CN115386784B - 一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法，设计管线钢中夹杂物的均匀化分布，提高钢材内部不可逆氢陷阱密度，同时降低在环境中的腐蚀速度，以及加速吸附氢原子脱附过程，达到有效降低钢中内部扩散氢数量的目的，需要选择熔点较高的物质来形成夹杂物或是引导夹杂物的形成，具有抗腐蚀效果，并具有较好的对氢原子脱附过程的促进效应。设计以La2O3作为管线钢中夹杂物和夹杂物的形核点，并且以固溶的形式将La元素添加到管线钢中，考虑到La元素与铁基合金的固溶度仅有0.1％，因此微合金化的La元素添加比例为0.1％。La2O3的添加比例为0.1％‑0.3％时均有较好的抗渗氢效果。

Description

一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法
技术领域
本发明涉及的是一种对管线钢进行改良，使其既有良好抗氢损伤性能的冶金方法及工艺，具体涉及一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法。
背景技术
氢损伤是油气管道钢失效的主要原因之一，对工程安全造成了极其严重的后果，只能预防而不能补救。防止氢损伤需要在基体中富集氢原子之前进行保护。氢原子渗入材料是发生氢损伤的前提步骤；氢陷阱是金属基体内氢原子富集的主要原因，而氢陷阱的类型、数量和分布决定了材料对氢损伤的抵抗力。为了减少氢原子在基体内部的富集，研究人员试图通过冶金处理或热处理来改变基体的微观结构，以获得具有较低氢原子溶解度和氢捕获能力的组织结构。
研究发现针状铁氧体组织可以降低氢的扩散速度，有效降低材料的氢脆敏感性。其他研究中提出，钢中S、P、Si、Mn等元素的偏析会产生大量的氢捕集点，减少这些合金元素的含量可以有效避免氢损伤的发生。但超纯钢的氢脆敏感性在实际性能上并不令人满意，即使大幅提高钢的纯度，4340钢的氢脆敏感性也几乎相同。仅去除钢中的有害元素并不能提高抗氢脆性，相关研究提出添加Cu元素可以有效抑制合金中氢损伤的发生。此外，也有人认为Cu和Ni可以降低合金在H2S环境中的氢脆敏感性，其中Cu形成CuS保护层，Ni的加入使结构均匀，都对氢损伤有一定的防护效果。但是，合金元素的添加需要考虑合金的力学性能，控制过程繁琐复杂，能量消耗大。
所以，在不影响材料的力学性能的情况下，仍能对材料氢损伤达到较好的防护效果是现在亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于对油气管道领域服役环境下的管线钢进行改良，在保证其力学性能的基础上，大幅度提升其抗氢损伤能力。
为实现上述目的，本发明采用了如下方案：
一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法，包括如下步骤：
步骤一：按照质量分数计合金中各元素质量百分比为：C为0.12-0.16、Si为0.43-0.48、Mn为1.50-1.70、S为≦0.01、Ti为≦0.06、Nb为≦0.50、V为≦0.06、P为≦0.02、La为0.10La+0.20La2O3，其余为Fe；将除La以外的原材料装炉，抽真空30分钟；
步骤二：对熔炼炉进行充氩气保护，电熔加热，功率增加设计为80kw逐级增加至145kw，功率间隔20kw，每次保持5-10分钟直至达到145kw。升温速度平均为8-10℃/min，最终温度控制在1500±100℃对材料进行粗炼；
步骤三：设定温度1500℃，保持30-60分钟后先进行溶清处理，温度升高至1600±50℃进行精炼；
步骤五：将La投入熔炉，维持30-60分钟后添加La2O3，为确保添加的La2O3在合金中均匀存在，保证材料的力学性能，熔炼过程中合金液体需保持搅拌状态，维持30-60分钟；
步骤六：降温浇铸，随炉冷却40-60分钟出炉，冷却速度控制在54-77K/s；
步骤七：材料完全冷却后将边缘和气孔部分切除，余下材料进行正火处理；
步骤八：对热处理后的试样进行打磨、电镀、除氢等预处理，试样尺寸设计为20mm×40mm，需逐级打磨至0.54mm厚，单面进行抛光和电镀Ni层处理，进行除氢处理和另一面重新打磨后接着用去离子水和丙酮冲洗，得到具有良好抗氢损伤的X70管线钢。
一种具有良好抗氢损伤的X70管线钢，由以上方法制备而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对管线钢中设计La元素微合金化和La2O3作为夹杂物形核位点，使材料的屈服强度和塑性都有了小幅度的提升，在保证材料稳定服役的同时，也可以降低管线钢在在酸性环境下的腐蚀速度，并在碱性环境下大幅度促进氢原子脱附过程，降低了渗入材料基体的氢原子数量，使管线钢在酸性环境或是碱性环境下阴极保护的过程中均有较好抗氢损伤能力，降低了服役过程中材料氢损伤发生的概率。
附图说明
图1为原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)在酸液中的氢损伤性能表现；
图2为原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)在阴极充氢中的氢损伤性能表现；
图3为原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)在阴极充氢12h后的力学性能表现。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和目的更加清楚，下面将以实施例的方式对本发明的技术方案和目的进行清晰且完整的说明。但是，下述实施例仅为本发明一部分内容，并不包括全部的实施例。在本发明中所提及的实施例的基础上，本领域内技术人员在没有提出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围之内。
实施方式以X70管线钢为例，为了排除其他因素对本抗渗氢技术效果的影响，按照国标规定的X70钢的化学成分进行熔炼并正火处理，对比实验组和改良实验组的材料成分和比例均一致，在熔炼过程中加入La金属块使其以固溶形式加入到X70钢中，成分占比为0.1％。La2O3的占比则为0.2％。原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)的化学成分如下表：
表1原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)的化学成分.
对照组和改良组的材料的制备过程实例如下：
1.两组材料成分和质量分数如表1所示。
2.除改良组的La金属块外的原材料装炉，抽真空30分钟。
3.对熔炼炉进行充氩气保护，电熔加热，为防止电熔炉升温过快导致设备损耗，升温频率需逐级增加，本次实验方案功率增加设计为80kw逐级增加至145kw，功率间隔20kw，每次保持5-10分钟直至达到设定功率(145kw)。升温速度平均为8-10℃/min，最终温度控制在1500±100℃对材料进行粗炼。
4.设定温度1500℃，保持30-60分钟后先进行溶清处理，温度升高至1600±50℃进行精炼。
5.将La块投入熔炉，维持30-60分钟后添加La2O3，为确保添加的La2O3在合金中均匀存在，保证材料的力学性能，熔炼过程中合金液体需保持搅拌状态。维持30-60分钟。
6.降温浇铸，随炉冷却40-60分钟出炉，冷却速度控制在54-77K/s。
7.材料完全冷却后将边缘和气孔部分切除，余下材料进行正火处理。
对两种材料的抗氢损伤测试步骤如下：
8.对热处理后的试样进行打磨、电镀、除氢等预处理。
其中，材料试样尺寸设计为20mm×40mm，需逐级打磨至0.54mm厚。
单面进行抛光和电镀Ni层处理。
进行除氢处理和另一面重新打磨后是去离子水和丙酮冲洗备用。
9.使用D-S双电解池对材料进行渗氢测试：
充氢方式分为两种，分别是模拟酸性环境下的材料氢损伤和模拟阴极保护带来的氢原子累积造成的氢损伤。酸性环境使用3.5wt.％的NaCl溶液，加入适量硼酸使溶液中硼酸浓度达到50g/L，添加适量浓盐酸使pH达到1.70。阴极充氢则是采用-2mA/cm2的阴极电流密度对试样进行强制充氢处理。
10.为了对材料充氢后的塑性进行评估，对本次实例进行充氢后的拉伸测试。
设计管线钢中夹杂物的均匀化分布，提高钢材内部不可逆氢陷阱密度，同时降低在环境中的腐蚀速度，以及加速吸附氢原子脱附过程，达到有效降低钢中内部扩散氢数量的目的。
为达到这一目的，需要选择熔点较高的物质来形成夹杂物或是引导夹杂物的形成，且具有一定的抗腐蚀效果，并具有较好的对氢原子脱附过程的促进效应。为此，La及La化合物是符合这一条件的。在本方案里，设计以La2O3作为管线钢中夹杂物和夹杂物的形核点，并且以固溶的形式将La元素添加到管线钢中。考虑到La元素与铁基合金的固溶度仅有0.1％，因此微合金化的La元素添加比例为0.1％。La2O3的添加比例为0.1％-0.3％时均有较好的抗渗氢效果。
同时，由于La2O3的熔点较高，在冷却过程中会引导夹杂物和第二相形核，为了控制夹杂物的分布和粒径，在原材料融化后添加La2O3时，首先需要保证熔炉内合金液体的搅拌，维持一段时间后，进行冷却步骤时，冷却速度控制在54-77K/s防止夹杂物粒径过大。
上述实施例氢损伤的测试结果如附图。
附图1为酸液充氢条件下原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)的氢损伤性能表现，相较于原始X70管线钢的渗氢电流，改良的X70管线钢的渗氢电流下降了近62％。
附图2为阴极充氢条件下原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)在的氢损伤性能表现，可以看到改良的X70管线钢的渗氢电流均低于原X70材料，下降近47％。
图3为原X70管线钢(1#)和改良的X70管线钢(2#)在阴极充氢12h后的力学性能表现。从图中可以得到，改良后的X70管线钢和对照组相比，在未充氢时强度和塑性都有微小的提升，而在充氢12小时后，改良的X70管线钢的塑性损失得到了明显的降低，说明本发明La的微合金化的确降低了材料的氢致开裂可能性。
综上所述，本发明可以在不影响X70管线钢服役力学性能的同时，有效降低环境中往材料内部扩散的氢原子，并使其均匀分布在材料内部，显著降低了材料在高氢原子浓度下的塑性损失，改善材料的氢损伤性能。

Claims (2)

1.一种有效提高管线钢抗氢损伤性能的冶金方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按照质量分数计合金中各元素质量百分比为：C为0.12-0.16、Si为0.43-0.48、Mn为1.50-1.70、S为≦0.01、Ti为≦0.06、Nb为≦0.50、V为≦0.06、P为≦0.02、La元素添加比例为0.1，La2O3的添加比例为0.1-0.3，其余为Fe；将除La以外的原材料装炉，抽真空30分钟；
步骤二：对熔炼炉进行充氩气保护，电熔加热，功率增加设计为80Kw逐级增加至145Kw，功率间隔20Kw，每次保持5-10分钟直至达到145Kw；升温速度平均为8-10oC/min，最终温度控制在1500±100oC对材料进行粗炼；
步骤三：设定温度1500oC，保持30-60分钟后先进行溶清处理，温度升高至1600±50oC进行精炼；
步骤五：将La投入熔炉，维持30-60分钟后添加La2O3，为确保添加的La2O3在合金中均匀存在，保证材料的力学性能，熔炼过程中合金液体需保持搅拌状态，维持30-60分钟；
步骤六：降温浇铸，随炉冷却40-60分钟出炉，冷却速度控制在54-77K/s；
步骤七：材料完全冷却后将边缘和气孔部分切除，余下材料进行正火处理；
步骤八：对热处理后的试样进行打磨、电镀、除氢等预处理，试样尺寸设计为20mm×40mm，需逐级打磨至0.54mm厚，单面进行抛光和电镀Ni层处理，进行除氢处理和另一面重新打磨后接着用去离子水和丙酮冲洗，得到具有良好抗氢损伤的X70管线钢。
2.一种具有良好抗氢损伤的X70管线钢，其特征在于，由权利要求1所述的方法制备而成。
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