CN109234638B - 一种高锰管线钢及其制备方法 - Google Patents

一种高锰管线钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种高锰管线钢及其制备方法，高锰管线钢成分按重量百分比为C 0.4～0.7％，Mn 13～17％，Mo 0.5～0.8％，Cr 0.9～1.1％，Si 0.2～0.4％，P≤0.010％，S≤0.003％，Al 0.02～0.03％，Nb 0.02～0.03％，V 0.03～0.06％，余量为Fe及不可避免杂质。制法步骤为：按高锰管线钢成分配比冶炼、浇铸成坯，将铸坯加热至1200～1250℃，保温1～2h，使合金元素完全固溶，组织充分奥氏体化；对保温后铸坯进行轧制，并控制开轧终轧温度与压下量，轧制完成后冷却至室温，获得高锰奥氏体管线钢。该方法工艺简单，制备的高锰管线钢具有极低的屈强比、较高的抗拉强度、均匀伸长率和优良的耐腐蚀性能，适合作为极端环境下的油气输送管线材料。

Description

一种高锰管线钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料轧制技术领域，具体涉及一种高性能高锰管线钢及其制造工艺，具体是指高强度、低屈强比、高均匀伸长率、生产工艺适用性强的耐腐蚀高锰管线钢及其制造工艺。
背景技术：
近年来，油气输送管道向着极地、海洋和地质非稳定区域延伸，输送管道面临冻土、洋流、地震带、泥石流、滑坡和大落差地段等存在大位移环境的威胁。
极地油气田、边远油气田、海上油气田和酸性油气田等恶劣环境油气田的开发，使提高长距离管道输送能力的经济性要求和应对恶劣环境的安全性要求成为当代管道工程面临的两大主要问题。
油气集输管线和油井管的失效形式主要表现为腐蚀失效，其中最主要的腐蚀介质是H2S。中国大部分油田进入高含水开发期，对管材的腐蚀相当严重。统计调查表明，由于应力腐蚀和氢脆的突发性，危害性最大，常造成灾难性事故。因此开发具有优良的耐腐蚀性能的钢管用钢十分必要。
目前，高强度管线钢为典型的针状铁素体或贝氏体，屈强比较高，抗变形能力相对较弱。通过降低屈强比提高抗变形能力，而屈强比受显微组织软硬相比例影响较大。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种低成本的高锰管线钢及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高锰管线钢，其成分按重量百分比为C 0.4～0.7％，Mn 13～17％，Mo 0.5～0.8％，Cr 0.9～1.1％，Si 0.2～0.4％，P≤0.010％，S≤0.003％，Al 0.02～0.03％，Nb0.02～0.03％，V 0.03～0.06％，余量为Fe及不可避免杂质。
所述的高锰管线钢屈服强度580～630MPa，抗拉强度1050～1190MPa，屈强比0.5～0.6，高均匀伸长率、耐腐蚀，断后伸长率为40～50％，-40℃冲击功80～100J。
所述的高锰管线钢厚度为12～20mm。
本发明的高锰管线钢的组织为单相奥氏体组织。
一种高锰管线钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按高锰管线钢成分配比冶炼、浇铸成坯，将铸坯加热至1200～1250℃，保温1～2h，使合金元素完全固溶，组织充分奥氏体化；
(2)对保温后铸坯进行轧制，开轧温度为1150～1200℃，终轧温度为830～930℃，总压下量控制在85～90％，轧制完成后冷却至室温，制得高锰管线钢。
所述的步骤(2)中，轧制过程模拟轧管工艺进行。
所述的步骤(2)中，制备的高锰管线钢在显微镜下观察的组织为单相奥氏体组织，其中存在大量的位错，ε-马氏体和孪晶等。
所述的步骤(2)中，冷却方式为空冷。
所述的步骤(2)中，对所述制备的高锰管线钢取试样进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，其中：
抗H2S氢致开裂腐蚀试验参照标准NACE standard TM 0284进行，实验溶液采用标准A溶液(5％NaCl+0.5％CH3COOH+94.5％H2O)，通入H2S气体至溶液饱和，实验时间为96小时，取出试样，依据标准计算裂纹敏感率(CSR)、裂纹厚度率(CTR)、裂纹长度率(CLR)；
抗H2S应力腐蚀试验参照NACE TM 0177进行，试验采用NACE标准中的方法A，试验溶与氢致开裂相同，实验温度24±1℃，施加载荷为设计等级屈服强度的85％，试样断裂后取出，或维持720小时后取出，在显微镜下放大10倍观察拉伸段是否有氢致裂纹。
经试验，所述的步骤(2)中，制备的高锰管线钢在抗H2S氢致开裂腐蚀试验后，表面没有发现氢鼓泡，将试样依据标准进行切割、抛光后用金相显微镜放大100倍观察，没有发现HIC裂纹，试样的裂纹敏感率CSR≤0.36％、裂纹长度率CLR≤1.34％、裂纹厚度率CTR≤0.7％，均满足标准的要求。
所述的步骤(2)中，制备的高锰管线钢在抗H2S应力腐蚀试验经过720小时实验结束后，3根试样均未断裂，取出试样清洗后，用显微镜放大10倍观察，工作段未发现氢致裂纹。
本发明的高锰管线钢具有无屈服平台、低屈强比、高应变强化指数、高均匀塑性变形和耐腐蚀性能好等特征，适合作为在极端条件下服役的管线钢。
本发明的有益效果：
(1)本发明的高锰管线钢的制备方法采用的轧制及冷却工艺简单，易于控制，节约能耗；
(2)本发明的高锰管线钢组织为单相奥氏体组织，组织中存在大量的位错、ε-马氏体、孪晶及层错等；由于奥氏体本身存在较多的氢陷阱，奥氏体组织的溶氢能力比铁素体或贝氏体要强，具有更好的抗腐蚀能力，因此，奥氏体钢与传统管线钢相比，具有极低的屈强比、较高的抗拉强度、均匀伸长率和优良的耐腐蚀性能，适合作为极端环境下的油气输送管线材料。
附图说明：
图1为本发明实施例1中制备的高锰管线钢采用4％硝酸酒精试剂腐蚀后的金相组织图；
图2为本发明实施例1中制备的高锰管线钢扫描电镜下的显微组织图片。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例中采用的热轧机为RALΦ450热轧机。
对制备的高锰管线钢取试样进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，其中：
抗H2S氢致开裂腐蚀试验参照标准NACE standard TM 0284进行，实验溶液采用标准A溶液(5％NaCl+0.5％CH3COOH+94.5％H2O)，通入H2S气体至溶液饱和，实验时间为96小时，取出试样，依据标准计算裂纹敏感率(CSR)、裂纹厚度率(CTR)、裂纹长度率(CLR)；
抗H2S应力腐蚀试验参照NACE TM 0177进行，试验采用NACE标准中的方法A，试验溶液与氢致开裂相同，实验温度24±1℃，施加载荷为设计等级屈服强度的85％，试样断裂后取出，或维持720小时后取出，在显微镜下放大10倍观察拉伸段是否有氢致裂纹。
实施例1：
一种高锰管线钢，其成分按重量百分比为C 0.46％，Si 0.21％，Mn 15％，P0.010％，S 0.002％，Al 0.02％，Mo 0.57％，Cr 0.98％，Nb 0.02％，V 0.034％，余量为Fe及不可避免杂质。
该高锰管线钢制备方法步骤如下：
按设定成分冶炼，浇铸成坯，成分按重量百分比为C 0.46％，Si 0.21％，Mn 15％，P 0.010％，S 0.002％，Al 0.02％，Mo 0.57％，Cr 0.98％，Nb 0.02％，V 0.034％，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯加热至1200℃，保温2h；
进行轧制，开轧温度为1160℃，总压下量为86％，终轧温度为930℃；
轧制完成后空冷至室温，制得高锰管线钢，其扫描电镜下的显微组织图如图2所示，另取试样，采用4％硝酸酒精试剂对该高锰管线钢试样进行腐蚀，在金相显微镜下观察的组织为单相奥氏体组织，金相组织图如图1所示；
该高锰管线钢成品厚度13mm，屈服强度586MPa，抗拉强度1069MPa，屈强比0.52，断后均匀伸长率42％，-40℃冲击功83J；
对制备的高锰管线钢进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，结果为：
抗H2S高锰管线钢的HIC实验经过96小时后实验结束，取出试样清洗，表面没有发现氢鼓泡；将试样依据标准进行切割、抛光后用金相显微镜放大100倍观察，没有发现HIC裂纹；试样的裂纹敏感率、裂纹长度率、裂纹厚度率均为零，满足标准的要求。
抗H2S高锰管线钢的抗硫化物应力腐蚀开裂SSCC试验经过720小时后实验结束，3根试样均未断裂；取出试样清洗后，用显微镜放大10倍观察，工作段未发现氢致裂纹。
实施例2：
一种高锰管线钢，其成分按重量百分比为C 0.65％，Si 0.28％，Mn 19％，P0.006％，S 0.003％，Al 0.04％，Mo 0.76％，Cr 1.07％，Nb 0.03％，V 0.058％，余量为Fe及不可避免杂质；
该高锰管线钢制备方法步骤如下：
按设定成分冶炼，浇铸成坯，成分按重量百分比为C 0.65％，Si 0.28％，Mn 19％，P 0.006％，S 0.003％，Al 0.04％，Mo 0.76％，Cr 1.07％，Nb 0.03％，V 0.058％，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯加热至1250℃，保温1h；
进行轧制，开轧温度为1171℃，总压下量为89％，终轧温度为830℃；
轧制完成后空冷至室温，制得高锰管线钢，在显微镜下观察的组织为单相奥氏体组织；
该高锰管线钢成品厚度20mm，屈服强度626MPa，抗拉强度1121MPa，屈强比0.57，断后均匀伸长率58％，-40℃冲击功96J；
对制备的高锰管线钢进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，结果为：
抗H2S高锰管线钢的HIC实验经过96小时后实验结束，取出试样清洗，表面没有发现氢鼓泡；将试样依据标准进行切割、抛光后用金相显微镜放大100倍观察，没有发现HIC裂纹；试样的裂纹敏感率CSR≤0.013％、裂纹长度率CLR为0.34％、裂纹厚度率CTR≤0.4％，满足要求。
抗H2S高锰管线钢的抗硫化物应力腐蚀开裂SSCC试验经过720小时后实验结束，3根试样均未断裂；取出试样清洗后，用显微镜放大10倍观察，工作段未发现氢致裂纹。
实施例3：
一种高锰管线钢，其成分按重量百分比为C 0.5％，Si 0.26％，Mn 15.2％，P0.002％，S 0.001％，Al 0.03％，Mo 0.6％，Cr 0.92％，Nb 0.026％，V 0.047％，余量为Fe及不可避免杂质。
该高锰管线钢制备方法步骤如下：
按设定成分冶炼，浇铸成坯，成分按重量百分比为C 0.5％，Si 0.26％，Mn15.2％，P 0.002％，S 0.001％，Al 0.03％，Mo 0.6％，Cr 0.92％，Nb 0.026％，V 0.047％，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯加热至1230℃，保温1.5h；
进行轧制，开轧温度为1193℃，总压下量为87％，终轧温度为880℃；
轧制完成后空冷至室温，制得高锰管线钢，在显微镜下观察的组织为单相奥氏体组织；
该高锰管线钢成品厚度15mm，屈服强度613MPa，抗拉强度1184MPa，屈强比0.55，断后均匀伸长率56％，-40℃冲击功89J；
对制备的高锰管线钢进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，结果为：
抗H2S高锰管线钢的HIC实验经过96小时后实验结束，取出试样清洗，表面没有发现氢鼓泡；将试样依据标准进行切割、抛光后用金相显微镜放大100倍观察，没有发现HIC裂纹；试样的裂纹敏感率CSR≤0.036％、裂纹长度率CLR为1.34％、裂纹厚度率CTR≤0.7％，满足要求。
抗H2S高锰管线钢的抗硫化物应力腐蚀开裂SSCC试验经过720小时后实验结束，3根试样均未断裂；取出试样清洗后，用显微镜放大10倍观察，工作段未发现氢致裂纹。

Claims (4)

1.一种高锰管线钢的制备方法，其特征在于：
所述的高锰管线钢成分按重量百分比为C 0.4~0.7%，Mn 13~17%，Mo 0.5~0.8%，Cr 0.9~1.1%，Si 0.2~0.4%， P≤0.010%，S≤0.003%，Al 0.02~0.03%， Nb 0.02~0.03%，V 0.03~0.06%，余量为Fe；
所述的方法包括以下步骤：
(1)按高锰管线钢成分配比冶炼、浇铸成坯，将铸坯加热至1200~1250℃，保温1~2h，使合金元素完全固溶，组织充分奥氏体化；
(2)对保温后铸坯进行轧制，开轧温度为1150~1200℃，终轧温度为830~930℃，总压下量控制在85~90%，轧制完成后空冷至室温，制得高锰管线钢，组织为单相奥氏体组织。
2.根据权利要求1所述的一种高锰管线钢的制备方法，其特征在于，所述的高锰管线钢屈服强度580~630MPa，抗拉强度1050~1190MPa，屈强比0.5~0.6，高均匀伸长率、耐腐蚀，断后伸长率为40~50%，-40℃冲击功80~100J。
3.根据权利要求1所述的一种高锰管线钢的制备方法，其特征在于，所述的高锰管线钢厚度为12~20mm。
4.根据权利要求1所述的一种高锰管线钢的制备方法，其特征在于，对步骤(2)制备的高锰管线钢进行抗H2S氢致开裂腐蚀试验和抗H2S应力腐蚀试验，经试验：
制备的高锰管线钢在抗H2S氢致开裂腐蚀试验后，表面没有发现氢鼓泡，将试样依据标准进行切割、抛光后用金相显微镜放大100倍观察，没有发现HIC裂纹，试样的裂纹敏感率CSR≤0.36%、裂纹长度率CLR≤1.34%、裂纹厚度率CTR≤0.7%；
制备的高锰管线钢在抗H2S应力腐蚀试验经过720小时实验结束后，试样均未断裂，取出试样清洗后，用显微镜放大10倍观察，工作段未发现氢致裂纹。
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