一種低合金鋼、鋼管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有良好耐碳酸氣腐蝕性和焊接部位韌性的低合金鋼，包括如下成分：化學(xué)成分，按質(zhì)量百分比，含有C：0.0035～0.02％，Cr：3.0％～5.0％，Si：0.1％以下，Mn：0.6～2.0％且該Mn量[T.Mn]以及C量[T.C]的關(guān)系符合[T.Mn]×[T.C]在0.007～0.03，其他部分為鐵和無(wú)法避免的不純物。還提供了一種以低合金鋼為材料制造的具有良好耐碳酸氣腐蝕性與焊接部位韌性的低合金鋼管由具有良好耐碳酸氣腐蝕性和焊接部位韌性的低合金鋼制成的鋼管及其制造方法。
【專利說(shuō)明】
-種低合金鋼、鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于能源領(lǐng)域的石油天然氣輸送管路，特別是設(shè)及用于含有碳酸氣的 石油天然氣環(huán)境，具備良好的耐碳酸氣腐蝕性和焊接部位初性的低合金鋼，W及使用該合 金的低合金鋼管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油天然氣的生產(chǎn)運(yùn)輸所使用的油井管和管路，通常使用碳素鋼，低合金鋼材料。 但是，與通常的中性濕潤(rùn)環(huán)境下的腐蝕或大氣腐蝕相比，含較多碳酸氣的石油天然氣腐蝕 速度非?？欤蚨?，對(duì)運(yùn)種高腐蝕性含碳酸氣石油天然氣生產(chǎn)運(yùn)輸用的油井管和管路，通常 在油中添加腐蝕抑制劑、在管路用鋼的材料方面使用耐碳酸腐蝕性優(yōu)良的13%Cr鋼。但一 方面，油中使用的腐蝕性抑制劑對(duì)環(huán)境保護(hù)不利，另一方面，使用不誘鋼材料管路的費(fèi)用高 昂，使用時(shí)間有限，在腐蝕條件不是太過(guò)嚴(yán)酷的環(huán)境下使用，費(fèi)效比會(huì)超出限制。
[0003] 針對(duì)該問(wèn)題，為改善碳酸氣的全面腐蝕和焊接部位的局部腐蝕，在特開(kāi)昭56- 93856號(hào)公報(bào)已明確規(guī)定管路用鋼含化3~12%，含C 0.1%W下。但運(yùn)份公報(bào)所記載發(fā)明 的焊接部位的初性較低。對(duì)該發(fā)明鋼，當(dāng)C含量降低到0.01 % W下時(shí)，在0°C的V形缺口沖擊 測(cè)試中吸收能量低于16kg/mm2(約160JW下），該種鋼材焊接部位初性較低。
[0004] 因此希望開(kāi)發(fā)出可使用于高碳酸氣石油天然氣的碳酸氣腐蝕性環(huán)境，具備良好耐 碳酸氣腐蝕性和焊接部位低溫初性，并且價(jià)格低廉的低合金鋼和使用該種低合金的鋼管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為提高耐碳酸氣腐蝕性而加入適量Cr的同時(shí)，為提高焊接部位的初性而抑 審化和Si的含量，并使C 一 Μη含量或C 一 Μη - Mo含量按特定關(guān)系式平衡。成分包括按規(guī)定含量 的各種低合金鋼，使用該種低合金的鋼管W及運(yùn)種鋼管的制造方法，主要成分如下：
[0006] (1)化學(xué)成分，按質(zhì)量百分比，含有C :0.0035~0.02 %，打：3.0 %~5.0%，Si: 0.1%W下，Mn:0.6~2.0%且該Mn量[T.Mn]W及C量[T.C]的關(guān)系符合[T.Mn]X[T.C]在 0.007~0.03，其他部分為鐵和無(wú)法避免的不純物，按該成分的具有良好耐碳酸氣腐蝕性與 焊接部位初性的低合金鋼。
[0007] (2)此外，按質(zhì)量百分比，還含有A1:0.001~0.20 % W下，N: 0.015 % W下，Ti: 0.001~0.2%，Nb:0.01~0.5%，其它同上述（1)記載的低合金鋼，具有良好耐碳酸氣腐蝕 性與焊接部位初性。
[000引（3)此外，按質(zhì)量百分比，按質(zhì)量百分比，還含有Cu，化其中一種或多種，各成分在 0.01%~1%，且其它成分同上述（1)及(2)記載，W該含量為特征的技術(shù)方案，具有良好耐 碳酸氣腐蝕性與焊接部位初性的低合金鋼。
[0009] (4)此外，按質(zhì)量百分比，還含有 Mo:0.01%-l%，W[T.Mo]，[T.Mn]，[T.C]分別表 示Mo，Mn，C含量，（[T.Mo] + [T.Mn])X[T.C]的數(shù)量范圍為0.007~0.03，且其它成分同上述 (1)至(3)任意一項(xiàng)記載，W該含量為特征的技術(shù)方案，具有良好耐碳酸氣腐蝕性與焊接部 位初性的低合金鋼。
[0010] W上述（1)~(4)任意一項(xiàng)記載的低合金鋼為材料制造的，W此為特征的技術(shù)方 案，具有良好耐碳酸氣腐蝕性與焊接部位初性的低合金鋼管。
[0011] 本發(fā)明應(yīng)用于能源領(lǐng)域，尤其是含碳酸氣石油天然氣的生產(chǎn)運(yùn)輸用的油井管和管 道，或合適作為工廠使用的原料。本發(fā)明目的是開(kāi)發(fā)同時(shí)具備良好的耐碳酸氣腐蝕性和焊 接部位初性的低合金鋼W及使用該種低合金的鋼管，并提供運(yùn)種鋼管的制造方法。
[0012] 對(duì)上述的低合金鋼管道制造方面，鋼巧需按下述工序制造為鋼管，W此為特征的技 術(shù)方案，具有良好耐碳酸氣腐蝕性與焊接部位初性的低合金鋼電縫鋼管制造方法，步驟如下：
[0013] (1)將鋼巧在溫度l〇50°C~1300°C下加熱后，進(jìn)行熱壓延，接著在950°C W下，Ar3 臨界點(diǎn)W上的溫度區(qū)域內(nèi)完成壓下率50% W上的熱壓延，再W20°C/sW上的冷卻速度冷卻 至化00°C W下，然后取出熱社卷的工程操作；
[0014] (2)將上述熱社卷按指定寬度的鋼帶切斷后，連續(xù)成型為圓筒狀，每個(gè)鋼帶兩端焊 接電阻而制造為電縫鋼管的工程操作。
[0015] 根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明 了本發(fā)明的上述W及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 后文將參照附圖W示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。 附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，運(yùn)些 附圖未必是按比例繪制的。附圖中：
[0017] 圖1是表示對(duì)于3%化鋼，C含量與Μη含量關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] W下內(nèi)容說(shuō)明本發(fā)明鋼成分受限制的原因。％表示質(zhì)量％。
[0019] C:碳是提高鋼強(qiáng)度的元素。本發(fā)明中，碳含量增加則焊接部位低溫初性和耐碳酸 氣腐蝕性降低，特別是當(dāng)碳含量超過(guò)0.02%時(shí)，在鋼材回火過(guò)程中從金屬結(jié)晶中析出大量 碳化物導(dǎo)致焊接部位低溫初性惡化且耐碳酸氣腐蝕性降低，因此，碳含量上限定為0.02 %。 按照與儘量與溫度交聯(lián)儘[Τ.Μη]的關(guān)系，發(fā)明人在減少碳含量的同時(shí)，使相應(yīng)儘含量在一 定值W上，找出使其具有良好焊接部低溫初性的配比，最低碳量由相應(yīng)的儘量決定，為防止 初性減低，儘自身的添加量也有限制，因此，碳含量的下限為0.0035%。
[0020] 化:銘是可W有效抑制碳酸氣腐蝕的元素，特別在本發(fā)明所針對(duì)的腐蝕性環(huán)境，溫 度80/C壓力O.lMPaW上的條件下，為得到足夠的耐碳酸氣腐蝕性，銘含量必須在3%W上。 另一方面，若銘含量5% W上，特別是其中混入氧化物的情況下，有可能發(fā)生局部腐蝕。
[0021] Si:娃是同A巧町i 一樣具有脫氧作用的元素，可少量添加。對(duì)于本發(fā)明中需要提高焊接 部位低溫初性的鋼材，娃含量超過(guò)0.1 %則對(duì)提高焊接部位低溫初性不利，因此上限定在0.1 %。
[0022] Μη:儘是可W有效提高低溫初性的元素，需適量添加。對(duì)于本發(fā)明中需要提高焊接 部位低溫初性鋼材，為取得足夠效果，儘含量最低必須在0.6 % W上，另一方面，其含量超出 2%反而會(huì)降低初性，所W，儘的含量定在0.6~2%。此外，其作用效果與碳含量相關(guān)，本發(fā) 明人發(fā)現(xiàn)其關(guān)系為，碳含量低的情況下需提高儘含量，碳含量高的情況下需降低儘的含量， W取得良好的焊接部位低溫初性。因此，對(duì)于碳含量溫度交聯(lián)碳[T.c]與儘含量W及溫度交 聯(lián)車孟[T.Mn](表示質(zhì)量％)，其乘積限制在0.007W上，0.03W下，用關(guān)系式0.007《[T.Mn]X [T.C]《0.03 表示。
[0023] 附圖1表示W(wǎng)3%化鋼為基礎(chǔ)，能夠保持良好焊接部位低溫初性條件下，C含量和Μη含 量的關(guān)系。評(píng)價(jià)試驗(yàn)為:輸入熱量2.化J/mm的MIG焊接實(shí)施后，在切口中央焊縫處，采用2mmV 形缺口沖擊試驗(yàn)片進(jìn)行化arpy沖擊試驗(yàn)。對(duì)于-20°C的化arpy沖擊試驗(yàn)，吸收能量在30JW 上，低溫初性良好則WO表示，吸收能量不滿30J則WX表示。矩形區(qū)域?yàn)樗l(fā)明鋼的基本 成分范圍，并且其中兩條曲線所夾區(qū)域?yàn)楸景l(fā)明鋼的正確成分范圍。矩形外的部分初性不 良，矩形內(nèi)曲線區(qū)域外仍為初性不良，在圖中顯示了本發(fā)明成分區(qū)域內(nèi)初性不良的部分。
[0024] 此外，為提高本發(fā)明的耐腐蝕性或焊接部位初性，可含有W下成分。
[0025] A1:A1與Si和Ti同為具有脫氧作用的元素，為使其效果充分發(fā)揮，A1含量需在 0.001%?上，另一方面，若其含量超過(guò)0.2%，鋼材清凈度降低，低溫初性惡化。因此，添加 A1的情況下，其含量為0.001 %~0.2 %。
[0026] N:N是鋼中殘留的不可避免的不純物質(zhì)。為提高低溫初性，其含量越低越好，特別 是N含量超過(guò)0.015%時(shí)低溫初性顯著惡化，因此含量上限定為0.015%。11，抓:11及抓可^ 有效提高母材的強(qiáng)度，同時(shí)在焊接熱影響區(qū)行形成細(xì)微(Ti，Nb)碳化物，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng) 大，從而提高焊接部位初性。為使其效果充分發(fā)揮，Ti含量需在0.001 % W上，Nb含量需在 0.01 % W上，另一方面，添加過(guò)剩使Ti含量超過(guò)0.2%含量超過(guò)0.5%也會(huì)導(dǎo)致初性惡 化。所W，Ti和佩的含量范圍是，Ti為0.001 %~0.2%，佩為0.01~0.5%。
[0027] 另外，添加1%W下的化，Ni，Mo中的一種或多種元素可增加耐腐蝕層的穩(wěn)定性。單 獨(dú)添加和復(fù)合添加差別不大，需要添加一種或多種W得到相應(yīng)的耐腐蝕性。但是，任何方式 低于0.01 %含量就無(wú)法體現(xiàn)其效果，所W最低含量為0.01 %。對(duì)Mo而言，與Μη同樣，其含量 與C含量相關(guān)，其配比也對(duì)焊接熱影響區(qū)的低溫初性有影響，添加的C量和Μη量的關(guān)系為： ([T.Mn] + [T.Mo])X[T.C]在0.007W上，0.03W下。
[00%]本發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)壓延及澤火回火等熱處理調(diào)整金屬組織，就可W達(dá)到必要的強(qiáng)度- 低溫初性平衡點(diǎn)。而且，使用本發(fā)明鋼的鋼管制造方法，并沒(méi)有特殊限制，無(wú)縫壓延造管方 法，鋼板成型后焊接造管方法等均可使用。使用運(yùn)些方法制造的鋼管，具有良好耐碳酸氣腐 蝕性和氣焊焊接部位初性，此外，有接縫鋼管的縫隙焊接區(qū)域初性也非常優(yōu)良。運(yùn)時(shí)接縫焊 接可W采用電縫焊接，激光焊接等較大輸入熱量的埋弧焊。
[0029] 但是，本發(fā)明鋼的目的希望得到價(jià)格低廉的材料，在各種方法中，特別按W下所述 來(lái)進(jìn)行壓延控制，電縫管制造可W最大發(fā)揮出本發(fā)明的效用。運(yùn)種壓延控制一電縫管制造 方法按如下工序進(jìn)行：
[0030] (1)將鋼巧在溫度l〇5(TC~130(TC下加熱后，進(jìn)行熱壓延，接著在95(TCW下，Ar3 臨界點(diǎn)W上的溫度區(qū)域內(nèi)完成壓下率50% W上的熱壓延，再W20°C/sW上的冷卻速度冷卻 至化00°CW下，然后取出熱社卷；
[0031] (2)將上述熱社卷按指定寬度的鋼帶切斷后，連續(xù)成型為圓筒狀，每個(gè)鋼帶兩端焊 接電阻而制造為電縫鋼管。上述良好具有耐碳酸氣腐蝕型性與強(qiáng)度?低溫初性的本發(fā)明 鋼，可應(yīng)用于對(duì)耐碳酸氣腐蝕性有要求的各種場(chǎng)合。特別可使用于對(duì)耐碳酸氣腐蝕性與焊 接部位低溫初性均有要求的管道，與過(guò)去的材料相比，在降低價(jià)格和提高壽命方面取得顯 著效果。
[0032] 表1表示本發(fā)明鋼及比較鋼的化學(xué)組成，W及耐腐蝕性試驗(yàn)，焊接部位低溫初性實(shí) 驗(yàn)的結(jié)果。耐腐蝕性試驗(yàn)是在溫度80，°C碳酸氣壓力0.4MPa，鹽分濃度5 %的地層水模擬溶 液中進(jìn)行為期兩周的浸潰試驗(yàn)。1)為脫氣到溶氧量濃度lOppbW下的試驗(yàn)，2)為在溶氧量濃 度lOOppb的試驗(yàn)。
[0033] 表 1
[0034]
[0035]
[0036] 耐蝕性1)和耐蝕性2):◎優(yōu)秀Ο良好X差?有局部缺陷
[0037] 焊接部位初性:-20攝氏度下CHARPY沖擊試驗(yàn)吸收的能量OSOGJU上O30-200JX 不足30J
[0038] 表1所示為耐碳酸氣腐蝕性的評(píng)價(jià)結(jié)果:若WCr含量0.01% W下碳素鋼的腐蝕量 為1，腐蝕量0.2W下用◎表示，腐蝕量0.5W下的用〇表示，耐腐蝕性良好但發(fā)生局部腐蝕 的用黑點(diǎn)表示。焊接部位低溫初性的評(píng)價(jià)試驗(yàn)是在輸入熱量2.化J/mm的MIG焊接實(shí)施后，于 切口中央焊線處，采用2mmV形缺口沖擊試驗(yàn)片進(jìn)行的化arpy沖擊試驗(yàn)。表1所示為焊接部位 低溫初性的評(píng)價(jià)結(jié)果:從-20 °C下的化arpy沖擊試驗(yàn)吸收能量測(cè)定結(jié)果來(lái)看，吸收能量200J W上為低溫初性優(yōu)秀，用◎表示，吸收不足30J為低溫初性差，用X表示，中間則用〇表示。
[0039] 編號(hào)1~18的鋼化學(xué)成分在本發(fā)明規(guī)定的范圍內(nèi)，為本發(fā)明鋼，編號(hào)19~23的鋼化 學(xué)成分在規(guī)定范圍外，為比較鋼。本發(fā)明鋼均具有良好的耐腐蝕性和焊接熱影響區(qū)低溫初 性。
[0040] 另一方面，編號(hào)19~22的比較鋼焊接熱影響區(qū)低溫初性均不足，編號(hào)23焊接熱影 響區(qū)低溫初性良好，但耐腐蝕性不足，本發(fā)明鋼具有明顯的優(yōu)越性。此外，按表1中編號(hào)7化 學(xué)成分的150mm厚鋼巧加熱到1250°C，到1100°C時(shí)熱延為16mm，繼續(xù)放冷到900°C時(shí)壓延為 8mm厚，然后直接W30°C/s速度用水冷卻到500°C，取出熱社卷。運(yùn)種熱社卷在冷間成形后， 用高周波焊接電縫焊接管，就可制造出API規(guī)格X65等級(jí)的鋼管。運(yùn)種鋼管氣焊后，在其焊縫 附近采用化a巧y試驗(yàn)片測(cè)定焊接熱影響區(qū)低溫初性的結(jié)果表明，在-20°C溫度下，焊縫任何 位置均可吸收200JW上能量。通過(guò)W上方法，可制造焊接熱影響區(qū)的低溫初性非常高的鋼 管。
[0041] 本發(fā)明具有良好耐碳酸氣腐蝕性，且達(dá)到較好的強(qiáng)度-低溫初性平衡點(diǎn)，焊接部位 低溫初性良好的低合金鋼，對(duì)于高效的能源產(chǎn)業(yè)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)有很大幫助。
[0042] 至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示 例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接 確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn) 定為覆蓋了所有運(yùn)些其他變型或修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低合金鋼，其特征在于，包括如下成分:化學(xué)成分，按質(zhì)量百分比，含有c: 0.0035 ~0.02%，Cr:3.0%~5.0%，Si:0.1% 以下，Μη:0·6~2.0%且該Μη量[T.Mn]以及C量[T.C] 的關(guān)系符合[Τ.Μη] X [T.C]在0.007~0.03，其他部分為鐵和無(wú)法避免的不純物。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼，按質(zhì)量百分比，還含有Α1:0.001~0.20 %以 下，Ν:0·015% 以下，Ti :0.001 ~0.2%，Nb:0.01 ~0.5%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有良好耐碳酸氣腐蝕性和焊接部位韌性的低合金 鋼，按質(zhì)量百分比，還含有Cu，Ni其中一種或多種，各成分在0.01 %~1 %。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的一種低合金鋼，按質(zhì)量百分比，還含有Mo: 0.01 %-1%，以[T.Mo]，[T.Mn]，[T.C]分別表示Mo，Mn，C含量，（[T.Mo] + [T.Mn])X[T.C]的數(shù)量范圍 為0.007~0.03。5. -種以上述權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的低合金鋼為材料制造的具有良好耐碳酸氣 腐蝕性與焊接部位韌性的低合金鋼管。6. -種制造權(quán)利要求5所述一種的低合金鋼管的方法，其特征在于，步驟如下： (1) 將鋼坯在溫度1050°C~1300°C下加熱后，進(jìn)行熱壓延，接著在950°C以下，Ar3臨界 點(diǎn)以上的溫度區(qū)域內(nèi)完成壓下率50%以上的熱壓延，再以20°C/s以上的冷卻速度冷卻到 500°C以下，然后取出熱乳卷的工程操作； (2) 將上述熱乳卷按指定寬度的鋼帶切斷后，連續(xù)成型為圓筒狀，每個(gè)鋼帶兩端焊接電 阻而制造為電縫鋼管的工程操作。
【文檔編號(hào)】C22C38/02GK106011666SQ201610388669
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】張叢
【申請(qǐng)人】深圳市樊溪電子有限公司