一种低合金钢、钢管及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有良好耐碳酸气腐蚀性和焊接部位韧性的低合金钢，包括如下成分：化学成分，按质量百分比，含有C：0.0035～0.02％，Cr：3.0％～5.0％，Si：0.1％以下，Mn：0.6～2.0％且该Mn量[T.Mn]以及C量[T.C]的关系符合[T.Mn]×[T.C]在0.007～0.03，其他部分为铁和无法避免的不纯物。还提供了一种以低合金钢为材料制造的具有良好耐碳酸气腐蚀性与焊接部位韧性的低合金钢管由具有良好耐碳酸气腐蚀性和焊接部位韧性的低合金钢制成的钢管及其制造方法。
【专利说明】
-种低合金钢、钢管及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明设及用于能源领域的石油天然气输送管路，特别是设及用于含有碳酸气的 石油天然气环境，具备良好的耐碳酸气腐蚀性和焊接部位初性的低合金钢，W及使用该合 金的低合金钢管及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 石油天然气的生产运输所使用的油井管和管路，通常使用碳素钢，低合金钢材料。 但是，与通常的中性湿润环境下的腐蚀或大气腐蚀相比，含较多碳酸气的石油天然气腐蚀 速度非常快，因而，对运种高腐蚀性含碳酸气石油天然气生产运输用的油井管和管路，通常 在油中添加腐蚀抑制剂、在管路用钢的材料方面使用耐碳酸腐蚀性优良的13%Cr钢。但一 方面，油中使用的腐蚀性抑制剂对环境保护不利，另一方面，使用不诱钢材料管路的费用高 昂，使用时间有限，在腐蚀条件不是太过严酷的环境下使用，费效比会超出限制。
[0003] 针对该问题，为改善碳酸气的全面腐蚀和焊接部位的局部腐蚀，在特开昭56- 93856号公报已明确规定管路用钢含化3~12%，含C 0.1%W下。但运份公报所记载发明 的焊接部位的初性较低。对该发明钢，当C含量降低到0.01 % W下时，在0°C的V形缺口冲击 测试中吸收能量低于16kg/mm2(约160JW下），该种钢材焊接部位初性较低。
[0004] 因此希望开发出可使用于高碳酸气石油天然气的碳酸气腐蚀性环境，具备良好耐 碳酸气腐蚀性和焊接部位低溫初性，并且价格低廉的低合金钢和使用该种低合金的钢管。
【发明内容】
[0005] 本发明为提高耐碳酸气腐蚀性而加入适量Cr的同时，为提高焊接部位的初性而抑 审化和Si的含量，并使C 一 Μη含量或C 一 Μη - Mo含量按特定关系式平衡。成分包括按规定含量 的各种低合金钢，使用该种低合金的钢管W及运种钢管的制造方法，主要成分如下：
[0006] (1)化学成分，按质量百分比，含有C :0.0035~0.02 %，打：3.0 %~5.0%，Si: 0.1%W下，Mn:0.6~2.0%且该Mn量[T.Mn]W及C量[T.C]的关系符合[T.Mn]X[T.C]在 0.007~0.03，其他部分为铁和无法避免的不纯物，按该成分的具有良好耐碳酸气腐蚀性与 焊接部位初性的低合金钢。
[0007] (2)此外，按质量百分比，还含有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)记载的低合金钢，具有良好耐碳酸气腐蚀 性与焊接部位初性。
[000引（3)此外，按质量百分比，按质量百分比，还含有Cu，化其中一种或多种，各成分在 0.01%~1%，且其它成分同上述（1)及(2)记载，W该含量为特征的技术方案，具有良好耐 碳酸气腐蚀性与焊接部位初性的低合金钢。
[0009] (4)此外，按质量百分比，还含有 Mo:0.01%-l%，W[T.Mo]，[T.Mn]，[T.C]分别表 示Mo，Mn，C含量，（[T.Mo] + [T.Mn])X[T.C]的数量范围为0.007~0.03，且其它成分同上述 (1)至(3)任意一项记载，W该含量为特征的技术方案，具有良好耐碳酸气腐蚀性与焊接部 位初性的低合金钢。
[0010] W上述（1)~(4)任意一项记载的低合金钢为材料制造的，W此为特征的技术方 案，具有良好耐碳酸气腐蚀性与焊接部位初性的低合金钢管。
[0011] 本发明应用于能源领域，尤其是含碳酸气石油天然气的生产运输用的油井管和管 道，或合适作为工厂使用的原料。本发明目的是开发同时具备良好的耐碳酸气腐蚀性和焊 接部位初性的低合金钢W及使用该种低合金的钢管，并提供运种钢管的制造方法。
[0012] 对上述的低合金钢管道制造方面，钢巧需按下述工序制造为钢管，W此为特征的技 术方案，具有良好耐碳酸气腐蚀性与焊接部位初性的低合金钢电缝钢管制造方法，步骤如下：
[0013] (1)将钢巧在溫度l〇50°C~1300°C下加热后，进行热压延，接着在950°C W下，Ar3 临界点W上的溫度区域内完成压下率50% W上的热压延，再W20°C/sW上的冷却速度冷却 至化00°C W下，然后取出热社卷的工程操作；
[0014] (2)将上述热社卷按指定宽度的钢带切断后，连续成型为圆筒状，每个钢带两端焊 接电阻而制造为电缝钢管的工程操作。
[0015] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述W及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0016] 后文将参照附图W示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，运些 附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0017] 图1是表示对于3%化钢，C含量与Μη含量关系示意图。
【具体实施方式】
[0018] W下内容说明本发明钢成分受限制的原因。％表示质量％。
[0019] C:碳是提高钢强度的元素。本发明中，碳含量增加则焊接部位低溫初性和耐碳酸 气腐蚀性降低，特别是当碳含量超过0.02%时，在钢材回火过程中从金属结晶中析出大量 碳化物导致焊接部位低溫初性恶化且耐碳酸气腐蚀性降低，因此，碳含量上限定为0.02 %。 按照与儘量与溫度交联儘[Τ.Μη]的关系，发明人在减少碳含量的同时，使相应儘含量在一 定值W上，找出使其具有良好焊接部低溫初性的配比，最低碳量由相应的儘量决定，为防止 初性减低，儘自身的添加量也有限制，因此，碳含量的下限为0.0035%。
[0020] 化:铭是可W有效抑制碳酸气腐蚀的元素，特别在本发明所针对的腐蚀性环境，溫 度80/C压力O.lMPaW上的条件下，为得到足够的耐碳酸气腐蚀性，铭含量必须在3%W上。 另一方面，若铭含量5% W上，特别是其中混入氧化物的情况下，有可能发生局部腐蚀。
[0021] Si:娃是同A巧町i 一样具有脱氧作用的元素，可少量添加。对于本发明中需要提高焊接 部位低溫初性的钢材，娃含量超过0.1 %则对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，需适量添加。对于本发明中需要提高焊接 部位低溫初性钢材，为取得足够效果，儘含量最低必须在0.6 % W上，另一方面，其含量超出 2%反而会降低初性，所W，儘的含量定在0.6~2%。此外，其作用效果与碳含量相关，本发 明人发现其关系为，碳含量低的情况下需提高儘含量，碳含量高的情况下需降低儘的含量， W取得良好的焊接部位低溫初性。因此，对于碳含量溫度交联碳[T.c]与儘含量W及溫度交 联车孟[T.Mn](表示质量％)，其乘积限制在0.007W上，0.03W下，用关系式0.007《[T.Mn]X [T.C]《0.03 表示。
[0023] 附图1表示W3%化钢为基础，能够保持良好焊接部位低溫初性条件下，C含量和Μη含 量的关系。评价试验为:输入热量2.化J/mm的MIG焊接实施后，在切口中央焊缝处，采用2mmV 形缺口冲击试验片进行化arpy冲击试验。对于-20°C的化arpy冲击试验，吸收能量在30JW 上，低溫初性良好则WO表示，吸收能量不满30J则WX表示。矩形区域为所发明钢的基本 成分范围，并且其中两条曲线所夹区域为本发明钢的正确成分范围。矩形外的部分初性不 良，矩形内曲线区域外仍为初性不良，在图中显示了本发明成分区域内初性不良的部分。
[0024] 此外，为提高本发明的耐腐蚀性或焊接部位初性，可含有W下成分。
[0025] A1:A1与Si和Ti同为具有脱氧作用的元素，为使其效果充分发挥，A1含量需在 0.001%?上，另一方面，若其含量超过0.2%，钢材清净度降低，低溫初性恶化。因此，添加 A1的情况下，其含量为0.001 %~0.2 %。
[0026] N:N是钢中残留的不可避免的不纯物质。为提高低溫初性，其含量越低越好，特别 是N含量超过0.015%时低溫初性显著恶化，因此含量上限定为0.015%。11，抓:11及抓可^ 有效提高母材的强度，同时在焊接热影响区行形成细微(Ti，Nb)碳化物，抑制奥氏体晶粒长 大，从而提高焊接部位初性。为使其效果充分发挥，Ti含量需在0.001 % W上，Nb含量需在 0.01 % W上，另一方面，添加过剩使Ti含量超过0.2%含量超过0.5%也会导致初性恶 化。所W，Ti和佩的含量范围是，Ti为0.001 %~0.2%，佩为0.01~0.5%。
[0027] 另外，添加1%W下的化，Ni，Mo中的一种或多种元素可增加耐腐蚀层的稳定性。单 独添加和复合添加差别不大，需要添加一种或多种W得到相应的耐腐蚀性。但是，任何方式 低于0.01 %含量就无法体现其效果，所W最低含量为0.01 %。对Mo而言，与Μη同样，其含量 与C含量相关，其配比也对焊接热影响区的低溫初性有影响，添加的C量和Μη量的关系为： ([T.Mn] + [T.Mo])X[T.C]在0.007W上，0.03W下。
[00%]本发明钢经过压延及泽火回火等热处理调整金属组织，就可W达到必要的强度- 低溫初性平衡点。而且，使用本发明钢的钢管制造方法，并没有特殊限制，无缝压延造管方 法，钢板成型后焊接造管方法等均可使用。使用运些方法制造的钢管，具有良好耐碳酸气腐 蚀性和气焊焊接部位初性，此外，有接缝钢管的缝隙焊接区域初性也非常优良。运时接缝焊 接可W采用电缝焊接，激光焊接等较大输入热量的埋弧焊。
[0029] 但是，本发明钢的目的希望得到价格低廉的材料，在各种方法中，特别按W下所述 来进行压延控制，电缝管制造可W最大发挥出本发明的效用。运种压延控制一电缝管制造 方法按如下工序进行：
[0030] (1)将钢巧在溫度l〇5(TC~130(TC下加热后，进行热压延，接着在95(TCW下，Ar3 临界点W上的溫度区域内完成压下率50% W上的热压延，再W20°C/sW上的冷却速度冷却 至化00°CW下，然后取出热社卷；
[0031] (2)将上述热社卷按指定宽度的钢带切断后，连续成型为圆筒状，每个钢带两端焊 接电阻而制造为电缝钢管。上述良好具有耐碳酸气腐蚀型性与强度?低溫初性的本发明 钢，可应用于对耐碳酸气腐蚀性有要求的各种场合。特别可使用于对耐碳酸气腐蚀性与焊 接部位低溫初性均有要求的管道，与过去的材料相比，在降低价格和提高寿命方面取得显 著效果。
[0032] 表1表示本发明钢及比较钢的化学组成，W及耐腐蚀性试验，焊接部位低溫初性实 验的结果。耐腐蚀性试验是在溫度80，°C碳酸气压力0.4MPa，盐分浓度5 %的地层水模拟溶 液中进行为期两周的浸溃试验。1)为脱气到溶氧量浓度lOppbW下的试验，2)为在溶氧量浓 度lOOppb的试验。
[0033] 表 1
[0034]
[0035]
[0036] 耐蚀性1)和耐蚀性2):◎优秀Ο良好X差?有局部缺陷
[0037] 焊接部位初性:-20摄氏度下CHARPY冲击试验吸收的能量OSOGJU上O30-200JX 不足30J
[0038] 表1所示为耐碳酸气腐蚀性的评价结果:若WCr含量0.01% W下碳素钢的腐蚀量 为1，腐蚀量0.2W下用◎表示，腐蚀量0.5W下的用〇表示，耐腐蚀性良好但发生局部腐蚀 的用黑点表示。焊接部位低溫初性的评价试验是在输入热量2.化J/mm的MIG焊接实施后，于 切口中央焊线处，采用2mmV形缺口冲击试验片进行的化arpy冲击试验。表1所示为焊接部位 低溫初性的评价结果:从-20 °C下的化arpy冲击试验吸收能量测定结果来看，吸收能量200J W上为低溫初性优秀，用◎表示，吸收不足30J为低溫初性差，用X表示，中间则用〇表示。
[0039] 编号1~18的钢化学成分在本发明规定的范围内，为本发明钢，编号19~23的钢化 学成分在规定范围外，为比较钢。本发明钢均具有良好的耐腐蚀性和焊接热影响区低溫初 性。
[0040] 另一方面，编号19~22的比较钢焊接热影响区低溫初性均不足，编号23焊接热影 响区低溫初性良好，但耐腐蚀性不足，本发明钢具有明显的优越性。此外，按表1中编号7化 学成分的150mm厚钢巧加热到1250°C，到1100°C时热延为16mm，继续放冷到900°C时压延为 8mm厚，然后直接W30°C/s速度用水冷却到500°C，取出热社卷。运种热社卷在冷间成形后， 用高周波焊接电缝焊接管，就可制造出API规格X65等级的钢管。运种钢管气焊后，在其焊缝 附近采用化a巧y试验片测定焊接热影响区低溫初性的结果表明，在-20°C溫度下，焊缝任何 位置均可吸收200JW上能量。通过W上方法，可制造焊接热影响区的低溫初性非常高的钢 管。
[0041] 本发明具有良好耐碳酸气腐蚀性，且达到较好的强度-低溫初性平衡点，焊接部位 低溫初性良好的低合金钢，对于高效的能源产业机械装置设计有很大帮助。
[0042] 至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有运些其他变型或修改。
【主权项】
1. 一种低合金钢，其特征在于，包括如下成分:化学成分，按质量百分比，含有c: 0.0035 ~0.02%，Cr:3.0%~5.0%，Si:0.1% 以下，Μη:0·6~2.0%且该Μη量[T.Mn]以及C量[T.C] 的关系符合[Τ.Μη] X [T.C]在0.007~0.03，其他部分为铁和无法避免的不纯物。2. 根据权利要求1所述的一种低合金钢，按质量百分比，还含有Α1:0.001~0.20 %以 下，Ν:0·015% 以下，Ti :0.001 ~0.2%，Nb:0.01 ~0.5%。3. 根据权利要求1或2所述的一种具有良好耐碳酸气腐蚀性和焊接部位韧性的低合金 钢，按质量百分比，还含有Cu，Ni其中一种或多种，各成分在0.01 %~1 %。4. 根据权利要求1-3任意一项所述的一种低合金钢，按质量百分比，还含有Mo: 0.01 %-1%，以[T.Mo]，[T.Mn]，[T.C]分别表示Mo，Mn，C含量，（[T.Mo] + [T.Mn])X[T.C]的数量范围 为0.007~0.03。5. -种以上述权利要求1-4任意一项所述的低合金钢为材料制造的具有良好耐碳酸气 腐蚀性与焊接部位韧性的低合金钢管。6. -种制造权利要求5所述一种的低合金钢管的方法，其特征在于，步骤如下： (1) 将钢坯在温度1050°C~1300°C下加热后，进行热压延，接着在950°C以下，Ar3临界 点以上的温度区域内完成压下率50%以上的热压延，再以20°C/s以上的冷却速度冷却到 500°C以下，然后取出热乳卷的工程操作； (2) 将上述热乳卷按指定宽度的钢带切断后，连续成型为圆筒状，每个钢带两端焊接电 阻而制造为电缝钢管的工程操作。
【文档编号】C22C38/02GK106011666SQ201610388669
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张丛
【申请人】深圳市樊溪电子有限公司