CN109371326A - 一种抗h2s/co2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗h2s/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H2S/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:C0.03‑0.1%,Si0.1‑0.5%,Mn0.5‑1%,Cr0.5‑1.5%,Mo0.1‑0.8%,Al0.02‑0.05%,P≤0.01,S≤0.005%,Ti0.02‑0.1%,其余为Fe及不可避免杂质。制备方法为:冶炼及连铸制备初级坯料;再次加热至1100~1250℃,并在此温度保温50~80min;采用高速线材热轧生产工艺制备坯料;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H2S/CO2腐蚀性能,且成本低。

Description

一种抗H2S/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H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用。
背景技术
全球气候变暖是人类生存面临的一个重要课题,而温室气体排放又是全球气候变暖的重要诱因,其中又以CO2为罪魁祸首。因此,降低CO2排放或者将产生CO2气体进行合理处置,是减少温室气体排放,并缓解全球气候变暖的必由之路。碳捕获和封存技术是一种有效降低工业排放大量CO2气体至大气中的方法,该技术通过多种方法,如吸收分离法、吸附分离法、膜法、化学链燃烧技术等,将工况企业中产生的大量CO2气体进行捕获,然后通过管道运输至封存点,如地下盐水层、枯竭油气层等,从而达到将多余CO2气体进行封存的目的。在碳捕获和封存技术中,多使用钢铁材料将高温高压CO2气体从捕获点运输至封存点。但钢铁材料遭受高温高压CO2腐蚀的侵蚀,并形成水饱和CO2环境与CO2饱和水两种腐蚀环境,对钢铁材料的安全服役造成威胁。
在高温高压CO2气体中有时会掺杂部分H2S气体,从而形成H2S与CO2两种混合气体的腐蚀环境,并可构成水饱和H2S/CO2环境与H2S/CO2饱和水环境两种腐蚀环境,严重情况导致集输管道的失效断裂。当今应用于碳捕获和封存技术的集输管道多使用含Cr和Mo元素较高的钢铁材料,如42CrMo4(AISI 4140)、X46Cr13(AISI 42C),这些材料成本高,制造过程繁杂。碳捕获和封存技术中的一个重要封存点是海底地质水,而上述钢铁材料已远不能满足海洋环境的要求,这主要受限于海水的腐蚀和洋流的扰动,导致上述钢铁材料的耐蚀性和柔性差。
海洋软管是一种新型的海洋用集输管道,它由高分子和钢铁材料构成的多层复合结构具有安装容易、抗腐蚀性能优异、柔韧性强的诸多优点。海洋软管独特的结构保证其具有优异耐海水腐蚀性能的同时,又可承受集输过程中的高压力和高温。海洋软管中的核心层是铠装层,它是由低合金钢构成,相比传统的42CrMo4(AISI 4140)、X46Cr13(AISI 42C)等材料具有,合金元素少,价格低廉的优势。但也对抗水饱和H2S/CO2环境与H2S/CO2饱和水环境与传统材料有同样的要求。因此,研发出应用于碳捕获和封存技术中海洋软管铠装层的低合金钢,使得该钢具有优异的抗两种高温高压H2S/CO2腐蚀,对解决海洋环境应用碳捕获和封存技术缓解温室效应具有重要意义。
发明内容
碳捕获和封存技术中集输管道用钢铁材料遭受H2S和CO2两种混合气体的腐蚀问题,针对这一问题本发明的目的在于提供一种抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料及其制备方法与应用,该低合金钢材料适合应用海洋软管集输碳捕获和封存技术中的高温高压H2S和CO2气体,以抗H2S和CO2腐蚀。
一种抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料,包括以下按质量百分比计的组分:C0.03-0.1%,Si0.1-0.5%,Mn0.5-1%,Cr0.5-1.5%,Mo0.1-0.8%,Al0.02-0.05%,P≤0.01,S≤0.005%,Ti0.02-0.1%,其余为Fe及不可避免杂质。
作为改进的是,上述抗H2S/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 0.81%,Cr 0.61%,Mo 0.22%,Al 0.04%,P 0.003%,S0.002%,Ti 0.06%,其余为Fe及不可避免杂质。
上述抗H2S/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钢铁材料,获得初级坯料;
步骤2,初级坯料再次加热至1100~1250℃,并在此温度保温50~80min,加热过程中保证初级坯料的内外温差小于40℃;
步骤3,再次加热后的初级坯料进行高速线材生产,开始轧制温度为1050~1130℃,终止轧制温度为900~970℃,热轧结束后用水加速冷却至820~880℃,再用空气快速冷却至200~400℃,冷却速度为1-3℃/s,获得断面形状为圆形的线材,尺寸为Φ8~12mm;
步骤4,对圆形的线材进行去除氧化铁皮处理,获得断面异型钢,所述断面的形状为C、Z或
步骤5,对断面异型钢进行热处理,加热至860~920℃,保温10-30min,淬火,回火温度为300-500℃,保温30-60min,即可。
上述抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料在制备用于碳捕获/封存技术上产品的应用。
作为改进的是,所述产品为海洋软管。
作为改进的是,所述应用的腐蚀环境为水饱和H2S/CO2环境或H2S/CO2饱和水环境。
有益效果:
与现有技术相比,本发明抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料的生产成本低,制备过程简单,水饱和H2S/CO2环境或H2S/CO2饱和水环境抗腐蚀效果好。
附图说明
图1为本发明实施例1中线材微观组织图;
图2为本发明实施例1制备的低合金钢材料经水饱和H2S-CO2环境或H2S-CO2饱和水环境腐蚀后,表面形貌图,其中(a)水饱和H2S-CO2环境、(b)H2S-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H2S/CO2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%,Mn 0.81%,Cr 0.61%,Mo 0.22%,Al 0.04%,P 0.003%,S0.002%,Ti 0.06%,其余为Fe及不可避免杂质。
将连铸坯加热至1200℃,均热60min,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1130℃,终止轧制温度为965℃。热轧后低合金钢经过水进行加速冷却,最终水冷温度为872℃。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2℃/s,最终加速空气冷却后温度为353℃,如图1所示。
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热处理,先加热至900℃,保温15min,然后使用水进行冷淬火,再次进行回火过程,回火温度为350℃,保温时间为30min。
采用高温高压H2S/CO2腐蚀实验,模拟碳捕获和封存技术中水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境,设定腐蚀周期为20年时,水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.016mm/y和0.044mm/y。
实施例2
一种抗H2S/CO2低合金钢材料,包括以下按质量百分比计的组分:C0.04%,Si0.3%,Mn0.6%,Cr0.5%,Mo0.2%,Al0.04%,P 0.01,S 0.005%,Ti0.02%,其余为Fe及不可避免杂质。
将连铸坯加热至1100℃,均热50min,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910℃。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2℃/s,最终加速空气冷却后温度为253℃。
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热处理,先加热至860℃,保温10min,然后使用水进行冷淬火,再次进行回火过程,回火温度为300℃,保温时间为60min。
采用高温高压H2S/CO2腐蚀实验,模拟碳捕获和封存技术中水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境,设定腐蚀周期为20年时,水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.024mm/y和0.066mm/y。
实施例3
一种抗H2S/CO2低合金钢材料,包括以下按质量百分比计的组分:C0.1%,Si0.5%,Mn1%,Cr1%,Mo0.7%,Al0.05%,P 0.009,S 0.003%,Ti0.1%,其余为Fe及不可避免杂质。
将连铸坯加热至1250℃,均热70min,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1130℃,终止轧制温度为975℃。热轧后低合金钢经过水进行加速冷却,最终水冷温度为870℃。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400℃。
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。
随后将冷成型钢进行热处理,先加热至920℃,保温10min,然后使用水进行冷淬火,再次进行回火过程,回火温度为500℃,保温时间为30min。
采用高温高压H2S/CO2腐蚀实验,模拟碳捕获和封存技术中水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境,设定腐蚀周期为20年时,水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.031mm/y和0.072mm/y。
对比例1
一种抗H2S/CO2低合金钢材料,包括以下按质量百分比计的组分:C0.1%,Si0.31%,Mn1.48%,Cr1%,Al0.04%,P 0.009%,S 0.003%,其余为Fe及不可避免杂质。
对比钢经工业管线钢生产工艺制备,采用高温高压H2S/CO2腐蚀实验,模拟碳捕获和封存技术中水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境,水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.23mm/y和10.48mm/y。
虽然对比例1的化学组分与本发明的相似,但经过本发明特殊的制备工艺和流程,发明钢的腐蚀速率远小于对比钢,具有良好的抗高温高压H2S/CO2腐蚀的性能。
对比例2
一种抗H2S/CO2低合金钢材料,包括以下按质量百分比计的组分:C0.026%,Si0.13%,Mn0.38%,Cr3.15%,P 0.009%,S 0.003%,Ni0.25%,Nb0.022%,Ti0.014,其余为Fe及不可避免杂质。
对比钢经工业钢管生产工艺制备,采用高温高压H2S/CO2腐蚀实验,模拟碳捕获和封存技术中水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境,水饱和H2S/CO2环境及H2S/CO2饱和水环境最终腐蚀速率分别为0.02mm/y和0.04mm/y。对比钢和发明钢的腐蚀速率相近,但经过本发明特殊的制备工艺和流程,对比钢中Cr含量高于发明钢,且对比钢中含有Nb、Ti、Ni等微量元素,成本较高。因此,发明钢较对比钢具有成本低的优势。
综上所述,本发明抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料成本低廉,抗H2S/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H2S/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:C0.03-0.1%,Si0.1-0.5%,Mn0.5-1%,Cr0.5-1.5%,Mo0.1-0.8%,Al0.02-0.05%,P≤0.01,S≤0.005%,Ti0.02-0.1%,其余为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种抗H2S/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 0.81%,Cr 0.61%,Mo 0.22%,Al0.04%,P 0.003%,S0.002%,Ti 0.06%,其余为Fe及不可避免杂质。
3.基于权利要求1所述的一种抗H2S/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钢铁材料,获得初级坯料;步骤2,初级坯料再次加热至1100~1250℃,并在此温度保温50~80min,加热过程中保证初级坯料的内外温差小于40℃;步骤3,再次加热后的初级坯料进行高速线材生产,开始轧制温度为1050~1130℃,终止轧制温度为900~970℃,热轧结束后用水加速冷却至820~880℃,再用空气快速冷却至200~400℃,冷却速度为1-3℃/s,获得断面形状为圆形的线材,尺寸为Φ8~12mm;步骤4,对圆形的线材进行去除氧化铁皮处理,获得断面异型钢,所述断面的形状为C、Z或步骤5,对断面异型钢进行热处理,加热至860~920℃,保温10-30min,淬火,回火温度为300-500℃,保温30-60分钟,即可。
4.根据权利要求1所述的一种抗H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料H2S/CO2腐蚀的低合金钢材料在制备用于碳捕获/封存技术上产品的应用。
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,所述应用的腐蚀环境为水饱和H2S/CO2环境或H2S/CO2饱和水环境。
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Application publication date: 20190222

Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

Denomination of invention: A low alloy steel material resistant to h2s / CO2corrosion and its preparation method and Application

Granted publication date: 20210608

License type: Common License

Record date: 20210714

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Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

Date of cancellation: 20210826

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