一種提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的方法
2023-07-01 03:54:56
專利名稱：一種提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的方法
技術領域：
本發明屬於高強度低合金控軋控冷鋼的領域，主要用於提高現有針狀鐵素體管線鋼的抗硫化氫性能。
背景技術：
抗硫化氫管線鋼是輸送酸性石油天然氣管線的重要用鋼，是管線鋼中要求最嚴格、技術水平要求最高的鋼種。發展抗硫化氫管線鋼是當前世界各國都在集中力量進行研究開發的課題。
硫化氫是石油和天然氣中最具腐蝕作用的有害介質之一，嚴重地影響著油氣輸送管線的使用壽命，制約著油氣輸送管線鋼材料的發展。管線鋼在含硫化氫油氣環境中，會發生嚴重的硫化氫開裂現象，導致惡性事故的發生，造成極大的經濟損失。雖然目前在油氣輸送前均已進行淨化處理，但如果處理不善，油氣中硫化氫含量較高時，硫化氫開裂事故仍不可避免。特別是油氣管線向高壓大口徑方向發展在當前已成為管線運輸的一種趨勢的情況下，硫化氫分壓也隨之增大，對鋼管產生硫化氫開裂的可能性也相應增大。國際標準規定硫化氫分壓小於或等於300Pa為甜氣；硫化氫分壓大於300Pa為酸氣，必須對管材提出嚴格的抗H2S開裂要求。對同樣的硫化氫(％，體積分數)，管線操作壓力越高，硫化氫分壓越高，越容易產生硫化氫開裂。以西氣東輸管線工程為例，管線操作壓力為10MPa，從而需要將硫化氫分壓降到0.003％以下，才能滿足所規定的甜氣標準，這是很不容易做到的。在我國，很多油氣田含有硫化氫，特別是在四川，約有70％的氣井所產天然氣中含有硫化氫，含量可高達1％～13％。多數輸送淨化天然氣(即含硫化氫＜20mg/m3)幹線投產後，為滿足用戶對輸氣量的要求，有時不得不把含低硫化氫的天然氣輸入幹線，導致管輸天然氣中的硫化氫含量偏高，最高可達400～500mg/m3，使天然氣中硫化氫分壓達300Pa或更高，具備硫化氫開裂條件。
當前，隨著對石油、天然氣需求的加大，發展更高強度級別的管線鋼變得更為迫切。隨著強度級別的提高，對抗硫化氫性能的要求也愈來愈高。研究表明，X60～X80強度級別的管線鋼對氫脆斷裂很敏感，而絕大多數情況下管線鋼的氫脆和硫化氫是相互關聯的，強度級別越高，對氫脆越敏感，抗硫化氫性能越低。因此，在提高管線鋼強度級別的同時，必須兼顧其抗硫化氫性能。
針狀鐵素體管線鋼主要指含碳量小於0.1％的Mn-Nb-Mo(Ti)系高強度管線鋼，強度級別範圍可覆蓋X60-X90，且在向低碳和超低碳方向發展，其組織狀態通常為針狀鐵素體+少量的(準)多邊形鐵素體+極少量的珠光體+M/A組元。與傳統的鐵素體—珠光體和少珠光體管線鋼相比，針狀鐵素體管線鋼的軋制生產工藝的最大特點是冷卻速度相對比較高，並且，針狀鐵素體管線鋼具有優良的強韌性能、焊接性能、抗硫化氫性能和低的包辛格效應。當前我國西氣東輸管線用鋼的顯微組織已確定為針狀鐵素體為主的組織，預計在未來的十年內，針狀鐵素體管線鋼的研製與生產將在我國大口徑高壓天然氣輸送管線建設中佔有主導地位。
發明的技術內容本發明的目的在於，在不改變現有針狀鐵素體管線鋼化學成分和軋制生產工藝的前提下，通過一種簡單的時效熱處理，充分發揮鋼中微合金碳氮化物析出相的沉澱效果，提高其抗硫化氫性能。
本發明提供了一種提高現有針狀鐵素體管線鋼強度的方法，其特徵在於在現有管線鋼軋制生產過程後，增加一析出時效熱處理過程，熱處理溫度為550～650℃，保溫時間1～20小時。
本發明提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫性能的方法中，所述增加的析出時效熱處理過程可以在現有的管線鋼軋制生產過程的後段，溫度降至550～650℃時直接進行；也可以在現有的管線鋼軋制生產過程完成後，再重新加熱到550～650℃進行。
本發明只需在現有針狀鐵素體管線鋼軋制生產線的後段添加簡單的熱處理裝置(有些鋼廠的生產線後段已具備類似的熱處理裝置)，通過簡單的熱處理，就能夠使其抗硫化氫性能提高，並且強度也得到提高，而韌性基本保持不變。並不需要刻意追求通過化學成分設計、軋制生產工藝及原有軋制設備的改造來實現高強度級別抗硫化氫針狀鐵素體管線鋼的生產。
採用該熱處理工藝的依據是管線鋼中的微合金元素諸如Nb、V、Ti都有一個重要特徵，就是與鋼中的C、N元素形成微合金碳氮化合物，在熱軋或軋後的冷卻過程中，在鐵素體中以第二相形式彌散析出，特別是在600℃左右的溫度範圍內，能夠從過飽和固溶體中形成極細的、與鐵素體部分相容的析出相。這類析出相能夠捕獲氫而使之不能參與氫的擴散和富積過程，由於這類析出相細小而彌散分布於材料中，為氫的重新分布提供了眾多的位置，有助於避免在局部區域產生很高的氫富集，從而在一定程度上阻止或延緩硫化氫開裂的發生，起到有利的氫陷阱作用。而在管線鋼用於軋制板卷或板材的生產過程中，通常，對於板卷採用軋後冷卻至卷取溫度進行卷取，對於板材採用軋後冷卻至一定的溫度後自然冷卻，由於針狀鐵素體管線鋼軋後要求的控制冷卻速度相對比較高，微合金化元素的碳氮化合物的析出潛力沒有完全發揮出來。本發明中所添加的保溫過程就是利用這一原理，使這些微合金元素的碳氮化合物在保溫過程中充分析出，進一步發揮其彌散析出的效果。在本熱處理工藝下，除了抗硫化氫性能提高外，強度也提高，韌性降低不明顯甚至並不降低。強度提高的原因在於添加的保溫過程使析出相充分析出，析出相阻礙位錯移動，從而提高屈服極限，導致產生充分的析出強化效果。韌性基本保持不變的原因在於添加的保溫過程使組織更加均勻化、組織中形成亞晶和島狀馬氏體回火，在一定程度上改善了韌性。
本發明條件下生產的針狀鐵素體管線鋼與現有條件下生產的相同材料相比具有如下優點本發明條件下生產的針狀鐵素體管線鋼具有更優良的抗硫化氫性能，更高的強度，且韌性基本保持不變，顯微組織更加均勻，組織形態也基本不變。
圖1為實施例管線鋼軋態試樣按NACE TM0177-96標準中的Method A所獲得的的硫化氫開裂時間隨外加應力的變化，門檻應力445MPa；圖2為實施例管線鋼時效態試樣按NACE TM0177-96標準中的Method A所獲得的的硫化氫開裂時間隨外加應力的變化，門檻應力492MPa；圖3為實施例管線鋼的軋態試樣組織特徵—針狀鐵素體，20μm；圖4為實施例管線鋼的軋態試樣組織特徵—針狀鐵素體，0.5μm；圖5為實施例管線鋼的時效態試樣的組織特徵—針狀鐵素體，20μm；；圖6為實施例管線鋼的時效態試樣的組織特徵—針狀鐵素體，1μm。
具體實施例方式
實施例針對一種商業用針狀鐵素體管線鋼的軋制板材(板厚14.6mm)，化學成分見表1，在熱處理爐中重新加熱到600℃，然後在這個溫度下保溫10小時，保溫結束後出爐空冷。處理前後板材的抗硫化氫性能分別見表2和圖1、2，力學性能見表3，顯微組織見圖3、4、5、6。抗硫化氫性能得到改善，強度級別得到提高，組織中顯微帶狀結構基本清除，組織變得更加均勻，但組織形態在處理前後不變，仍為針狀鐵素體。
表1、實施例管線鋼的化學成分(wt％)C Si Mn NbVTi Mo Cr CuAl NiS P O N0.037 0.247 1.58 0.052 0.03 0.018 0.19 0.02 0.22 0.033 0.13 0.0007 0.011 0.0032 0.0028表2實施例管線鋼的軋態試樣和時效態試樣按NACE TM0177-96標準中的Method B所獲得的的硫化氫開裂實驗結果(室溫，200小時)名義應力 軋態 時效態(600℃保溫10小時)MPa 試樣總數 開裂試樣數 試樣總數 開裂試樣數700 20 2 0770 30 3 0840 32 3 01000 33 3 01050 22 2 11260 22 2 2Sc，MPa 861 1109表3、熱處理前後板材的力學性能
注夏比衝擊試樣為全尺寸試樣，所有試樣都沒有衝斷。
權利要求
1.一種提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的方法，其特徵在於在現有管線鋼軋制生產過程後，增加一析出時效熱處理過程，熱處理溫度為550～650℃，保溫時間1～20小時。
2.按照權利要求1所述提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的方法，其特徵在於所述增加的析出時效熱處理過程在現有的管線鋼軋制過程的後段，溫度降至550～650℃時直接進行。
3.按照權利要求1所述提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的方法，其特徵在於所述增加的析出時效熱處理過程在現有的管線鋼軋制過程完成後，再重新加熱到550～650℃進行。
全文摘要
一種提高現有針狀鐵素體管線鋼抗硫化氫的熱處理工藝，其特徵在於在軋制生產過程中，當針狀鐵素體管線鋼冷卻到550～650℃時，在此溫度範圍保溫1～10小時，除了添加這一保溫過程外，其他工藝條件均不改變。本發明條件下生產的針狀鐵素體管線鋼相對現有條件下生產的相同材料，具有更優良的抗硫化氫性能和更高的強度，且韌性基本保持不變，顯微組織更加均勻，組織形態也基本不變。
文檔編號C21D8/10GK1626688SQ200310119050
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月12日 優先權日2003年12月12日
發明者趙明純, 楊柯, 單以銀 申請人:中國科學院金屬研究所