一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼及其制備方法，所含的化學(xué)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%，余量為Cr和Fe及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且其中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(fā)明所述的鋼材的抗拉強(qiáng)度高于800MPa，并且在高氯離子含量的土壤中，具有優(yōu)良的耐氯離子致腐蝕應(yīng)力開裂性能，適用于沿海港口等地區(qū)含高氯離子環(huán)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制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及適于在包含氯離子等腐蝕性環(huán)境的苛刻的腐蝕環(huán)境中使用的鋼材。具體地說，本發(fā)明涉及沿海地區(qū)，例如沿海港口等地區(qū)含高氯離子環(huán)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制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，作為埋地管道，例如用于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(qū)，由于土壤中氯離子含量較高，其耐腐蝕性不佳。
[0003]為適應(yīng)海洋環(huán)境中鋼鐵材料耐腐蝕性能的需要，現(xiàn)有技術(shù)中也開發(fā)了一些耐氯子腐蝕的鋼材。例如日本特許專利第334286號(hào)公布了一種具有良好焊接性和耐海水性能的高強(qiáng)度鋼及制造方法，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%，余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)；然而其在高氯離子含量的土壤環(huán)境下，腐蝕應(yīng)力開裂的傾向非常明顯。
[0004]CN1103672A公開了一種適于多濕環(huán)境下的耐海水腐蝕鋼及其制造方法，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%，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。經(jīng)常規(guī)的鑄造和熱軋后以3~20°C /s的速度加速冷卻 ，在400~600°C時(shí)停此該加速冷卻，然后空冷。但其在土壤環(huán)境下其耐蝕性也有待改進(jìn)。
[0005]然而 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)將上述應(yīng)用于海水環(huán)境的耐腐蝕鋼應(yīng)用于含高氯離子濃度土壤環(huán)境中時(shí)，存在整體耐蝕性能差、韌性不足，并且由氯離子引發(fā)和導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂和局部點(diǎn)蝕的現(xiàn)象，將現(xiàn)有技術(shù)中的上述鋼材用于沿海港口等地區(qū)含高氯離子環(huán)境下埋地管道時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致壽命服役期短，并且導(dǎo)致事故頻發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有足夠抗拉強(qiáng)度和韌性，以及在高氯離子土壤環(huán)境下具有優(yōu)良腐蝕性的管道用鋼及其制備方法。
[0007]本發(fā)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(xué)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%，余量為Cr和Fe及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且其中的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(qǐng)人:通過研究發(fā)現(xiàn)，合金元素Cr、Mo、W、C合金元素的配比對(duì)材料的韌性和土壤環(huán)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(huán)境中，添加適量的Cr有利于提高其耐蝕性能，而且通過添加適量的Mo可以抑制應(yīng)力腐蝕，而添加適量的W可以抑制由Cr導(dǎo)致的酸蝕；并且其中的Cr、Mo、W、C只有當(dāng)成分組合滿足式(I)的配比計(jì)量關(guān)系，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(yīng)力腐蝕開裂傾向明顯。
[0009]本發(fā)明的第二方面，還涉及上述耐氯離子腐蝕的管道用鋼的制備方法。
[0010]所述的制備方法包括以下步驟:
[0011]I)冶煉:按上述成分在轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉,再經(jīng)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(shí);
[0013]3)高壓水除鱗；
[0014]4)粗軋后精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計(jì)變形量大于60%，終軋溫度 850 ~900 0C ；
[0015]5)冷卻:熱軋后以5~20°C /s速度層流冷卻至400~600°C后，空冷至于室溫。
[0016]作為優(yōu)選地，熱軋后的鋼板層流冷卻終止溫度為480°C。
[0017]本發(fā)明的耐氯離子腐蝕管道用 鋼，熱軋后的采用層流冷卻，若冷卻速度小于5°C /s，Cr、Mo碳化物易于析出，一定程度上會(huì)影響使用的耐腐蝕果。而冷卻速度超過20°C時(shí)，鋼的韌性劣化，所以冷卻速度的限定為5~20°C /s范圍內(nèi)為加佳。冷卻停止溫度超過600°C時(shí)，加速冷卻后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?yàn)楫?dāng)加速冷卻后的冷卻停止溫度小于400°C時(shí)，鋼的韌性明顯劣化，所以冷卻停止溫度的下限定作400°C，優(yōu)選溫度為480°C。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明所述的化學(xué)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%，余量為Cr和Fe及不可避免的雜質(zhì)，并且其中的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(qiáng)度方面固溶強(qiáng)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(dāng)其含量小于0.008wt%時(shí)，由于強(qiáng)度未達(dá)到800MPa以上，因此將其含量的下限設(shè)為0.008wt%o另一方面，當(dāng)其含量超過0.02wt%時(shí)，回火后的硬度變高，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(shè)為0.05%以上；但當(dāng)其含量超過0.15被％時(shí)，韌性降低，并且會(huì)使熱加工性降低。
[0024]Mn:0.50-0.85wt%
[0025]Mn固溶于鐵素體引起固溶強(qiáng)化作用明顯，而且當(dāng)其含量控制在0.50-0.85wt%內(nèi)時(shí)還有利于提高對(duì)氯離子的抵抗能力。
[0026]P:0.005wt% 以下[0027]P雖然被公認(rèn)為是提高鋼在海水中有益且廉價(jià)的元素，但其惡化焊接的負(fù)面作用也特別顯著。而且，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)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(duì)抵抗耐氯離子腐蝕的能力沒有任何意義。因此，在生產(chǎn)條件下許可的情況下應(yīng)盡量控制到最低含量，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(zhì)，其含量盡可能越少越好。尤其是當(dāng)其含量超過0.01%時(shí)，耐腐蝕性及韌性顯著降低。因此，將S的含量設(shè)為0.01%以下。
[0030]Cr 和 W:
[0031]在含氯離子的土壤環(huán)境中，添加適量的Cr有利于提高其耐蝕性能，而且通過添加適量的Mo可以抑制應(yīng)力腐蝕，而添加適量的W可以抑制由Cr導(dǎo)致的酸蝕； 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)通過當(dāng) 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(shí)，將所述的鋼材埋在含高氯離子土壤環(huán)境中，通過目視未發(fā)現(xiàn)局部腐蝕以及應(yīng)力腐蝕開裂；而當(dāng)Cr含量不滿足上述不等式的關(guān)系式，均會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。
[0032]Mo:0.8-2.0wt%
[0033]Mo有利于提高材料由氯離子導(dǎo)致的應(yīng)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的加入還有利于提聞鋼材的強(qiáng)度。但當(dāng)Mo含量聞?dòng)?br> 2.0wt%的時(shí)候,對(duì)焊接性能可能產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0034]Ni:0.50-1.2wt%
[0035]Ni的添加有利于添加致密的氧化物有利于提高其耐蝕性能，而且其還有利于改善低溫韌性；但是當(dāng)其含量低于0.50wt%的時(shí)候，改善低溫韌性的作用不明顯；而當(dāng)其含量高于1.2wt%的時(shí)候，改善低溫韌性的效應(yīng)已經(jīng)顯著降低，因此從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，將Ni的含量限定在1.2wt%以內(nèi)。
[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(xì)化晶粒。為了獲得該效果，有必要將其含量設(shè)為0.001wt%以上。但是，當(dāng)其含量超過0.02wt%時(shí)，夾雜物變多，耐腐蝕性受到損害。
[0038]上述鋼材的制備方法包括以下步驟:
[0039]1)冶煉:按上述成分在轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉,再經(jīng)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(shí);
[0041]3)高壓水除鱗；
[0042]4)粗軋后精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計(jì)變形量大于60%，終軋溫度 850 ~900 0C ；
[0043]5)冷卻:熱軋后以5~20°C /s速度層流冷卻至400~600°C后，空冷至于室溫。
[0044]本發(fā)明的鋼必須具有所述的化學(xué)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于SOOMPa的強(qiáng)度，而且具有優(yōu)良的抗氯離子導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂問題。
[0045]實(shí)施例1-14以及比較例1-4的試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1所示。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，制作厚度為20mm,寬度為120mm,長(zhǎng)度為IOOOmm的鋼板,作為實(shí)驗(yàn)使用。而強(qiáng)度試驗(yàn)通過圓棒試樣(直徑6.35mm,平行部長(zhǎng)度25.4mm)進(jìn)行，拉伸實(shí)驗(yàn)表明:抗拉強(qiáng)度均大于800MPa。然后制作100_X50_X8mm的試樣進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備用3.5wt%的鹽水浸泡過并干燥的土壤，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(shí)間為I年。然后，測(cè)量腐蝕減量，另外利用目視確認(rèn)實(shí)驗(yàn)片表面是否產(chǎn)生了局部腐蝕和腐蝕裂紋。
[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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%,余量為 Cr 和 Fe 及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且其中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(zhì)量百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼，其特征在于所含的化學(xué)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(zhì)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼的制備方法，其特征在于:制備方法包括以下步驟: O冶煉:按上述成分在轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)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(shí)； 3)高壓水除鱗； 4)粗軋后精軋，開軋溫度1120~1180°C，1000°C以上累計(jì)變形量為60~90%，終軋溫度 850 ~900 0C ； 5)冷卻:熱軋后以5~20°C/s速度層流冷卻至400~600°C后，空冷至于室溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的耐氯離子腐蝕的管道用鋼的制備方法，其特征在于:熱軋后的鋼板層流冷卻終止溫度為480°C。
【文檔編號(hào)】C22C38/44GK103469094SQ201310368061
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】任明欣, 李明賢, 王學(xué)倫, 朱國(guó)軍, 焦安杰, 張保菊 申請(qǐng)人:日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司