高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法，第一，所述应力环由高合金不锈钢材料制成；第二，所述应力环材料经生产工艺流程制得所要求的强度和制作应力环所需坯料尺寸要求；第三，对坯料进行机械加工，生产出应力环产品，应力环为整体无焊接结构；第四，将应力环置于可调节温度的恒温箱中，利用压力机施力于上压块，使应力环发生位移，通过所施加的力值不同，测量得到不同的应力环位移，从而得到在不同温度下的力-位移曲线，并且满足在不同温度下，力-位移曲线为线性，其线性度要大于0.98。本发明的制造方法制成的应力环能满足模拟实际工况条件的检验要求，同时也充分利用了现有的设备，能节约大量费用。
【专利说明】高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在高温、高压和有毒有害气体环境下的恒载荷应力环制造方法。【背景技术】
[0002]目前，石油、化工、医药等行业在生产过程中会大量使用或产生高温高压H2S、SO2,Cl2、CS2、CO等有毒有害气体或含有这些有毒气体的液体，而生产、贮存或传输这些介质所需的罐、槽、管、板等金属材料在压力的作用下有可能会发生应力腐蚀开裂。此类开裂往往是在远低于材料屈服强度且没有预兆的情况下突然发生，使得有毒有害气体失控外溢，对环境对人员带来非常大的危害，因此需要对这些罐、槽、管、板所用金属材料进行实际环境下的适用性检验，在确保安全的前提下才能将这些材料应用于实际工程。为研制或评估这些抗有毒有害气体材料，需要在实验室模拟工况条件下进行试验。
[0003]为开发与有毒有害气体相接触的低合金结构钢金属新产品，如抗硫化氢油井管，目前都按国际通用的NACE TM 0177的A、B、C、D四种方法进行检验，这四种方法各有特点，但就模拟性和可操作性来讲，最常用的是A方法。A方法是在常温常压环境下的恒载荷试验，是目前油田用户最可接受的方法，检验周期为720小时，检验装置参见图1，其原理是利用应力环37的变形所产生的反作用力加载在试样上。
[0004]但是，油井管的实际服役条件远非如此，往往是在高温高压的条件下服役，这就提出了产品在实际工况条件下的适用性检验要求。为达到这一目标，目前国内外采取的应对措施是:如图1所示，将试验槽35及其配件都换成能够承压的耐温耐腐蚀的高合金材料，并且需附加一套增压和恒温装置。标准规定一次检验需3根试样，换言之，须配备3个应力环与之相对应，因为一只应力环只能进行一根试样的检验，由于试验周期为720小时(一个月)，根据目前对国内外生产企业和研究单位的调查可知，配备至少15组(45台)以上的环，如国内某油井管生产企业配备了 86组(258台)环才勉强维持正常的生产和科研的需要，而每组环目前的价格都在20万美元以上，这样的价格为一般单位所不能承受，正是由于此原因，到目前为止，模拟实际工况条件下的恒载荷检验还没有找到很好地解决方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法，该制造方法制成的应力环能满足模拟实际工况条件的检验要求，同时也充分利用了现有的设备，能节约大量费用。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法，
第一，所述应力环由高合金不锈钢材料制成；
第二，所述应力环材料的生产工艺流程为:I)电炉冶炼，得到所述高合金不锈钢材料目标成分；2)电渣重熔，得到纯净钢和控制钢中的夹杂物数量、分布和形态；3)锻造，得到穿孔所需的形状和尺寸；4)热轧穿孔，荒管成型；5)热处理，控制材料中析出相；6)冷轧，控制变形量，得到要求的强度和制作应力环所需坯料尺寸要求；
第三，对坯料进行机械加工，生产出应力环产品，应力环为整体无焊接结构；
第四，将应力环置于可调节温度的恒温箱中，利用压力机施力于上压块，使应力环发生位移，通过所施加的力值不同，测量得到不同的应力环位移，从而得到在不同温度下的力-位移曲线，并且满足在不同温度下，力-位移曲线为线性，其线性度要大于0.98。
[0007]所述高合金不锈钢材料的主要成分以质量百分比计包括:C:0.01-0.05、Mn:0.2-2.0、P: ￡0.03、S: ￡0.01、Cr:15-25, Mo:5-15, ff:0.3-5、N1:50-60, N:0.0005-0.2、Cu:l-5, Co:0.3-5、Al:0.01-0.20，余量为铁和不可避免杂质。所述高合金不锈钢材料的主要成分还包括:V、T1、Ca、B 一种或一种以上的元素，其中V:0.01-0.3、T1:0.01-0.70、Β:0.0001-0.015、Ca:0.001-0.01。
[0008]所述应力环产品尺寸为:厚度5-35臟、内径40-100mm、壁厚5_15mm。
[0009]本发明的制造方法制成的应力环是根据已知的最为苛刻的井况条件:PH2S ( 12MPa,PC02 ( 8MPa、Cr ( 250g/L、含有单质硫、温度≤150°C，在此条件下，应力环材料采用一种高合金不锈钢材料，其主要化学成分作用如下:
C:含有过多的C时，M23C6型碳化物的量显著增加，合金的延伸性和韧性降低，恶化材料的加工和使用性能；本发明的应力环材料C含量为0.01-0.05% ；
Mn:加入适当的Mn可以提高材料的强度,但过多的Mn会使材料发生成分偏析,导致产品性能具有方向性，最终使得材料受到不均腐蚀，导致失效，本发明的应力环材料Mn含量为 0.2-2.0% ；
P: P通常不可避免地混入进来的杂质，通常，当在合金中含有较多的P时，材料的加工性能、耐腐蚀性会显著劣化；本发明的应力环材料P含量为小于等于0.03% ；
S: S也是不可避免地混入进来的杂质，通常，当在合金中含有较多的S时，材料的加工性能、耐腐蚀性会显著劣化；本发明的应力环材料S含量为小于等于0.01% ；
Cr =Cr和W具有使合金耐腐蚀性和强度提高的作用，在Cr为15%以上时，可显著得到上述效果。但是当Cr含量超过25%时，合金的加工性能降低。本发明的应力环材料Cr含量为 15-25% ；
Mo: Mo都具有在与Cr的共存下提高合金强度的作用，具有显著提高耐腐蚀性、特别是提高耐点腐蚀性的作用。但是当Mo含量超过15%时，会导致材料的延展性和韧性等机械性能的大为减低；本发明的应力环材料Mo含量为5-15% ；
W:W具有在与Cr的共存下提高合金强度的作用，具有显著提高耐腐蚀性、特别是提高耐点腐蚀性的作用。但是当W含量超过5%时，会导致材料的延展性和韧性等机械性能的大为减低；本发明的应力环材料W含量为0.3-5% ；
N1: Ni具有使奥氏体的基体稳定化的作用，其目的是为了 Ni合金中含有大量的Cr、Mo等具有强化作用与耐腐蚀作用的元素所必须的元素。此外，Ni抑制生成σ相的作用。在Ni的含量超过40%以上时能容易地得到上述各作用；另一方面，大量过多地添加Ni会导致合金成本的过度上升，同时也会造成性能的过剩，产生不必要的浪费现象。本发明的应力环材料Ni含量为50-60% ；
N:N具有合金析出强化的作用，但过多的N会使材料脆化，及致材料的延展性和韧性等机械性能的大为减低；本发明的应力环材料N含量为0.0005-0.2% ；Cu: Cu是有效提高在酸气环境下的耐腐蚀性的元素，特别是在确认为S为单质的酸气 环境下，与Cr、Mo和W共存而具有大为提高耐腐蚀性的作用。在Cu含量为1-5%时可以得 到上述效果，但是过多的添加Cu会使材料的延展性和韧性减低，影响材料的加工性和机械 性能；本发明的应力环材料Cu含量为1-5% ；
Co:添加Co，则具有使奥氏体稳定化的作用。为了可靠地得到上述效果，优选Co为 0. 3%以上的含量。但是，大量添加Co会导致合金成本的过度上升，因此本发明的应力环材 料Co含量为0. 3-5% ；
A1:铝可以细化材料晶粒，提高材料的冲击和拉伸强度，但过多的A1会在材料中形 成夹杂，将降低材料耐腐蚀性能和抗硫硫化氢性能，因此本发明的应力环材料A1含量为 0. 01-0. 20% ；
其他元素：适当添加V、Ti、Ca、B —种或一种以上的元素，其中V:0. 01-0. 3%、Ti ： 0. 01-0. 70%、B:0. 0001-0. 015%、Ca ：0. 001-0. 01%。
[0010]由于应力环需对试样加载及应力环装置本身也受到试样的反作用力，因此应力环 必须具备一定的力学强度才能胜任对试样的检验工作。当然也必须具备耐硫化氢应力腐蚀 开裂性能。根据NACE TM0177标准、NACE MR0175标准、当今世界含硫油气井的实际情况条 件，可以得到应力环的屈服强度要求范围为：827-930MPa，抗拉强度≤870MPa。
[0011]基于上述的强度和必须具备的抗硫氢应力腐蚀开裂要求，提出了制作应力环坯料 的生产工艺流程：即：电炉冶炼，得到目标成分；电渣重熔，得到纯净钢和控制钢中的夹杂 物数量、分布和形态；锻造，得到穿孔所需的形状和尺寸；热轧穿孔，荒管成型；热处理，控 制材料中析出相；冷轧，控制变形量，得到要求的强度和制作应力环所需坯料尺寸要求。
[0012]应力环结构和尺寸设计的原则是：外形尺寸要小，形状要合理，加载操作要方便， 同时能方便地将尽量多的应力环放置到高压釜内，以提高工作效率。同时确保抗硫试样的 尺寸满足NACE TM0177-A法要求，抗硫试样参见图2。
[0013]本发明的应力环是经过对应力环坯料进行机械加工后，生产出应力环产品。应力 环产品尺寸为：应力环厚度5-35mm、内径40-100mm、壁厚5-15mm。应力环为整体无焊接结 构，一方面避免了应力环焊接结构可能带来的一些缺陷，另一方面可以使应力环加载力均 匀、稳定，能够确保试验过程中，试样受到的载荷恒定。
[0014]利用应力环的变形位移力来实现对试样的恒载荷加载，如应力环位移小，则加载 力精度差；如应力环位移大，则易使应力环产生塑性变形，造成试验数据不正确。因此应力 环位移的控制与应力环的化学成分、强度、形状、各项尺寸等都有很大的关联。
[0015]本发明制作的恒载荷应力环，其体积小，耐腐蚀、高温和高压，可以将多组应力环 同时放入到高压釜内，这样既可满足模拟实际工况条件的检验要求，同时也充分利用了现 有的设备，节约大量的费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为现有的常温常压恒载荷试验装置示意图；
图2为NACE TM0177恒载荷试样示意图；
图3为应力环计量装置示意图；
图4为25°C应力环力-位移计量曲线；图5为100°C应力环力-位移计量曲线；
图6为150°C应力环力-位移计量曲线；
图7为205°C应力环力-位移计量曲线；
图8为本发明的应力环恒载荷试样加载示意图。
[0017]图中:I加载螺杆，2加载螺母，3应力环，4过渡螺母，5试样，6下螺母；21上压块，22上计量杆，23下计量杆，24恒温箱，25下压块；31加载螺杆，32加载螺母，33上连接螺母，34试样，35试验槽，36下连接螺母，37应力环，38托架，39千分表。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0019]1、本发明实施例编号为I至3的应力环材料的化学成分如表1所示。
[0020]表1 应力环材料的化学成分
【权利要求】
1.一种高温高压含有毒有害气体环境用恒载荷应力环制造方法，其特征是: 第一，所述应力环由高合金不锈钢材料制成； 第二，所述应力环材料的生产工艺流程为:I)电炉冶炼，得到所述高合金不锈钢材料目标成分；2)电渣重熔，得到纯净钢和控制钢中的夹杂物数量、分布和形态；3)锻造，得到穿孔所需的形状和尺寸；4)热轧穿孔，荒管成型；5)热处理，控制材料中析出相；6)冷轧，控制变形量，得到要求的强度和制作应力环所需坯料尺寸要求； 第三，对坯料进行机械加工，生产出应力环产品，应力环为整体无焊接结构； 第四，将应力环置于可调节温度的恒温箱中，利用压力机施力于上压块，使应力环发生位移，通过所施加的力值不同，测量得到不同的应力环位移，从而得到在不同温度下的力-位移曲线，并且满足在不同温度下，力-位移曲线为线性，其线性度要大于0.98。
2.根据权利要求1所述的恒载荷应力环制造方法，其特征是:所述高合金不锈钢材料的主要成分以质量百分比计包括:C:0.01-0.05、Mn:0.2-2.0、P: ￡0.03、S: ￡0.0U Cr:15-25,Mo:5-15,ff:0.3-5,N1:50-60,N:0.0005-0.2,Cu: 1-5,Co:0.3_5、A1:0.01-0.20，余量为铁和不可避免杂质。
3.根据权利要求2所述的恒载荷应力环制造方法，其特征是:所述高合金不锈钢材料的主要成分还包括:V、T1、Ca、B —种或一种以上的元素，其中V:0.01-0.3、T1:0.01-0.70、Β:0.0001-0.015、Ca:0.001-0.01。
4.根据权利要求1所述的恒载荷应力环制造方法，其特征是:所述应力环产品尺寸为:厚度 5_35mm、内径 40-100_、壁厚 5_15mm。
【文档编号】C21D8/00GK103506809SQ201210216798
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】郭金宝, 杨建强 申请人:宝山钢铁股份有限公司