供稿|劉德明,文小明,呂作榮 / LIU De-ming, WEN Xiao-ming, LV Zuo-rong
抗酸腐蝕石油管線鋼X52MS的開發(fā)
Development of Acid Corrosion Oil Pipeline Steel X52MS
供稿|劉德明,文小明,呂作榮 / LIU De-ming, WEN Xiao-ming, LV Zuo-rong
作者單位:本鋼集團國際經(jīng)濟貿(mào)易有限公司,遼寧 本溪 117000
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文章分析和探討合金元素和非金屬夾雜物對鋼的抗酸腐蝕性能影響機理,設(shè)計了本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS的化學成分,并制定了合理的生產(chǎn)工藝措施,成功開發(fā)了抗酸腐蝕管線用鋼X52MS。對本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS制成油氣輸送用鋼管進行抗HIC和抗SSC性能檢驗結(jié)果表明,其各項技術(shù)指標完全滿足標準要求。
抗酸腐蝕管線鋼主要用來制造輸送酸性天然氣的管道,是石油天然氣用鋼中生產(chǎn)難度最大的一類。該鋼種對成分設(shè)計、冶煉技術(shù)、軋制技術(shù)及冶金裝備水平都有十分嚴格的要求,因此抗酸管線鋼的生產(chǎn)代表著一個國家一個鋼廠管線鋼生產(chǎn)的最高水平。
由于抗酸腐蝕管線鋼是石油天然氣用鋼中性能要求等級最高、生產(chǎn)難度最大的鋼種,其對鋼水潔凈度和連鑄坯中心偏析的控制要求極高,在控制硫含量方面接近極限控制,所以抗酸腐蝕管線鋼開發(fā)對生產(chǎn)工藝,特別是煉鋼工藝有非常嚴格的要求。本鋼已大批量穩(wěn)定生產(chǎn)了X52MS級別的石油管線用鋼,為了滿足市場的需求,通過對不同合金元素和非金屬夾雜物對抗酸腐蝕管線鋼腐蝕機理的分析研究,利用本鋼先進的冶煉和軋制設(shè)備,在保證X52MS力學性能指標的基礎(chǔ)上,重點考慮抗酸腐蝕性能,設(shè)計了本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS成分并制定了合理的生產(chǎn)工藝措施,一次試制成功。生產(chǎn)的成品鋼卷經(jīng)制管后進行抗HIC和抗SSC檢驗,具有良好的抗HIC和抗SSC性能,本鋼具備批量生產(chǎn)X52MS級抗酸腐蝕石油管線鋼的生產(chǎn)能力。
力學性能和工藝性能
產(chǎn)品鋼卷力學性能和工藝性能應(yīng)滿足表1的規(guī)定。
抗HIC和抗SSC性能
◆ 抗HIC性能
滿足檢驗標準NACE TM0284—2011“管線鋼和壓力容器鋼抗氫致裂紋評估”對氫致裂紋(HIC)檢驗要求,具體要求見表2。
表1 力學性能和工藝性能要求
表2 抗HIC性能要求
◆ 抗SSC性能
滿足NACE TM0177—1996“金屬在H2S環(huán)境中抵抗特殊形式環(huán)境破裂的實驗室檢測”標準對酸性環(huán)境下防止應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)檢驗要求,采用低倍顯微鏡放大10倍檢驗試樣的拉伸面,拉伸面不得有開裂和斷裂。
影響鋼的抗腐蝕性能的因素
◆ 合金元素對鋼的抗酸腐蝕性能的影響
C:碳是穩(wěn)定奧氏體元素,隨著碳含量的增加,管線鋼抗HIC敏感性增加,碳含量和碳當量的增加會使鋼在熱軋時生成對氫致鼓泡最為敏感的馬氏體組織。因此,降低碳含量和碳當量可以提高管線鋼的抗HIC能力。
Mn:管線鋼中加入適量的錳可提高鋼的淬透性,彌補低碳造成的強度下降。錳與硫結(jié)合,形成MnS降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,而錳和磷的偏析會引起對HIC敏感的帶狀組織形成,因而增加錳含量會導致更多帶狀組織生成,從而使管線鋼抗HIC敏感性增加。
S和Ca:硫能促進HIC生成,其與錳生成的MnS夾雜物是HIC最易成核的位置;添加鈣可以改變MnS夾雜物的形態(tài),使之成為分散的球狀體,從而提高管線鋼的抗HIC能力。
微合金元素:在管線鋼中加入鈮、釩和鈦等微合金元素可有效阻止奧氏體晶粒長大,細化晶粒,增強管線鋼抗HIC能力。
◆ 非金屬夾雜物對鋼的抗酸腐蝕性能的影響
非金屬夾雜物的形態(tài)和分布影響著管線鋼的抗HIC能力,因為非金屬夾雜物界面是強的氫陷阱,夾雜物界面面積越大,其捕獲氫原子的能力越強。研究表明,A類和C類非金屬夾雜物與鋼的抗HIC能力關(guān)系明顯,特別是A類非金屬夾雜物,當鋼中A類或C類非金屬夾雜級別超過1.5級時,鋼的氫致鼓泡數(shù)量急劇增加,即鋼的HIC敏感性急劇增強。而B類和D類非金屬夾雜物與鋼的抗HIC能力則關(guān)系不明顯。在實際生產(chǎn)中,HIC主要存在于細長的第二類MnS夾雜物中,在錳和磷偏析區(qū)沿著形成的珠光體、貝氏體和馬氏體相擴展。
通過以上分析,本鋼在抗酸腐蝕管線鋼化學成分設(shè)計上應(yīng)以低碳,極低磷、超低硫和微合金化為主要設(shè)計思想,配合純凈鋼技術(shù)和控軋控冷工藝;在生產(chǎn)上控制重點一是盡量降低鋼中的有害元素硫、磷和氣體含量,二是降低鋼中非金屬夾雜物含量,特別是對鋼的抗HIC性能非常有害的MnS夾雜,并對夾雜物進行變性處理,使硫化物成細小彌撒分布,同時使組織均勻細化、致密。
生產(chǎn)工藝流程
鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→連鑄→加熱→2300 mm控軋控冷→卷取→取樣→機能檢驗→包裝出廠。
煉鋼工序采用的質(zhì)量保證措施
(1) 在轉(zhuǎn)爐煉鋼階段充分利用頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐的優(yōu)勢,加強低吹攪拌,實現(xiàn)前期的強化脫磷;
(2) 擋渣出鋼,嚴格控制進入鋼包中的渣量,使鋼中夾雜物的含量降低到較低的水平;
(3) 鋼水精煉在RH爐和LF爐進行,嚴格控制鋼中的氮、氫、氧含量,保證鋼水達到超低硫,在精煉末期進行鈣質(zhì)處理,增加軟吹時間,控制非金屬夾雜物形貌;
(4) 連鑄全過程采用保護澆注,中包過熱度要求為27 ℃,采用本鋼鑄機狀態(tài)最好的7號鑄機澆注,澆注過程電磁攪拌投入使用;
(5) 連鑄階段控制鋼液的潔凈度,隔離有害元素對鋼液的影響,同時,采用輕壓下工藝,消除連鑄坯中心偏析;
(6) 對鑄坯進行在線檢驗,保證鑄坯表面及角部質(zhì)量良好。
軋鋼工序采用的質(zhì)量保證措施
(1) 盡量采用較高的加熱溫度和較長的均熱時間,充分發(fā)揮Nb、Ti微合金化作用;
(2) 控制進精軋的溫度;避開奧氏體部分再結(jié)晶區(qū),保證在未再結(jié)晶區(qū)軋制;
(3) 控制中間坯厚度,保證精軋階段未再結(jié)晶區(qū)軋制的累積變形量;
(4) 采用合理的冷卻制度和卷起溫度,以獲得理想的組織和第二相的析出。
化學成分和低倍組織
化學成分和低倍組織檢驗結(jié)果見表3和表4。
由表3和表4看出,本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS化學成分控制較好,達到了設(shè)計要求,其中氣體含量和S、P控制較低;鑄坯低倍組織檢驗中除中心偏析和中心疏松1.0級外,其它缺陷最高級別0.5或無,鑄坯內(nèi)部組織控制好,通過對鑄坯表面在線檢驗,鑄坯表面及角部質(zhì)量良好,未發(fā)現(xiàn)有裂紋。
表3 試制鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %
表4 試驗鋼連鑄板坯低倍檢驗結(jié)果
圖1 金相組織檢驗照片
金相組織和非金屬夾雜物檢驗
圖1和圖2非金屬夾雜物檢驗和金相檢驗結(jié)果表明,本鋼生產(chǎn)的抗酸管線鋼X52MS非金屬夾雜物最高級別為0.5,特別是對抗HIC和抗SSC性能影響較大的A類和C類夾雜物級別是0,金相組織均勻細小,說明本鋼生產(chǎn)的抗酸管線鋼X52MS鋼的潔凈度較高,工藝設(shè)計合理。
力學性能和工藝性能檢驗結(jié)果
從力學性能和工藝性能檢驗結(jié)果看出,力學和工藝性能、沖擊功、DWTT的檢驗,全部滿足X52MS技術(shù)標準要求,達到X52MS級管線鋼的使用性能的要求。
圖2 非金屬夾雜物檢驗照片
抗HIC和抗SSC性能檢驗
生產(chǎn)的合格板卷制管后進行抗HIC和抗SSC性能檢驗。HIC檢驗溶液采用A、B兩種溶液分別進行檢驗,檢驗標準為NACE TM0284—2011;抗SSC檢驗采用NACE TM0177—1996標準進行A溶液試驗,按照ASTM G39采用四點彎曲試樣,試驗時間為720 h,試驗加載應(yīng)力:72%SMYS(規(guī)定最小屈服強度)=72%×360 MPa=259.2 MPa,在低倍顯微鏡放大10倍檢驗試樣的受拉伸面。通過檢驗證明,本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS制成鋼管后,抗HIC和抗SSC性能完全滿足標準要求。
(1) 本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS化學成分設(shè)計合理,生產(chǎn)工藝措施得當,鑄坯質(zhì)量良好,非金屬夾雜物控制較好。
(2) 本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS力學和工藝性能、沖擊功、DWTT指標完全滿足X52MS級別管線鋼的標準要求。
(3) 用本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS生產(chǎn)的X52MS級油氣輸送用鋼管,抗HIC和抗SSC性能完全滿足標準要求。
(4) 本鋼已具備生產(chǎn)X52MS級抗酸腐蝕管線鋼的生產(chǎn)能力,可為市場提供批量生產(chǎn)。
作者簡介:劉德明(1973—),男,畢業(yè)于北京科技大學金屬物理專業(yè),現(xiàn)在本鋼集團國際經(jīng)濟貿(mào)易有限公司營銷管理部副部長,從事商務(wù)工作,材料工程師。
DOI:10.3969/j.issn.1000–6826.2015.04.02