CN109355476A - 一种抗co2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗co2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用。该低合金钢材包括以下按质量百分比计的组分：C 0.03‑0.15％，Si 0.15‑0.6％，Mn 0.6‑1.3％，Cr 0.7‑2％，Mo 0.2‑0.9％，Al 0.01‑0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。制备方法为：冶炼及连铸；连铸后钢坯再次加热至1000～1200℃，并在此温度保温40‑70min；采用高速线材热轧生产工艺制备中间坯料；热轧后坯料采用冷成型方法获得断面异型钢；采用调质热处理工艺改善材料性能。本发明低合金钢呈现出良好的抗CO2腐蚀性能，成本低廉，且易于制备。

Description

一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于冶金和化学工程技术领域，具体涉及一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着人类大量燃烧化石燃料，产生的CO2气体排放至空气中，并引发全球气候变暖。在当今人类未广泛成功使用新能源的境遇下，使用化石燃料仍然是人类获取能源的主要手段。如何消除燃烧化石燃料产生CO2气体引起的负面效应，是当今重要的研究课题。碳捕获和封存技术将工况企业燃烧化石燃料产生的CO2气体，通过吸收分离法、吸附分离法、膜法、化学链燃烧技术等，将CO2气体进行捕获，然后通过管道运输至地下盐水层、枯竭油气层等贮存点，从而达到将废气CO2进行封存的目的。但在运输高温高压CO2气体过程中，钢铁材料构成的管道容易遭受CO2腐蚀，并诱发断裂失效问题。集输过程中根据材料服役环境不同可形成水饱和CO2环境与CO2饱和水环境两种腐蚀环境，两种不同腐蚀环境对钢铁材料腐蚀性能提出更高要求。为了满足对抗高温高压CO2腐蚀性能的苛刻要求，当今应用于碳捕获和封存技术中集输管道的钢铁材料中Cr和Mo元素含量较高，如42CrMo4(AISI 4140)、X46Cr13(AISI 420C)等，这些材料的成本高，制造过程复杂。碳捕获和封存技术中一个重要封存点是海底的地质水中，而上述的高含量Cr和Mo元素的钢铁材料不能满足海洋环境中对材料的要求，主要受限于耐海洋腐蚀和材料柔性差。海洋软管作为一种新型的海洋用集输管道，具有上述高含量Cr和Mo元素无法具有的巨大优势，如容易安装、抗腐蚀性能良好、柔韧性好等。海洋软管是由高分子及钢铁材料构成的多层复合结构，外层由高分子材料组成，中间层由低合金钢带相互缠绕而成，内层是由经济型的不锈钢构成。海洋软管独特的结构保证其具有优异的耐海水腐蚀性能，同时可承受集输过程中的高压力和高温。目前常规的高Cr和高Mo钢铁材料已经不能满足碳捕获和封存技术中将多余高温高压CO2气体运输至海底贮存点的要求，且高Cr和高Mo材料价格昂贵，也限制了其广泛应用。海洋软管是理想的将碳捕获和封存技术中CO2气体运输至海底贮存点的材料，而海洋软管的铠装层材料是核心部件，主要承受集输油气过程中压力，并面临高温高压CO2腐蚀的威胁。长期遭受两种高温高压CO2腐蚀侵蚀，并引发断裂事件。因此，研发抗两种高温高压CO2腐蚀的低合金钢，并应用于铠装层，对碳捕获和封存技术中安全输送高温高压CO2气体具有重要作用。
发明内容
针对碳捕获和封存技术中集输管道抗CO2腐蚀性能差的问题，本发明的目的在于提供一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用，该低合金钢适合用于制作海洋软管铠装层，以及集输石油天然气或者碳捕获和封存技术中的高温高压CO2气体，具有抗CO2腐蚀性能。
一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.03-0.15％，Si 0.15-0.6％，Mn 0.6-1.3％，Cr 0.7-2％，Mo 0.2-0.9％，Al 0.01-0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。
作为改进的是，上述抗CO2腐蚀的低合金钢材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.07,Si 0.24,Mn 0.84,Cr 1.1,Mo 0.27，Al 0.02，P 0.002，S0.001，其余为Fe。
上述抗CO2腐蚀的低合金钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比组分冶炼并连铸，获得原始坯料；
步骤2，连铸后坯料再次加热至1000～1200℃，保温40～70min，加热过程中需保证坯料内外温差小于40℃；
步骤3，再次加热后坯料进行高速线材热轧生产，开始轧制温度为1050～1130℃，终止轧制温度为880～980℃，热轧结束后用水加速冷却至820～860℃，再用空气快速冷却至200～400℃，冷却速度为1-5℃/s，获得断面形状为圆形的线材，尺寸为Φ8～12mm；
步骤4，对线材进行去除氧化铁皮处理，冷成型获得断面异型钢；
步骤5，对断面异型钢进行热处理，加热至850～910℃，保温20-40min，淬火，回火温度为550-700℃，保温30-60分钟，即可。
上述抗CO2腐蚀的低合金钢材料在制备碳捕获/封存产品上的应用。
作为改进的是，上述产品为海洋软管。
作为改进的是，所述腐蚀环境为水饱和CO2环境或CO2饱和水环境。
有益效果：
与现有技术相比，本发明抗CO2腐蚀的低合金钢材料生产成本低，制备过程简单，水饱和CO2环境及CO2饱和水环境下抗腐蚀效果好。
附图说明
图1为本发明实施例1中热轧后的线材微观组织图；
图2为本发明实施例1中热处理后低合金钢微观组织图；
图3为本发明实施例1中经水饱和CO2环境或CO2饱和水环境腐蚀后，表面形貌图，其中(a)水饱和CO2环境、(b)CO2饱和水环境。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的发明方法进行详细描述和说明。其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。
实施例1
一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.07,Si0.24,Mn0.84,Cr 1.1,Mo 0.27，Al 0.02，P 0.002，S0.001，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。
将连铸坯加热至1200℃，均热60min，控制材料内部和外部温差小于30℃。加热后低合金钢经过高速线材工艺完成热轧生产过程，开始轧制温度为1125℃，终止轧制温度为970℃。热轧后低合金钢经过水进行加速冷却，最终水冷温度为845℃。随后使用斯太尔摩冷却控制线进行冷却，并采用加速空气进行冷却，冷却速率为1.3℃/s，最终加速空气冷却后温度为325℃，热轧后微观组织由铁素体、贝氏体和珠光体组成。将高速线材热轧后线材使用机械方法去除氧化铁皮，进行冷拔成型过程，冷拔道次为6道次，获得断面异型钢。
随后将断面异型钢进行调质热处理，先加热至900℃，保温30min，然后使用水进行冷淬火，再次进行回火过程，回火温度为580℃，保温时间为60min。微观组织为回火马氏体。
将上述低合金钢材料制成海洋软管，输送高温高压CO2，进行验证。
采用高温高压CO2腐蚀实验，模拟碳捕获和封存技术中水饱和CO2环境及CO2饱和水环境，设定腐蚀周期为20年时，水饱和CO2环境及CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.025mm/y和0.086mm/y。
实施例2
一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.03％，Si0.5％，Mn 1％，Cr 0.7％，Mo 0.25％，Al 0.04％，P 0.009，S 0.005％，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。
将连铸坯加热至1100℃，均热40min，控制材料内部和外部温差小于40℃。加热后低合金钢经过高速线材工艺完成热轧生产过程，开始轧制温度为1050℃，终止轧制温度为980℃。热轧后低合金钢经过水进行加速冷却，最终水冷温度为820℃。随后使用斯太尔摩冷却控制线进行冷却，并采用加速空气进行冷却，冷却速率为1℃/s，最终加速空气冷却后温度为400℃，热轧后微观组织由铁素体、贝氏体和珠光体组成。将高速线材热轧后材料使用机械方法去除氧化铁皮，进行冷拔成型过程，冷拔道次为6道次，获得断面异型钢。
随后将断面异型钢进行调质热处理，先加热至850℃，保温40min，然后使用水进行冷淬火，再次进行回火过程，回火温度为550℃，保温时间为50min。
将上述低合金钢材料制成海洋软管，输送高温高压CO2，进行验证。
采用高温高压CO2腐蚀实验，模拟碳捕获和封存技术中水饱和CO2环境及CO2饱和水环境，设定腐蚀周期为20年时，水饱和CO2环境及CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.051mm/y和0.108mm/y。
实施例3
一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.15％，Si0.58％，Mn 1.3％，Cr 0.9％，Mo 0.4％，Al 0.04％，P0.008，S0.005，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。
将连铸坯加热至1150℃，均热70min，控制材料内部和外部温差小于30℃。加热后低合金钢经过高速线材工艺完成热轧生产过程，开始轧制温度为1100℃，终止轧制温度为900℃。热轧后低合金钢经过水进行加速冷却，最终水冷温度为825℃。随后使用斯太尔摩冷却控制线进行冷却，并采用加速空气进行冷却，冷却速率为3℃/s，最终加速空气冷却后温度为225℃，热轧后微观组织由铁素体、贝氏体和珠光体组成。将高速线材热轧后材料使用机械方法去除氧化铁皮，进行冷拔成型过程，冷拔道次为6道次，获得设计异型截面钢。
随后将断面异型钢进行调质热处理，先加热至910℃，保温20min，然后使用水进行冷淬火，再次进行回火过程，回火温度为700℃，保温时间为60min。
将上述低合金钢材料制成海洋软管，输送高温高压CO2，进行验证。
采用高温高压CO2腐蚀实验，模拟碳捕获和封存技术中水饱和CO2环境及CO2饱和水环境，设定腐蚀周期为20年时，水饱和CO2环境及CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.061mm/y和0.18mm/y。
对比例1
一种抗CO2腐蚀的钢铁材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.27％，Si0.15％，Mn 1.82％，Cr 1.35％，Al 0.02％，V 0.14，Nb0.05,P0.012，S0.005，其余为Fe。对比钢化学组分与发明钢相似。
按照质量百分比组分冶炼并连铸钢铁材料，随后进过工业管线钢生产工艺制备初级坯料，随后将钢铁材料进行调质热处理，先加热至900℃，然后使用水进行冷淬火，再次进行回火过程，回火温度为650℃。
制备实验钢进行高温高压CO2腐蚀实验，在水饱和CO2环境及CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为1mm/y和4mm/y。在相似的化学组分情况下，发明钢的腐蚀速率小于对比钢，由于本发明独特的制备工艺及流程，发明钢呈现出良好的抗高温高压CO2腐蚀性能。
对比例2
一种抗CO2腐蚀的钢铁材料，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.22％，Si0.25％，Mn 45％，Cr 13.39％，Al 0.02％，P0.008，S0.004，其余为Fe。对比钢中Cr含量较高，成本高。
对比钢经过工业生产过程后，最终微观组织为回火马氏体，具有与实验钢相同的微观组织。制备实验钢进行高温高压CO2腐蚀实验，在水饱和CO2环境及CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.06mm/y和0.02mm/y。发明钢和对比钢最终腐蚀速率相近，但对比钢的成本高于发明钢，发明钢具有低成本优势。
综上所述，本发明抗CO2腐蚀的低合金钢材料成本低廉，抗CO2腐蚀性能好，制备方法简单，尤其适合制备腐蚀环境下碳捕获/封存产品上的应用。

Claims (6)

1.一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，其特征在于，包括以下按质量百分比计的组分：C0.03-0.15％，Si 0.15-0.6％，Mn 0.6-1.3％，Cr 0.7-2％，Mo 0.2-0.9％，Al 0.01-0.04％，P≤0.01，S≤0.005％，其余为Fe，微观组织为回火马氏体。
2.根据权利要求1所述的一种抗CO2腐蚀的低合金钢材料，其特征在于，包括以下按质量百分比计的组分：C 0.07,Si 0.24,Mn 0.84,Cr 1.1,Mo 0.27，Al 0.02，P 0.002，S0.001，其余为Fe。
3.基于权利要求1所述的抗CO2腐蚀的低合金钢材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，按质量百分比组分冶炼并连铸，获得初级坯料；步骤2，连铸后坯料再次加热至1000～1200℃，保温40～70min，加热过程中需保证坯料内外温差小于40℃；步骤3，再次加热后坯料进行高速线材热轧生产，开始轧制温度为1050～1130℃，终止轧制温度为880～980℃，热轧结束后用水加速冷却至820～860℃，再用空气快速冷却至200～400℃，冷却速度为1-5℃/s，获得断面形状为圆形的线材，尺寸为Φ8～12mm；步骤4，对线材进行去除氧化铁皮处理，冷成型获得断面异型钢；步骤5，对断面异型钢进行热处理，加热至850～910℃，保温20-40min，淬火，回火温度为550-700℃，保温30-60分钟，即可。
4.基于权利要求1所述的抗CO2腐蚀的低合金钢材料在制备碳捕获/封存产品上的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述产品为海洋软管。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述腐蚀环境为水饱和CO2环境或CO2饱和水环境。
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