℃，压下率为81％，终轧后采取加速冷却的方式，以26℃/s的冷速速度冷却至520℃，随后复合板矫直、90℃下线、切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，对单层复合板进行矫直，对复材2表面打磨，最终获得复合板产品。产品的结合强度较高，产品性能符合Q/320116NJGT239-2017的要求，耐蚀性达到镍基合金N08825同等水平。
性能测试
(1)耐蚀性能
实验依据：ASTMA262C法
标准要求：5个周期腐蚀率的平均值低于0.72mm/y
实验方法：试验时先将复合板的复材2单独剥离进行试验(即去除基层)，根据ASTMA262C法中规定的实验条件和步骤，将样品表面利用砂纸打磨至80#，直接采用质量分数为65％～68％的分析纯硝酸进行实验，将样品放入溶液中并加热至沸腾状态，之后进行48h/周期×5的浸泡实验，每周期结束后均在清洗完样品表面腐蚀产物下，对实验前后样品的质量进行称重，并更换新鲜溶液进行下一周期实验，以此进行5周期的腐蚀实验。
实验结果分析：由表2可以看出5个周期平均腐蚀率最大只有0.202mm/y，远低于5个周期腐蚀率的平均值低于0.72mm/y的标准要求，说明复材2具有优异的耐蚀性能。
表2实施例1～6各复材的晶间腐蚀实验结果
Figure BDA0001784720430000071
(2)力学性能
试验依据：API SPEC5L
将复合板的复材2剥离，只留下基材1，分别对基材1进行拉伸试验和冲击试验。
a、拉伸试验
实验设备：ZWICK160吨电拉试验机
实验方法：按API SPEC5L标准要求加工试样进行拉伸试验。
实验结果分析：由表3可以看出，实施例1～6所制得的样品的屈服强度在415～565MPa之间，满足标准415～565MPa的要求；抗拉强度在582～675MPa之间，满足520～760MPa的标准要求；屈强比最高0.88，满足不高于0.90的标准要求；延伸率A50最低24.9，满足延伸率不低于24％的标准要求。拉伸试验结果满足标准要求。
b、冲击试验
实验设备：ZBC750CD摆锤冲击试验机
实验方法：按按API SPEC5L标准要求加工试样进行夏比冲击试验，试验温度为-30℃，试样尺寸为10×10×55mm。
实验结果分析：由表3可以看出，实施例1～6所制得的样品的单个试样冲击功都在300J以上，远大于冲击功单个试样最小值90J的要求，各实施例的试样平均值都在310J以上，远大于冲击功120J的标准要求，说明基材管线钢具有良好的冲击韧性。
表3实施例1～6各基材的力学性能
Figure BDA0001784720430000081

Claims (7)

1.一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用盐酸分别对基材和复材表面进行酸洗，再用钢丝刷打磨表面；
(2)对复材和基材需要结合在一起的表面进行磨削和清理，在两块复材的相接触的表面均匀涂刷隔离剂，然后烘干处理，将复材和基材依次堆放形成复合坯，从上至下依次为基材-复材-复材-基材；
(3)在真空度为0.09Pa以下的环境中对复合坯的缝隙进行焊接，焊接速流≥70mA，上聚焦8～14mA，焊接速度≥400mm/min；
(4)将复合坯加热至1100～1180℃，加热时间为40min以上，加热速度为1.0～1.5min/mm；
(5)采用的两阶段轧制法处理复合坯，第一阶段开轧温度为1150℃以下，第二阶段开轧温度为930℃以下，压下率≥65％，终轧后以>10℃/s的冷速速度冷却至500～600℃，随后空冷至200℃以下；
(6)下线切割前应先根据热矫直模型设定的参数进行矫直；
(7)对复合板进行头尾及两边切割，然后将叠轧上层的复合板进行翻面，清理镍基合金表面的隔离剂，再将单块复合板矫直；
(8)复层面朝上，进行单张复合板矫直；
所述基材包含以下质量分数的成分：
C≤0.26％，Mn≤1.45％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cu≤0.50％，Ni≤0.50％，Cr≤0.50％，Mo≤0.15％，Nb+V+Ti≤0.15％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质；
所述复材包含以下质量分数的成分：
C≤0.050％，Si≤0.5％，Mn≤1.00％，S≤0.030％，Cu：1.5～3.0％，Ni:38.0～46.0％，Cr：19.5～23.5％，Mo：2.5～3.5％，Fe≥22％，Ti：0.6～1.2％，Al:0.02～0.08％，余量为少量不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于，所述基材包含以下质量分数的成分：C≤0.05％，Mn≤1.30％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cu≤0.25％，Ni≤0.30％，Cr≤0.25％，Mo≤0.05％，Nb+V+Ti≤0.10％，B≤0.001％，余量为Fe及少量不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于，所述复材包含以下质量分数的成分：C≤0.020％，Si≤0.3％，Mn≤0.60％，S≤0.005％，Cu：1.8～2.1％，Ni:39.0～42.0％，Cr：20.5～22.5％，Mo：2.8～3.2％，Fe≥30％，Ti：0.7～0.9％，Al:0.02～0.08％，余量为少量不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于：所述复合板的厚度为10～60mm。
5.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于：所述复材的厚度为1.0～6.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于：所述隔离剂为有机硅隔离剂、氧化铝型隔离剂或氧化镁型隔离剂。
7.根据权利要求1所述的一种石油天然气管用镍基合金复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，采用火焰切割或等离子设备进行切割。
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