正火态无缝管线管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低碳管线管，具体涉及一种低碳抗co2正火态无缝管线管及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 在同时含有C〇2和H2S的油气开采环境中，对于材料抗C〇2腐蚀和抗H2S的性能具有 较高的要求。因此，在此种环境中使用的材料不但需要使用一些特定的合金元素来保证其 抗C0 2腐蚀的能力，还要做到微观组织的均匀细小，满足其抗H2S的要求。对于管线管产品来 说，要同时满足这两种抗腐蚀需求，还要考虑材料的力学性能以及焊接性能，这是相当困难 的。
[0003] 近年来，对于245MPa及以上强度的管线管研究主要是采用Cr-Mo合金化，并且辅以 一定含量的微合金元素，采用淬火+回火的调制热处理方式以得到均匀的回火马氏体组织， 获得较好的抗硫性能和力学性能。但是回火马氏体组织在焊接方面存在一定缺陷，由于焊 缝区域多为铁素体+珠光体组织，焊缝和母材的组织差异容易在热影响区形成沟槽腐蚀。
[0004] 中国专利CN201010130911.8公开了一种超高强度抗H2S和⑶2腐蚀无缝集输管线 管，是通过加入C、Mo、Cu、Ni、RE等元素提高材料的强度及韧性，并通过加入Cr来提高其抗腐 蚀性能。
[0005] 中国专利CN201410233997.5中公开了一种低碳当量高强度热乳无缝管线管及其 制造方法，通过添加 C和适当的合金元素在控制C当量的同时得到X60及以上的强度级别，但 该专利为普通低合金无缝管线管，Cr含量<0.5%，抗腐蚀性能一般。
[0006] 日本专利JP1996269623和JP1994336639公开了一种低Cr抗腐蚀集输管线管。然而 上述两份专利中Cr含量小于1%，对于抗C0 2腐蚀的贡献非常有限，不能满足日益苛刻的油 气田腐蚀环境，也无法最大化保证强度与抗腐蚀性能的平衡。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种低碳抗C02正火态无缝管线管及其制造方法，在Pcm (冷裂纹敏感系数)值< 0.24的情况下，该管线管的屈服强度2 245MPa，-40°C全尺寸冲击功 >200J，具有较高的低温冲击性能和优良的抗C02腐蚀、抗HIC性能、能力，可用于含有C0 2和 H2S的石油天然气田的集输、排污和放空管线。
[0008]为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0009] -种低碳抗⑶2正火态无缝管线管，其化学成分的质量百分比为：C: 0.04~ 0.08%，Si:0.1~0.5%，Μη:0·2~0.6%，Ν:0·01~0.02% ;Cr:2.5~3%，V:0.06~0.1%，S <0.004%，P< 0.02%，A1:0.01~0.1%，0< 0.01 %，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述 元素需同时满足如下关系：4 < V/N < 7，1 < (V+N)/C < 2 · 5，150 < Cr/N，且满足Pcm<0 · 24， Pcm = C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B〇
[0010] 进一步，所述无缝管线管的组织形态为铁素体+珠光体组织。
[0011] 所述无缝管线管的屈服强度< 245MPa，-40 °C全尺寸冲击> 200J，在60 °C、IMPa C〇2分压环境下均勾腐蚀速率< 0.26mm/a且无点蚀。
[0012]本发明的成分设计中：
[0013] C:C是保证强度和最终组织的重要元素，本发明中C含量小于0.04%时，难以与V、N 形成C(N、V)析出，使得强度难以保证;另一方面难以形成足够的珠光体骨架保证其抗C02腐 蚀性能。而C含量大于0.08%后，Pcm难以控制在0.24以下，焊接后容易出现异常组织，影响 材料的抗腐蚀性能。因此，本发明需要控制C含量为0.04~0.08%。
[0014] Si :Si是钢中由脱氧剂而带入的元素，其含量超过0.5%时，会显著提高钢的冷脆 韧脆转变温度，因此应控制Si含量在0.5%以下，此外为了保证脱氧效果，需要保持Si在 0.1%以上。
[0015] Mn:Mn也是由脱氧剂和脱硫剂带入元素，Μη具有扩大奥氏体相区，细化晶粒等有益 效果，但Μη在凝固时易发生偏析，造成最终产品中出现明显带状组织，会影响钢的抗硫性 能。因此，本发明需要控制Μη含量在0.6%以下，此外为了保证脱氧、脱硫效果和强度要求， 需要保持Μη在0.2 %以上。因此，本发明控制Μη含量为0.2~0.6 %。
[0016] Cr:Cr是提高抗C02腐蚀的重要元素，Cr能够在腐蚀介质中形成致密的表面保护 膜，从而大幅度提高钢种抗局部腐蚀和均匀腐蚀能力。在本发明中Cr同时还需要与N结合形 成Cr xNx析出物来提高材料的强度，从而取代通常使用的Mo、Nb等强化元素，进一步降低材料 成本。如果Cr含量低于2.5%，钢的抗腐蚀能力会受到很大影响。当Cr含量高于3%时，Pcm值 难以控制在0.24以下，会影响焊接性能，同时会诱导钢的贝氏体转变，降低组织的均匀性， 使得抗硫性能下降。因此，本发明控制Cr含量在2.5~3%之间，并且与N形成一定比例，具体 是 150<Cr/N。
[0017] V:V与C、N形成的析出物可以有效提高钢的强度和韧性。在组织转偏过程中起到细 化晶粒的作用，并且提高材料的抗HIC性能。本发明中V含量低于0.06 %时，C(N、V)析出物含 量明显不足，难以保证材料的强度，晶粒尺寸也会有所增加。当V含量大于0.1%时，由于没 有足够量的N与其结合，强化作用会有所减弱，并且形成粗大碳化物，增加钢的脆性和降低 抗硫性能。因此，V含量需要保证在0.06~0.1%之间并与C、N形成一定比例，具体要同时满 &:4<V/N<7，1 < (V+N)/C<2.5)。
[0018] S:S是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、热加工性、韧性等都有不利影 响，因此，需要限制S含量在0.004%以下，优选0.002%以下。
[0019] P:P是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、韧性等都有不利影响，因此需 要限制P含量在0.02%以下，优选0.012%以下。
[0020] A1: A1是钢脱氧所必须的元素，因此无法完全避免带入，但A1含量超过0.1 %后，对 浇铸过程等有不利影响，因此，需要限制A1含量在0.01~0.1 %，优选0.01~0.05 %。
[0021] 0:0是降低耐蚀性和韧性的元素，应严格限制其含量在0.01 %以下，优选0.005% 以下。
[0022] N:N是本发明中保证材料强度和组织的重要元素。N和V、C结合会形成C(N、V)析出 物，起到提高钢的强度并在乳制过程中起到细化晶粒的作用。在本发明中，N和Cr结合生成 CrxNx析出提高钢的强度，此类析出相能够替代传统的Mo、Nb等固溶强化元素，在降低材料成 本的同时提高材料力学性能。本发明中，N含量少于0.01 %时，无法与C、Cr形成析出物，使得 强度要求难以满足;如果N含量高于0.02%会极大的降低钢的冲击韧性。因此，N含量需控制 在0.01 ~0.02%之间，并与C、V、Cr保持一定的比例：1 < (V+N)/C<2.5)，150<Cr/N。
[0023] 4<V/N<7，1 < (V+N)/C<2.5，150<Cr/N:本发明要求同时满足以上公式，当 V/N < 7无法满足时，低温冲击韧性与材料强度将无法达到要求，当1 < (V+N)/C < 2.5，150 < Cr/N无法满足时，正火后材料强度将达不到要求。本发明控制较低的Pcm值（< 0.24)则非常 有利于改善管线管的焊接性能。
[0024]本发明所述的低碳抗C02正火态无缝管线管的制造方法，其包括如下步骤:按照上 述化学成分冶炼、浇铸成铸锭，再锻造或乳制成管坯;将管坯加热到1050~1250 °C，保温105 ~135分钟;然后，经穿孔、热乳成荒管，其中终乳温度为950~1050°C;将钢管空冷至室温， 再进行正火处理:正火温度为900~950°C，正火时间为（25~35) X(成品管壁厚/15)分钟， 管壁厚单位最后空冷至室温。
[0025] 在本发明的制造工艺中：
[0026]本发明中将管坯加热到1050~1250 °C保温105~135分钟，如果加热温度过高或者 保温时间过长，将会导致奥氏体晶粒过于粗大以及形成魏氏组织，此类组织的形成将无法 通过正火工艺消除，会严重降低材料的力学性能，特别是使材料强度下降。如果保温时间过 短或者加热温度过低，将会使得材料的变形抗力过高，不利于乳制，将使材料冲击性能下 降。
[0027]本发明控制终乳温度为950~1050 °C:如果终乳温度过高，会导致奥氏体晶粒过分 长大，从而将使材料强度下降。如果终乳温度过低，将会使材料变形抗力提高，不利于乳制， 使材料韧性下降。
[0028]正火工艺在本发明中非常关键，该工艺将会影响材料最终的力学性能以及抗HIC 性能。如果正火温度过高或者正火时间过长，将会导致奥氏体晶粒过分长大，从而降低材料 的强度及韧性;另外还会使得析出物长大，导致组织不均匀，从而影响材料的HIC性能。如果 正火温度过低，会使得材料无法充分奥氏体化，从而使得最终组织不均匀，降低材料的韧性 以及降低HIC性能。如果正火时间过短，则析出相无法充分析出，从而使得材料的强度下降。 综上所述，热处理工艺决定了组织