一种深海动态柔性立管用耐酸超高强钢及其制备方法

摘要

一种深海动态柔性立管用耐酸超高强钢及其制备方法，属于冶金技术领域；钢的化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.1％，Si：≤0.4％，Mn：0.3～1.4％，P：≤0.02％，S：≤0.008％，Cr：0.8～2.0％，Mo：0.8～1.5％，Ni：0.3～0.8％，Nb：0.012～0.045％，Ti：0.01～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；制备方法：1)按设定成分冶炼、精炼和浇注制成连铸坯；2，将连铸坯加热保温后，经多道次热轧，得到热轧盘条；再经多道次冷轧，获得动态柔性立管用Z形钢；3)将Z形钢加热保温后，水淬至室温；再进行回火处理，获得深海动态柔性立管用超高强钢；本发明超高强钢的显微组织为回火马氏体组织，屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥880MPa，延伸率≥10％。

权利要求

1.一种深海动态柔性立管用超高强钢，其特征在于，所述钢的化学成分按重量百分比为:C:0.04 0.096%，Si:0.193 0.34%，Mn:0.3 0.58%，P:≤0.02%，S:≤0.008%，Cr:0.8~ ~ ~ ~

1.34%，Mo:0.8 1.21%，Ni:0.3 0.35%，Nb:0.012 0.045%，Ti:0.01 0.018%，余量为Fe及不可~ ~ ~ ~避免杂质；所述超高强钢的显微组织为回火马氏体组织，屈服强度为822 898MPa，抗拉强度~为893 957MPa，延伸率为11.2 16.4%；所述的深海动态柔性立管用超高强钢在氢致开裂实~ ~验中，试表面均无氢鼓泡出现，且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

2.权利要求1所述的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行:步骤1，连铸:

按设定成分冶炼、精炼和浇注制成连铸坯，连铸坯成分按重量百分比为:C:0.04~

0.096%，Si:0.193 0.34%，Mn:0.3 0.58%，P:≤0.02%，S:≤0.008%，Cr:0.8 1.34%，Mo:0.8~ ~ ~ ~

1.21%，Ni:0.3 0.35%，Nb:0.012 0.045%，Ti:0.01 0.018%，余量为Fe及不可避免杂质；

~ ~ ~

步骤2，加热、轧制:

(1)将连铸坯加热至1180 1220℃，保温30 50min；

~ ~

(2)加热后的连铸坯经过18 26道次热轧，单道次平均延伸系数为1.2 1.3，开轧温度为~ ~

1100 1150℃，终轧温度为870 950℃，总延伸系数为50 286，吐丝温度为800 840℃，得到热~ ~ ~ ~轧盘条，盘条的尺寸为Φ10 Φ24mm；

~

(3)热轧盘条经过4 6道次冷轧，单道次平均延伸系数为1.1 1.25，总延伸系数为1.7~ ~ ~

2.5，获得动态柔性立管用Z形钢，动态柔性立管用 Z形钢的厚度为 4 10mm，宽度为 8~ ~

22.4mm；

步骤 3，调质处理:

(1)将Z形钢加热至930 960℃奥氏体化，保温20 30min，水淬至室温；

~ ~

(2)进行回火处理，加热至500 700℃，保温30 60min，获得深海动态柔性立管用超高强~ ~钢。

3.根据权利要求2所述的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，其特征在于所述步骤2(2)中，采用高速线材轧机热轧成盘条。

说明书

一种深海动态柔性立管用耐酸超高强钢及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种深海动态柔性立管用耐酸超高强钢及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前，随着海上油气资源的持续开采，海洋油气资源的开发从浅海走向深海已成为世界海洋油气资源开发的总趋势，也是我国海洋油气资源开发的战略目标。在深海油气资源开采过程中，需要使用大量管道，其中用于连接海底井口和海洋平台的立管是油气输送必不可少的部件。海洋立管分为硬质钢管和动态柔性立管，随着油气开采的深入，传统硬质钢管难以满足深远海恶劣海况对立管性能的要求。相对硬质钢管而言，动态柔性立管具有耐蚀性强、适应性好、连续长度长、疲劳寿命长、安装费用低等优点，因此，深海动态柔性立管以其优越的综合性能获得越来越广泛的应用。

[0003] 动态柔性立管是一种多层的复壁结构，管体结构由内到外一般为骨架层、聚合物层、增强层、外包覆层。其中增强层为其核心部位，通常由具有一定强度的金属材料制成以增加立管的强度。由于深海动态柔性立管在服役过程中所面临的环境特点为高温、高压、海水、硫化氢、波浪或洋流冲击等恶劣情况，因此，要求动态柔性立管用钢应具有良好的综合性能。为了减少柔性立管自重，增加其柔顺度，提高疲劳寿命并减少安装铺设难度，因此特别要求动态柔性立管用超高强钢具有较高的强度、抗疲劳性能和抗硫化物应力腐蚀开裂能力。由于钢的强度越高，抗硫化物应力腐蚀开裂性能越差，因此目前深海动态柔性立管所用钢材无法同时满足以上两种性能，采用不锈钢做增强材料虽然能够达到性能要求，但因不锈钢价格昂贵，导致无法大规模应用。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种深海动态柔性立管用耐酸超高强钢及其制备方法。

[0005] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.04～0.10％，Si：≤0.4％，Mn：0.3～1.4％，P：≤0.02％，S：≤0.008％，Cr：0.8～2.0％，Mo：0.8～
1.5％，Ni：0.3～0.8％，Nb：0.012～0.045％，Ti：0.01～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0006] 所述超高强钢的显微组织为回火马氏体组织，屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥880MPa，延伸率≥10％。

[0007] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0008] 步骤1，铸造：

[0009] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成连铸坯，连铸坯成分按重量百分比为：C：0.04～0.10％，Si：≤0.4％，Mn：0.3～1.4％，P：≤0.02％，S：≤0.008％，Cr：0.8～2.0％，Mo：0.8～
1.5％，Ni：0.3～0.8％，Nb：0.012～0.045％，Ti：0.01～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0010] 步骤2，加热、轧制：

[0011] (1)将连铸坯加热至1180～1220℃，保温30～50min；

[0012] (2)加热后的连铸坯进行多道次热轧，开轧温度为1100～1150℃，终轧温度为870～950℃，总延伸系数为50～286，吐丝温度为800～840℃，得到热轧盘条；

[0013] (3)热轧盘条经过多道次冷轧，总延伸系数为1.7～2.5，获得动态柔性立管用Z形钢；

[0014] 步骤3，调质处理：

[0015] (1)将Z形钢加热至930～960℃奥氏体化，保温20～30min，水淬至室温；

[0016] (2)进行回火处理，加热至500～700℃，保温30～60min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0017] 上述深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，其中：

[0018] 所述步骤2(1)中，铸坯加热保温，使组织和成分均匀化。

[0019] 所述步骤2(2)中，铸坯经过18～26道次热轧，单道次平均延伸系数为1.2～1.3。

[0020] 所述步骤2(2)中，盘条的尺寸为Φ10～Φ24mm。

[0021] 所述步骤2(2)中，采用高速线材轧机热轧成盘条。

[0022] 所述步骤2(3)中，盘条冷轧前进行去除氧化铁皮处理。

[0023] 所述步骤2(3)中，盘条经过4～6道次冷轧，单道次平均延伸系数为1.1～1.3。

[0024] 所述步骤2中，动态柔性立管用Z形钢的厚度为4～10mm，宽度为8～22.4mm。

[0025] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0026] 本发明制备的深海动态柔性立管用超高强钢在具有超高强度、良好的抗疲劳性能的同时具有抗应力、抗硫化物腐蚀开裂性能，能够满足深海动态柔性立管对增强层材料性能的要求，并且制备成本较低，操作简单，易于工业化生产。

附图说明

[0027] 图1本发明实施例1-3步骤2制备的动态柔性立管用Z形钢的典型形状和尺寸示意图；

[0028] 图2本发明实施例1制备的深海动态柔性立管用超高强钢的金相显微组织图。

[0029] 图3本发明实施例2制备的深海动态柔性立管用超高强钢的金相显微组织图。

具体实施方式

[0030] 冶炼时通过转炉、LF精炼炉，RH真空处理连铸成坯、纯净钢冶炼和夹杂物变性处理等步骤完成。

[0031] 热轧过程采用高速线材轧机轧制，轧后具有斯太尔摩控冷线。

[0032] 本发明实施例中冷轧采用五机架万能异型钢冷轧机进行冷连轧。

[0033] 本发明实施例中热处理过程采用高温箱式电阻炉。

[0034] 本发明实施例中观测金相组织的设备为徕卡LEICADMIRM金相显微镜。

[0035] 本发明实施例中抗氢致开裂性能检测实验依据标准NACE TM0048进行，实验溶液组成为5wt％NaCl+0.5wt％CH3COOH+94.5wt％H2O，实验时间为96h，实验温度为室温。

[0036] 本发明实施例中硫化物应力腐蚀开裂实验依据标准NACE TM0177进行，采用恒载荷拉伸法，实验溶液为3.5wt％NaCl溶液，实验溶液pH值小于4.5，实验温度为室温，加载应力水平为90％[0.9US，YS]min。拉伸试样维持720h未断裂则满足抗硫化物应力腐蚀开裂性能。

[0037] 本发明实施例1-3步骤2制备的动态柔性立管用Z形钢的典型形状和尺寸，如图1所示。

[0038] 实施例1

[0039] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.1％，Si：0.21％，Mn：1.4％，P：0.02％，S：0.008％，Cr：2.0％，Mo：1.5％，Ni：0.8％，Nb：0.045％，Ti：
0.018％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0040] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0041] 步骤1，铸造：

[0042] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.1％，Si：0.21％，Mn：1.4％，P：0.02％，S：0.008％，Cr：2.0％，Mo：1.5％，Ni：0.8％，Nb：0.045％，Ti：
0.018％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0043] 步骤2，加热、轧制：

[0044] (1)将铸坯加热至1220℃，保温50min，使组织和成分均匀化；

[0045] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行18道次热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，吐丝温度为840℃，总延伸系数为50，单道次平均延伸系数为1.25，得到盘条的尺寸为Φ24mm的热轧盘条；

[0046] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过4道次冷轧，总延伸系数为2.2，单道次平均延伸系数为1.22，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为10mm，宽度为22.4mm；

[0047] 步骤3，调质处理：

[0048] (1)将Z形钢加热至960℃奥氏体化，保温20min，水淬至室温；

[0049] (2)进行回火处理，加热至700℃，保温60min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0050] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织如图2所示，为回火马氏体组织，屈服强度811MPa，抗拉强度889MPa，延伸率17％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

[0051] 实施例2

[0052] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.04％，Si：0.28％，Mn：0.4％，P：0.01％，S：0.005％，Cr：0.82％，Mo：0.83％，Ni：0.35％，Nb：0.014％，Ti：0.011％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0053] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0054] 步骤1，铸造：

[0055] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.04％，Si：0.28％，Mn：0.4％，P：0.01％，S：0.005％，Cr：0.82％，Mo：0.83％，Ni：0.35％，Nb：0.014％，Ti：0.011％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0056] 步骤2，加热、轧制：

[0057] (1)将铸坯加热至1180℃，保温50min，使组织和成分均匀化；

[0058] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行26道次热轧，开轧温度为1100℃，终轧温度为870℃，吐丝温度为800℃，总延伸系数为286，单道次平均延伸系数为1.25，得到盘条的尺寸为Φ10mm的热轧盘条；

[0059] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过5道次冷轧，总延伸系数为2.1，单道次平均延伸系数为1.16，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为4.8mm，宽度为10.6mm；

[0060] 步骤3，调质处理：

[0061] (1)将Z形钢加热至930℃奥氏体化，保温30min，水淬至室温；

[0062] (2)进行回火处理，加热至500℃，保温30min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0063] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织如图3所示，为回火马氏体组织，屈服强度898MPa，抗拉强度957MPa，延伸率11.2％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

[0064] 实施例3

[0065] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.048％，Si：0.34％，Mn：1.04％，P：0.008％，S：0.004％，Cr：1.45％，Mo：1.18％，Ni：0.53％，Nb：0.038％，Ti：0.014％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0066] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0067] 步骤1，铸造：

[0068] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.048％，Si：0.34％，Mn：1.04％，P：0.008％，S：0.004％，Cr：1.45％，Mo：1.18％，Ni：0.53％，Nb：0.038％，Ti：0.014％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0069] 步骤2，加热、轧制：

[0070] (1)将铸坯加热至1200℃，保温30min，使组织和成分均匀化；

[0071] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行18道次热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，吐丝温度为820℃，总延伸系数为72，单道次平均延伸系数为1.28，得到盘条的尺寸为Φ20mm的热轧盘条；

[0072] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过6道次冷轧，总延伸系数为2.5，单道次平均延伸系数为1.17，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为8mm，宽度为18mm；

[0073] 步骤3，调质处理：

[0074] (1)将Z形钢加热至960℃奥氏体化，保温30min，水淬至室温；

[0075] (2)进行回火处理，加热至550℃，保温30min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0076] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织，为回火马氏体组织，屈服强度846MPa，抗拉强度915MPa，延伸率13.3％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

[0077] 实施例4

[0078] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.068％，Si：0.193％，Mn：0.387％，P：0.005％，S：0.003％，Cr：0.81％，Mo：1.15％，Ni：0.30％，Nb：0.045％，Ti：0.0147％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0079] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0080] 步骤1，铸造：

[0081] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.068％，Si：0.193％，Mn：0.387％，P：0.005％，S：0.003％，Cr：0.81％，Mo：1.15％，Ni：0.30％，Nb：0.045％，Ti：0.0147％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0082] 步骤2，加热、轧制：

[0083] (1)将铸坯加热至1200℃，保温40min，使组织和成分均匀化；

[0084] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行22道次热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，吐丝温度为810℃，总延伸系数为199，单道次平均延伸系数为1.28，得到盘条的尺寸为Φ12mm的热轧盘条；

[0085] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过6道次冷轧，总延伸系数为2.5，单道次平均延伸系数为1.17，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为4.8mm，宽度为10.6mm；

[0086] 步骤3，调质处理：

[0087] (1)将Z形钢加热至940℃奥氏体化，保温30min，水淬至室温；

[0088] (2)进行回火处理，加热至580℃，保温30min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0089] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织，为回火马氏体组织，屈服强度837MPa，抗拉强度904MPa，延伸率≥14.6％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

[0090] 实施例5

[0091] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.096％，Si：0.28％，Mn：0.58％，P：0.007％，S：0.002％，Cr：1.28％，Mo：1.21％，Ni：0.33％，Nb：0.038％，Ti：0.0106％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0092] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0093] 步骤1，铸造：

[0094] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.096％，Si：0.28％，Mn：0.58％，P：0.007％，S：0.002％，Cr：1.28％，Mo：1.21％，Ni：0.33％，Nb：0.038％，Ti：0.0106％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0095] 步骤2，加热、轧制：

[0096] (1)将铸坯加热至1190℃，保温40min，使组织和成分均匀化；

[0097] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行22道次热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，吐丝温度为820℃，总延伸系数为199，单道次平均延伸系数为1.28，得到盘条的尺寸为Φ12mm的热轧盘条；

[0098] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过6道次冷轧，总延伸系数为2.5，单道次平均延伸系数为1.17，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为4.8mm，宽度为10.6mm；

[0099] 步骤3，调质处理：

[0100] (1)将Z形钢加热至950℃奥氏体化，保温25min，水淬至室温；

[0101] (2)进行回火处理，加热至500℃，保温60min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0102] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织，为回火马氏体组织，屈服强度856MPa，抗拉强度921MPa，延伸率12.1％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。

[0103] 实施例6

[0104] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢，化学成分按重量百分比为：C：0.088％，Si：0.31％，Mn：0.53％，P：0.006％，S：0.003％，Cr1.34％，Mo：0.97％，Ni：0.25％，Nb：0.032％，Ti：0.018％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0105] 本发明的深海动态柔性立管用超高强钢的制备方法，按以下步骤进行：

[0106] 步骤1，铸造：

[0107] 按设定成分冶炼、精炼和浇注制成铸坯，铸坯成分按重量百分比为：C：0.088％，Si：0.31％，Mn：0.53％，P：0.006％，S：0.003％，Cr1.34％，Mo：0.97％，Ni：0.25％，Nb：0.032％，Ti：0.018％，余量为Fe及不可避免杂质；

[0108] 步骤2，加热、轧制：

[0109] (1)将铸坯加热至1220℃，保温40min，使组织和成分均匀化；

[0110] (2)采用高速线材轧机，将加热后的铸坯进行20道次热轧，开轧温度为1130℃，终轧温度为950℃，吐丝温度为840℃，总延伸系数为88.5，单道次平均延伸系数为1.26，得到盘条的尺寸为Φ18mm的热轧盘条；

[0111] (3)热轧盘条进行去除氧化铁皮处理后，经过6道次冷轧，总延伸系数为2.5，单道次平均延伸系数为1.17，获得动态柔性立管用Z形钢，其厚度为8mm，宽度为18mm；

[0112] 步骤3，调质处理：

[0113] (1)将Z形钢加热至930℃奥氏体化，保温30min，水淬至室温；

[0114] (2)进行回火处理，加热至630℃，保温50min，获得深海动态柔性立管用超高强钢。

[0115] 本实施例制备的深海动态柔性立管用超高强钢，其显微组织，为回火马氏体组织，屈服强度822MPa，抗拉强度893MPa，延伸率16.4％；氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现且试样内部无裂纹产生；硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。