一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其製備方法

2023-10-04 15:44:54

一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其製備方法，所含的化學元素組成是：C：0.008-0.02wt%、Si：0.05-0.15wt%、Mn：0.50-0.85wt%、P：0.01wt%以下、S：0.01wt%以下、Mo：0.8-2.0wt%、Al：0.001-0.02wt%、Ni：0.50-1.2wt%、W：0.02-0.08wt%，餘量為Cr和Fe及不可避免的雜質構成，並且其中Cr的含量滿足下述所述不等式的條件：2.4-0.49[Mo]+11.8[C]+12.2[W]≤[Cr]≤3.2-0.57[Mo]+9.8[C]+7.2[W]。本發明所述的鋼材的抗拉強度高於800MPa，並且在高氯離子含量的土壤中，具有優良的耐氯離子致腐蝕應力開裂性能，適用於沿海港口等地區含高氯離子環境下埋地管道用鋼。
【專利說明】一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及適於在包含氯離子等腐蝕性環境的苛刻的腐蝕環境中使用的鋼材。具體地說，本發明涉及沿海地區，例如沿海港口等地區含高氯離子環境下埋地管道用無縫鋼管、電縫鋼管、焊接鋼管等用的鋼材及其製備方法。
【背景技術】
[0002]一直以來，作為埋地管道，例如用於傳輸石油以及天然氣的埋地管道等用的鋼材，一般使用碳素鋼或低合金鋼，然而在沿海地區，由於土壤中氯離子含量較高，其耐腐蝕性不佳。
[0003]為適應海洋環境中鋼鐵材料耐腐蝕性能的需要，現有技術中也開發了一些耐氯子腐蝕的鋼材。例如日本特許專利第334286號公布了一種具有良好焊接性和耐海水性能的高強度鋼及製造方法，該鋼重量百分比組成為:C:0.03~0.10%, S1:0.10~0.60%，Mn:0.40 ~1.50%, Cu:0.20 ~0.60%, Al:0.3 ~2.0%, N1:0.05 ~0.50%, Cr:0.50 ~1.50%,Ti:0.005 ~0.10%,Nb:0.005 ~0.10%,V:0.005 ~0.30%，餘為 Fe 和不可避免的雜質；然而其在高氯離子含量的土壤環境下，腐蝕應力開裂的傾向非常明顯。
[0004]CN1103672A公開了一種適於多溼環境下的耐海水腐蝕鋼及其製造方法，該鋼重量百分比組成為:c < 0.10%, Si < 0.50%, Mn < 1.50%, Cr:0.50 ~3.50%, Al:0.005 ~
0.050%, Ni < 1.50%,Mo <0.80%,T1:0.005 ~0.05%,Nb:0.005 ~0.05%, N:0.0020 ~
0.0120%, RE:0.0015~0.020%，餘為Fe和不可避免的雜質。經常規的鑄造和熱軋後以3~20°C /s的速度加速冷卻 ，在400~600°C時停此該加速冷卻，然後空冷。但其在土壤環境下其耐蝕性也有待改進。
[0005]然而 申請人:發現將上述應用於海水環境的耐腐蝕鋼應用於含高氯離子濃度土壤環境中時，存在整體耐蝕性能差、韌性不足，並且由氯離子引發和導致的應力腐蝕開裂和局部點蝕的現象，將現有技術中的上述鋼材用於沿海港口等地區含高氯離子環境下埋地管道時，將會導致壽命服役期短，並且導致事故頻發。

【發明內容】

[0006]為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明的目的在於提供一種具有足夠抗拉強度和韌性，以及在高氯離子土壤環境下具有優良腐蝕性的管道用鋼及其製備方法。
[0007]本發明的第一方面，涉及一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼，所述的管道用鋼，其所含的化學元素組成是:C:0.008-0.02wt%、S1:0.05-0.15wt%、Mn:0.50-0.85wt%、P:
0.01wt% 以下、S:0.01wt% 以下、Mo:0.8-2.0wt%、Al:0.001-0.02wt%、N1:0.50-1.2wt%、W:
0.02-0.08wt%，餘量為Cr和Fe及不可避免的雜質構成，並且其中的Cr滿足式(I)所述的不等式:2.4-0.49 [Mo]+11.8 [C]+12.2 [W] ^ Cr ^ 3.2-0.57 [Mo]+9.8 [C]+7.2 [W] — (I)。
[0008] 申請人:通過研究發現，合金元素Cr、Mo、W、C合金元素的配比對材料的韌性和土壤環境下，耐氯離子腐蝕的性能有重要影響。在含氯離子的土壤環境中，添加適量的Cr有利於提高其耐蝕性能，而且通過添加適量的Mo可以抑制應力腐蝕，而添加適量的W可以抑制由Cr導致的酸蝕；並且其中的Cr、Mo、W、C只有當成分組合滿足式(I)的配比計量關係，管道用鋼具有的耐氯離子腐蝕能力顯著提高，尤其是抗局部腐蝕以及抑制應力腐蝕開裂傾向明顯。
[0009]本發明的第二方面，還涉及上述耐氯離子腐蝕的管道用鋼的製備方法。
[0010]所述的製備方法包括以下步驟:
[0011]I)冶煉:按上述成分在轉爐或電爐冶煉,再經真空爐二次精煉,燒鑄成鑄還或鑄,定;
[0012]2)加熱:鑄坯再加熱至1150~1200。。，保溫I~2小時;
[0013]3)高壓水除鱗；
[0014]4)粗軋後精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計變形量大於60%，終軋溫度 850 ~900 0C ；
[0015]5)冷卻:熱軋後以5~20°C /s速度層流冷卻至400~600°C後，空冷至於室溫。
[0016]作為優選地，熱軋後的鋼板層流冷卻終止溫度為480°C。
[0017]本發明的耐氯離子腐蝕管道用 鋼，熱軋後的採用層流冷卻，若冷卻速度小於5°C /s，Cr、Mo碳化物易於析出，一定程度上會影響使用的耐腐蝕果。而冷卻速度超過20°C時，鋼的韌性劣化，所以冷卻速度的限定為5~20°C /s範圍內為加佳。冷卻停止溫度超過600°C時，加速冷卻後Cr、Mo等元素碳化物析出，耐腐蝕性效果降低。因此冷卻停止溫度的上限定為600°C。因為當加速冷卻後的冷卻停止溫度小於400°C時，鋼的韌性明顯劣化，所以冷卻停止溫度的下限定作400°C，優選溫度為480°C。
【具體實施方式】
[0018]本發明所述的化學元素組成是:C:0.008-0.02wt%、Si:0.05-0.15wt%、Mn:
0.50-0.85wt%、P:0.005wt% 以下、S:0.01wt% 以下、Mo:0.8-2.0wt%、N1:0.50-1.2wt%、Al:
0.001-0.02wt%、W:0.02-0.08wt%，餘量為Cr和Fe及不可避免的雜質，並且其中的Cr滿足下述不等式:2.4-0.49 [Mo]+11.8 [C]+12.2 [W] ^ Cr ^ 3.2-0.57 [Mo]+9.8 [C]+7.2 [W]。
[0019]其理由具體說明如下:
[0020]C:0.008-0.02wt%
[0021]C雖然是在提高鋼的強度方面固溶強化元素，但為了提高耐氯離子腐蝕性能和焊接性能，C含量越少越有利。但當其含量小於0.008wt%時，由於強度未達到800MPa以上，因此將其含量的下限設為0.008wt%o另一方面，當其含量超過0.02wt%時，回火後的硬度變高，焊接性能將顯著降低。
[0022]Si:0.05-0.15wt%
[0023]Si是作為脫氧劑必需的元素，為了獲得更大的脫氧效果，將其含量設為0.05%以上；但當其含量超過0.15被％時，韌性降低，並且會使熱加工性降低。
[0024]Mn:0.50-0.85wt%
[0025]Mn固溶於鐵素體引起固溶強化作用明顯，而且當其含量控制在0.50-0.85wt%內時還有利於提高對氯離子的抵抗能力。
[0026]P:0.005wt% 以下[0027]P雖然被公認為是提高鋼在海水中有益且廉價的元素，但其惡化焊接的負面作用也特別顯著。而且，發明人還發現在，在含高氯離子濃度的土壤中，P含量維持在
0.01-0.02wt%的水平，對抵抗耐氯離子腐蝕的能力沒有任何意義。因此，在生產條件下許可的情況下應儘量控制到最低含量，將其含量限定在0.005wt%以下。
[0028]S:0.01% 以下
[0029]S是鋼中所含的雜質，其含量儘可能越少越好。尤其是當其含量超過0.01%時，耐腐蝕性及韌性顯著降低。因此，將S的含量設為0.01%以下。
[0030]Cr 和 W:
[0031]在含氯離子的土壤環境中，添加適量的Cr有利於提高其耐蝕性能，而且通過添加適量的Mo可以抑制應力腐蝕，而添加適量的W可以抑制由Cr導致的酸蝕； 申請人:發現通過當 Cr 含量滿足 2.4-0.49 [Mo] +11.8 [C] +12.2 [ff] ^ Cr ^ 3.2-0.57 [Mo] +9.8 [C] +7.2 [W]時，將所述的鋼材埋在含高氯離子土壤環境中，通過目視未發現局部腐蝕以及應力腐蝕開裂；而當Cr含量不滿足上述不等式的關係式，均會導致局部腐蝕和應力腐蝕開裂。
[0032]Mo:0.8-2.0wt%
[0033]Mo有利於提高材料由氯離子導致的應力腐蝕開裂，為了獲得該效果，有必要將其含量限定在0.8wt%以上，而且Mo的加入還有利於提聞鋼材的強度。但當Mo含量聞於
2.0wt%的時候,對焊接性能可能產生負面影響。
[0034]Ni:0.50-1.2wt%
[0035]Ni的添加有利於添加緻密的氧化物有利於提高其耐蝕性能，而且其還有利於改善低溫韌性；但是當其含量低於0.50wt%的時候，改善低溫韌性的作用不明顯；而當其含量高於1.2wt%的時候，改善低溫韌性的效應已經顯著降低，因此從經濟性角度考慮，將Ni的含量限定在1.2wt%以內。
[0036]Al:0.001-0.02wt%
[0037]Al是在熔煉過程中作為脫氧劑使用，而且可以細化晶粒。為了獲得該效果，有必要將其含量設為0.001wt%以上。但是，當其含量超過0.02wt%時，夾雜物變多，耐腐蝕性受到損害。
[0038]上述鋼材的製備方法包括以下步驟:
[0039]1)冶煉:按上述成分在轉爐或電爐冶煉,再經真空爐二次精煉,燒鑄成鑄還或鑄,定;
[0040]2)加熱:鑄坯再加熱至1150~1200°C ，保溫1~2小時;
[0041]3)高壓水除鱗；
[0042]4)粗軋後精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計變形量大於60%，終軋溫度 850 ~900 0C ；
[0043]5)冷卻:熱軋後以5~20°C /s速度層流冷卻至400~600°C後，空冷至於室溫。
[0044]本發明的鋼必須具有所述的化學組成，在滿足所述的情況下，不僅可以將所述的鋼材具有所需的高於SOOMPa的強度，而且具有優良的抗氯離子導致的應力腐蝕開裂問題。
[0045]實施例1-14以及比較例1-4的試驗鋼化學成分如表1所示。為了對比實驗，製作厚度為20mm,寬度為120mm,長度為IOOOmm的鋼板,作為實驗使用。而強度試驗通過圓棒試樣(直徑6.35mm,平行部長度25.4mm)進行，拉伸實驗表明:抗拉強度均大於800MPa。然後製作100_X50_X8mm的試樣進行腐蝕實驗，準備用3.5wt%的鹽水浸泡過並乾燥的土壤，將所述試樣埋藏在1.0m深的土壤中，控制土壤周圍的溫度為5-35°C，時間為I年。然後，測量腐蝕減量，另外利用目視確認實驗片表面是否產生了局部腐蝕和腐蝕裂紋。
[0046]表1
[0047]
【權利要求】
1.一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.008-0.02wt%、Si:0.05-0.15wt%、Mn:0.50-0.85wt%、P:0.01wt% 以下、S:0.01wt% 以下、Mo:0.8-2.0wt%、Al:0.001-0.02wt%、N1:0.50-1.2wt%、W:0.02-0.08wt%,餘量為 Cr 和 Fe 及不可避免的雜質構成，並且其中Cr的含量滿足下述所述不等式的條件:
2.4-0.49 [Mo] +11.8 [C] +12.2 [W] ( [Cr] ( 3.2-0.57 [Mo] +9.8 [C] +7.2 [W]， 其中:[Mo]、[C]、[W]和[Cr]分別表示鋼中Mo、C、W和Cr的質量百分比。
2.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.008wt%> Si:0.10wt%> Mn:0.75wt%> P:0.0020wt%> S:0.0010wt%> Cr:2.32wt%> Mo:1.52wt%、Al:0.005wt%、N1:0.82wt%、W:0.025wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
3.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.010wt%> Si:0.12wt%> Mn:0.68wt%> P:0.0012wt%> S:0.0020wt%> Cr:2.30wt%> Mo:1.65wt%、Al:0.002wt%、N1:0.78wt%、W:0.032wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
4.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.012wt%> Si:0.08wt%> Mn:0.58wt%> P:0.0015wt%> S:0.0016wt%> Cr:2.50wt%> Mo:1.72wt%、Al:0.003wt%、N1:0.68wt%、W:0.052wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
5.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.013wt%、Si:0.07wt%、Mn:0.81wt%、P:0.0022wt%、S:0.0012wt%、Cr:2.91wt%、Mo:1.16wt%、Al:0.004wt%, N1:1.12wt%、W:0.061wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
6.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.012wt%> Si:0.09wt%> Mn:0.85wt%> P:0.0026wt%> S:0.0012wt%> Cr:2.32wt%> Mo:1.92wt%、Al:0.015wt%、N1:0.57wt%、W:0.048wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
7.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.010wt%、Si:0.08wt%、Mn:0.77wt%、P:0.0051wt%、S:0.0008wt%、Cr:2.71wt%、Mo:1.08wt%、Al:0.010wt%、N1:0.51wt%、W:0.039wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
8.根據權利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特徵在於所含的化學元素組成是:C:0.008wt%> Si:0.14wt%> Mn:0.79wt%> P:0.0020wt%> S:0.0012wt%> Cr:2.66wt%> Mo:1.81wt%、Al:0.012wt%、N1:0.72wt%、W:0.075wt%，和 Fe 及不可避免的雜質構成。
9.根據權利要求1-8任一項所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼的製備方法，其特徵在於:製備方法包括以下步驟: O冶煉:按上述成分在轉爐或電爐冶煉，再經真空爐二次精煉，澆鑄成鑄坯或鑄錠； 2)加熱:鑄坯再加熱至1150~1200°C，保溫I~2小時； 3)高壓水除鱗； 4)粗軋後精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計變形量為60~90%，終軋溫度 850 ~900 0C ； 5)冷卻:熱軋後以5~20°C/s速度層流冷卻至400~600°C後，空冷至於室溫。
10.根據權利要求9所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼的製備方法，其特徵在於:熱軋後的鋼板層流冷卻終止溫度為480°C。
【文檔編號】C22C38/44GK103469094SQ201310368061
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】任明欣, 李明賢, 王學倫, 朱國軍, 焦安傑, 張保菊 申請人:日照鋼鐵控股集團有限公司