CN109371335B

CN109371335B - 一种超高强度海洋软管用钢及其制备方法

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Publication number: CN109371335B
Application number: CN201811282477.8A
Authority: CN
Inventors: 高秀华; 张大征; 杜林秀; 王鸿轩; 杨宁宁; 宫照亮
Original assignee: Neptune Offshore Engineering Development Co ltd; Northeastern University China
Current assignee: Neptune Offshore Engineering Development Co ltd; Northeastern University China
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN109371335A

Abstract

本发明的一种超高强度海洋软管用钢及其制备方法，超高强度海洋软管用钢包括组分及重量百分含量为：C 0.04～0.10％，Si≤0.5％，Mn 0.4～1.0％，P≤0.01％，S≤0.003％，Cr 1.0～1.5％，Mo 1.0～1.5％，Ni 0.2～0.5％，Nb 0.035～0.045％，Ti 0.01～0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。步骤：为按设定成分制成铸坯，将其加热至相应温度后保温，随后热轧成盘条冷却至室温，并去除氧化铁皮后经过数道次冷轧，获得扁钢，经两次调质处理制得成品。该制备方法工艺简单，易于控制，节约能耗；制得成品具有超高强度、良好的抗氢损伤性能，尤其是抗应力腐蚀开裂性能优越，能够满足在恶劣环境下服役的海洋软管对其性能要求。

Description

一种超高强度海洋软管用钢及其制备方法

技术领域：

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种超高强度海洋软管用钢及其制备方法。

背景技术：

油气资源的开发从陆地走向浅海再至深海是全球油气资源开发的总趋势，也是我国油气资源开发的战略目标。在海洋油气资源开发过程中，海洋柔性软管以其诸多优越的性能(耐蚀性强、地形适应性强、连续长度长、易铺设安装、经济耐用)受到越来越广泛的应用。随着海洋软管的不断应用和发展，目前，海洋软管正朝着高强度、减重、高柔顺度、抗疲劳、抗硫化物应力腐蚀开裂的方向发展。而海洋软管是由多层结构组成的复合管道，管体结构由内到外为骨架层、内衬层、抗压铠装层、耐磨层、抗拉铠装层、中间层以及外包覆层。为了增加软管强度，减少自重，海洋软管越来越多地采用高强钢作为其核心部件铠装层材料。由于海洋软管在油气输送过程中不可避免地接触到硫化氢、二氧化碳等介质，因此同油井管性能要求一样，铠装层采用的高强钢必须具有良好的抗氢损伤能力和耐腐蚀能力，其中抗氢损伤能力中的抗硫化物应力腐蚀开裂性能尤为重要。

当钢铁材料强度较高时，随着强度的提高，其应力腐蚀开裂敏感性显著增强。为保证抗硫化物应力腐蚀开裂性能稳定且良好以确保服役安全性，工业上一般采用屈服强度在550MPa以下的钢材作为抗硫化物应力腐蚀开裂用钢。目前对于屈服强度小于800MPa的海洋软管用钢，通过热轧+冷轧+退火/调质热处理工艺可获得良好的抗硫化物应力腐蚀开裂性能，而屈服强度大于800MPa时，该工艺则无法制得满足抗硫化物应力腐蚀开裂性能的超高强度海洋软管用钢。因此目前开发超高强度(ReL≥800MPa)抗硫化物应力腐蚀开裂的海洋软管用钢成为海洋软管发展的关键点。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，针对解决高强度和抗应力腐蚀开裂之间的矛盾关系，提供一种超高强度(ReL≥800MPa)海洋软管用钢及其制备方法，解决超高强度软管用钢无法满足抗硫化物应力腐蚀开裂的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超高强度海洋软管用钢，包括组分及重量百分含量为：C 0.04～0.10％，Si≤0.5％，Mn 0.4～1.0％，P≤0.01％，S≤0.003％，Cr 1.0～1.5％，Mo 1.0～1.5％，Ni 0.2～0.5％，Nb 0.035～0.045％，Ti 0.01～0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。

所述的海洋软管用钢屈服强度＞800MPa，抗拉强度为885～950MPa，延伸率为11～15％。

一种超高强度海洋软管用钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按设定成分冶炼、精炼和连铸成连铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C 0.04～0.10％，Si≤0.5％，Mn 0.4～1.0％，P≤0.01％，S≤0.003％，Cr 1.0～1.5％，Mo 1.0～1.5％，Ni 0.2～0.5％，Nb 0.035～0.045％，Ti 0.01～0.015％，余量为Fe及不可避免杂质；

步骤2，将铸坯加热至1170～1220℃，保温30～60min，使组织和成分均匀化，随后钢坯热轧成盘条，将盘条冷却至室温，所述的盘条Φ10～20mm；

步骤3，冷却盘条在去除氧化铁皮后经过数道次冷轧，获得扁钢，所述的扁钢厚度为4～12mm，宽度为10～20mm；

步骤4，多级热处理：

(1)将扁钢加热至920～960℃，保温20～50min，水淬至室温，随后加热至500～650℃进行回火，保温30～60min，获得一次调质热处理的扁钢；

(2)将一次调质热处理的扁钢再加热至920～960℃，保温20～50min，水淬至室温，然后加热至500～650℃进行回火并保温30～60min后，制得超高强度海洋软管用钢，所述的超高强度海洋软管用钢厚度为4～12mm，宽度为10～20mm。

所述的步骤(2)中，经高速线材轧机热轧成盘条，所述的热轧开轧温度为1100～1150℃，终轧温度为940～1000℃。吐丝温度800～850℃，集卷温度400～430℃。

对所述制备的超高强度海洋软管用钢取试样进行抗H₂S氢致开裂腐蚀试验和抗H₂S应力腐蚀开裂试验，氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

本发明的有益效果：

(1)本发明的超高强度海洋软管用钢的制备方法工艺简单，易于控制，节约能耗；

(2)本发明的超高强度海洋软管用钢具有超高强度、良好的抗氢损伤性能，尤其是抗应力腐蚀开裂性能优越，能够满足在恶劣环境下服役的海洋软管对铠装层材料性能的要求。

附图说明：

图1为本发明实施例1中的铸坯热轧后的显微组织图；

图2为本发明实施例1中制备的超高强度海洋软管用钢显微组织图。

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。

冶炼时通过转炉、LF精炼炉，RH真空处理连铸成坯、纯净钢冶炼和夹杂物变性处理等步骤完成；

热轧过程采用高速线材轧机轧制，轧后具有斯太尔摩控冷线；

本发明实施例中冷轧采用五机架万能异型钢冷轧机进行冷连轧；

本发明实施例中热处理过程采用高温箱式电阻炉；

本发明实施例中观测显微组织的设备为场发射电子探针(型号：JEOL JXA-8530F)；

本发明实施例中抗氢致开裂性能检测实验依据标准NACE TM0048进行，实验溶液组成为5wt％NaCl+0.5wt％CH₃COOH+94.5wt％H₂O，实验时间为96h，实验温度为室温，实验结束后计算裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)、裂纹敏感率(CSR)。若符合API标准规定(CLR＜15，CTR＜3，CSR＜1.5)，则满足抗氢致开裂性能；

本发明实施例中硫化物应力腐蚀开裂实验依据标准NACE TM0177进行，采用恒载荷拉伸法，实验溶液为该标准中的A溶液，即5wt％NaCl+0.5wt％CH₃COOH+94.5wt％H₂O溶液，实验开始时溶液pH值为2.7±1，实验结束后溶液实验pH值＜4，实验温度为室温，加载应力水平为90％[0.9US，YS]min，拉伸试样维持720h未断裂则具有良好的抗硫化物应力腐蚀开裂性能。

实施例1

一种超高强度海洋软管用钢，包括组分及重量百分含量为：C 0.07％，Si 0.23％，Mn 0.47％，P 0.005％，S 0.003％，Cr 1.04％，Mo 1.5％，Ni 0.29％，Nb 0.04％，Ti0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。

该超高强度海洋软管用钢的其制备方法，包括以下步骤：

按设定成分冶炼、精炼和连铸成连铸坯，将铸坯加热至1200℃保温40min，使组织和成分均匀化，随后钢坯经高速线材轧机热轧至Φ10mm的盘条，开轧温度1150℃，终轧温度940℃，轧后穿水冷却，吐丝温度810℃，缓慢冷却到集卷温度400℃，热轧后的显微组织，具体为电子探针图如图1所示，为贝氏体组织；

热轧盘条冷却至室温，并在去除氧化铁皮后经过5道次冷连轧，获得海洋软管用钢所需的扁钢，冷轧扁钢尺寸为厚度4mm，宽度10mm；

对冷轧扁钢进行两次调质热处理，首次淬火温度为940℃，保温时间为30min，水淬至室温；随后进行回火，首次回火温度为550℃，保温时间为40min；第二次调质的参数和第一次相同，获得超高强度海洋软管用钢，厚度为4mm，宽度为10mm，其显微组织，具体为电子探针图如图2所示，为回火马氏体组织，屈服强度为838MPa，抗拉强度896MPa，延伸率13.8％；

氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生，CLR＝CTR＝CSR＝0，抗氢致开裂性能优异；

硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

实施例2

一种超高强度海洋软管用钢，包括组分及重量百分含量为：C 0.1％，Si 0.38％，Mn 0.89％，P 0.008％，S 0.002％，Cr 1.5％，Mo 1.0％，Ni 0.5％，Nb 0.045％，Ti0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。

该超高强度海洋软管用钢的其制备方法，包括以下步骤：

按设定成分冶炼、精炼和连铸成连铸坯，将铸坯加热至1170℃保温60min，使组织和成分均匀化，随后钢坯经高速线材轧机热轧至Φ20mm的盘条，开轧温度1140℃，终轧温度950℃，轧后穿水冷却，吐丝温度830℃，缓慢冷却到集卷温度420℃；

热轧盘条冷却至室温，并在去除氧化铁皮后经过5道次冷轧，获得海洋软管用钢所需的扁钢，冷轧扁钢尺寸为厚度10mm，宽度20mm；

对冷轧扁钢进行调质热处理，首次淬火温度为960℃，保温时间为50min，水淬至室温；随后进行回火，首次回火温度为500℃，保温时间为30min；第二次调质参数和第一次相同，获得超高强度海洋软管用钢，厚度为10mm，宽度为20mm，其显微组织为回火马氏体组织，屈服强度为876MPa，抗拉强度950MPa，延伸率11.4％；

硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

实施例3

一种超高强度海洋软管用钢，包括组分及重量百分含量为：C 0.04％，Si 0.44％，Mn 0.69％，P 0.006％，S 0.002％，Cr 1.41％，Mo 1.26％，Ni 0.2％，Nb 0.036％，Ti0.01％，余量为Fe及不可避免杂质；

该超高强度海洋软管用钢的其制备方法，包括以下步骤：

按设定成分冶炼、精炼和连铸成连铸坯，将铸坯加热至1220℃保温30min，使组织和成分均匀化，随后钢坯经高速线材轧机热轧至Φ16mm的盘条，开轧温度1150℃，终轧温度970℃，轧后穿水冷却，吐丝温度820℃，缓慢冷却到集卷温度430℃；

热轧盘条冷却至室温，并在去除氧化铁皮后经过5道次冷轧，获得海洋软管用钢所需的扁钢，冷轧扁钢尺寸为厚度8mm，宽度16mm；

对冷轧扁钢进行调质热处理，首次淬火温度为960℃，保温时间为50min，水淬至室温；随后进行回火，首次回火温度为600℃，保温时间为30min；第二次淬火温度为920℃，保温时间为30min，水淬至室温；随后进行回火，第二次回火温度为550℃，保温时间为60min；获得超高强度海洋软管用钢，厚度为8mm，宽度为16mm，其显微组织为回火马氏体组织，屈服强度为826MPa，抗拉强度885MPa，延伸率14.8％；

硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

Claims

1.一种超高强度海洋软管用钢的制备方法，其特征在于：

所述的超高强度海洋软管用钢包括组分及重量百分含量为：C 0.04～0.10%，Si ≤0.5%，Mn 0.4～1.0%，P ≤ 0.01%，S ≤0.003%，Cr 1.0～1.5%， Mo 1.0～1.5%，Ni 0.2～0.5%，Nb 0.035～0.045%，Ti 0.01～0.015%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述的方法包括以下步骤：

步骤1，按设定成分冶炼、精炼和连铸成连铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C 0.04～0.10%，Si ≤0.5%，Mn 0.4～1.0%，P ≤ 0.01%，S ≤0.003%，Cr 1.0～1.5%， Mo 1.0～1.5%，Ni 0.2～0.5%，Nb 0.035～0.045%，Ti 0.01～0.015%，余量为Fe及不可避免杂质；

步骤2，将铸坯加热至1170~1220℃，保温30～60min，使组织和成分均匀化，随后热轧成盘条，将盘条冷却至室温，所述的盘条Φ10～20mm；

步骤4，多级热处理：

(1)将扁钢加热至940～960℃，保温20～50min，水淬至室温，随后加热至500～650℃进行回火，保温30～60min，获得一次调质热处理的扁钢；

(2)将一次调质热处理的扁钢再加热至920～960℃，保温20～30min，水淬至室温，然后加热至500～650℃进行回火并保温30～60min后，制得超高强度海洋软管用钢，所述的超高强度海洋软管用钢厚度为4～12mm，宽度为10～20mm，对所述制备的超高强度海洋软管用钢取试样进行抗H₂S氢致开裂腐蚀试验和抗H₂S应力腐蚀开裂试验，氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

2.根据权利要求1所述的超高强度海洋软管用钢的制备方法，其特征在于，所述的海洋软管用钢屈服强度＞800MPa，抗拉强度为885~950MPa，延伸率为11~15%。