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不鏽鋼無縫管利用

更新时间:2019-11-30 02:15人气:1879

新型管線用馬氏體不鏽鋼無縫管KL-HP12CR具有良好的焊接性、力學性能和耐蝕性。通過降低碳和氮含量改善了其焊接性。降低碳含量還明顯地改善了耐二氧化碳腐蝕性,在溫度高達160℃和2.0MPa的二氧化碳環境中的腐蝕率低於0.127mm/a。由於添加鉬,進步了耐硫化物應力蝕裂性(SSC) 。這類新型鋼管可以用於pH值為4.0和0.001MPa的硫化氫環境中。這類鋼管的強度為X80級,在實際用於管線時具有充足的低溫韌性。焊後熱處理數分鍾、降低碳含量並添加鈦可以有效地防止在熱影響區產生晶間應力腐蝕裂紋(IGSCC)。這類鋼管可看進一步用於輸送含有腐蝕性氣體的液體,如二氧化碳是一種遐齡命周期低本錢的經濟型材料。

  人們對於石油資本減少的關注日益加強,目前正在開采的油井和氣井的溫度和壓力達到了空前的高度,開采出的液體一般都含有二氧化碳,如許就造成了更多的腐蝕。是以,要在往除腐蝕性物質和水之前輸送液體時,防止流線和收集線的管道被二氧化碳腐蝕就變得極為首要 。此外,這些液體通常含有微量的硫化氫,是以還需要防止氯化物應力蝕裂。在如許的腐蝕環境下,對於以碳鋼為管線材料,傳統防腐蝕方法是向液體中注進防鏽劑,用防鏽劑來防止腐蝕。然而,如許做生產本錢增加 ,特別是近海的管線,是以防鏽劑較少使用,特別是考慮到壽命周期本錢。不采用防鏽劑的另一個啟事是擔心因泄漏事故造成汙染。是以,需要一種不需要使用防鏽劑而又經濟的材料。現有的管線用耐蝕合金,包括雙相不鏽鋼,但缺點是材料本錢高。與此相比,馬氏體不鏽鋼通常的焊接性較差,並且需要預熱和較長時間的焊後熱處理 。是以,考慮到管道展設效率,馬氏體不鏽鋼很少用於管線 。然而,馬氏體不鏽鋼具有適當的耐二氧化碳腐蝕性,而且比雙相不鏽鋼便宜。

  為此,日本某鋼鐵公司采取大量的煉鋼技術措施,如降低碳和氮的含量、控製和添加合金元素以改善馬氏體不鏽鋼的焊接性,開發出具有良好的焊接性和耐蝕性的管線用馬氏體不鏽鋼無縫管。

  1開發的進程

  1.1目標特性

  開發的目標如下:

  (1)焊接性:焊接不需要預熱;

  (2)熱影響區最大硬度:HV350或者更低;

  (3)耐二氧化碳腐蝕性 :耐5%NaCl,二氧化碳分壓為3.0MPa ,150℃的腐蝕環境;

  (4)耐硫化物應力蝕裂性(SSC):耐5%NaCl,0.001MPaH2S,pH4.0;

  (5)強度:X80級(550MPa或屈服強度更高);

  (6)低溫韌性:100J或在-40℃下有更高的夏氏衝擊韌性吸收能 。

  1.2化學成分設計

  鋼管的化學成分設計要考慮合金元素對馬氏體不鏽鋼的焊接性、耐蝕性、熱加工性和其他特性的影響。特別是焊接性的研究根據用於二氧化碳環境的石油管的KO-13Cr(0.20C-13Cr-0.03N)的化學成分,同時在基體材料中保持同等的耐蝕性。根據表1關於化學成分對熱加工性和其他特性的影響的研究結果,這類鋼的化學成分終究確定為12Cr-5Ni-2Mo-0.01N,0.015C或更低。

  1.2.1焊接性

  由於馬氏體不鏽鋼在焊接時存在產生焊接裂紋的傾向 ,在實際利用中要進行預熱以防止產生裂紋。焊接裂紋是由溶解到焊接金屬和焊接熱影響區中的氫和熱影響區馬氏體相變引發的硬化和殘餘應力引發的 。是以,在材料方麵防止焊接裂紋的有效手段是降低碳和氮的含量以抑製因馬氏體相變引發的硬化。表1所示為低C+N馬氏體不鏽鋼的Y形坡口焊抗裂試驗結果。抗裂試驗用鋼含碳或氮0.03%,同時將鋼中的碳和氮都將低到0.01%,不進行抗裂試驗,在30℃下預熱。結果說明假如碳和氮的含量降低到0.01%,不經預熱進行焊接是可能的。現有的煉鋼技術可以將碳和氮的含量降低到如此低的水平。

表1 低C+N馬氏體不鏽鋼的Y形坡口焊抗裂試驗結果

材料

預熱溫度

30℃

70℃

100℃

0.03C-0.01N

11Cr-1.0Ni-0.5Cu

有裂紋

有裂紋

有裂紋

0.01C-0.03N

11Cr-1.0Ni-0.5Cu

有裂紋

有裂紋

有裂紋

0.01C-0.01N

12Cr-1.0Ni-0.5Cu

無裂紋

無裂紋

無裂紋

 

12Cr-1.0Ni-1.0Cu

無裂紋

無裂紋

無裂紋

 

12Cr-2.0Ni-0.5Cu

無裂紋

無裂紋

無裂紋

板的厚度:15mm

焊接材料:410HSMAW,4Ф(可擴散氫;4.28cm3/100g)

焊接條件 :電流:160A

電壓:24~26V

速度:150mm/min

試驗條件 :室溫:30℃,

濕度:60%RH

  1.2.2耐二氧化碳腐蝕性

  降低碳含量還能改善鋼的耐二氧化碳腐蝕性。試驗表明,不同化學成分的馬氏體不鏽鋼具有不同的耐二氧化碳腐蝕性,腐蝕率與二氧化碳指數的關係由Cr-10C+2Ni確定。進步鉻和鎳的含量、降低碳的含量可改善鋼的耐二氧化碳腐蝕性。這大概是由於降低碳含量就降低了碳化鉻的含量,因此進步了鉻的溶解量,進而有效地防止了腐蝕。

  1.2.3耐硫化物應力蝕裂性

  由於馬氏體不鏽鋼的硫化物應力蝕裂始發於點狀腐蝕,改善了耐點蝕性即可改善耐硫化物應力蝕裂性。已知合金元素鉬可改善鋼的耐點蝕性。試驗表明,將鎳的含量從4%進步到5%的試驗結果無差別,而將鉬的含量從1%進步到2%,硫化物應力蝕裂的發生趨向低pH值、高硫化氫分壓,或更加惡劣的環境。這一現象說明,添加1%的鉬即可充分地確保在5%NaCl,0.001MPaH2S,pH4.0的環境下的耐硫化物應力蝕裂性,這就是開發這類鋼的目標。然而,由於熱影響區的耐點蝕性可能低於基體金屬 ,添加2%的鉬即可確保穩定的耐點蝕性。

  2新型鋼管的特性

  對新開發的鋼管的特性進行了測試,試樣為無縫管,外徑為273mm,壁厚12.7mm ,其化學成分列於表2,並進行了淬火和回火處理以得到X80級的產品。用這類產品及用25Cr雙相不鏽鋼做焊接材料,第一道次用氣體保護鎢極電弧焊(GTAW),第二道次用氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)進行環形焊縫焊接。焊接材料的化學成分示於表2,焊接條件示於表3,未進行預熱或焊後熱處理。

表2 用於環形焊縫焊接的基體金屬和焊絲的化學成分 wt%

材料

C

Cr

Ni

Mo

N

基體金屬

<0.015

12

5.1

2

0.01

GTAW焊絲

0.01

25.3

9.5

4

0.27

GMAW焊絲

0.02

25.1

9.6

4

0.27

表3 環形焊縫焊接條件

道次

焊接方法

焊接材料

焊接位置

保護氣體

層間溫度

電流

電壓

速度

輸進熱量

A

V

mm/min

kJ/mm

1

GTAW

Ф2.0mm

5G

100%Ar

<25℃

148

13.5

44

2.7

2

GMAW

Ф1.2mm

5G

100%Ar

25℃

145

15

75

1.7

  2.1力學性能

  表4為抗拉試驗結果,強度設定為X80級,焊接接頭斷裂在基體金屬中,表明性能較高。焊接接頭的斷麵分布表明,熱影響區的最大硬度約為HV330 ,這滿足了設計目標HV350或更低的要求。對焊接接頭的夏氏衝擊試驗結果表明,在-80℃和-40℃時的吸收能約為200J,證實了新開發的鋼具有良好的低溫韌性。

表4 焊接接頭和基體金屬的抗拉試驗結果

材料

屈服強度,MPa

抗拉強度,MPa

延伸率,%

斷裂位置

焊接接頭

856

30

基體金屬

基體金屬

634

827

34

  2.2耐二氧化碳腐蝕性

  在高溫順高二氧化碳分壓的環境下進行浸沒試驗,通過丈量重量損失來評定鋼的耐二氧化碳腐蝕性。假定可接受的腐蝕率0.127mm/a為標準,新開發的材料適於160℃、2.0MPa二氧化碳分壓。

  2.3耐硫化物應力蝕裂性

  采用衡載拉伸硫化物應力蝕裂試驗來評估焊接接頭的耐硫化物應力蝕裂性。水溶液混合5%或10%的NaCl,加進0.5%的CH3COOH,采用CH3COONa時,pH值從3.5調到5.0。試驗氣體混進的硫化氫的分壓為0.001~0.007MPa。施加應力為567MPa,其屈服強度相當於基體金屬的90%。試驗結果表明,盡管pH值為3.5時熱影響區發生了硫化物應力蝕裂,但在pH值為4.0和硫化氫分壓為0.001MPa的環境下卻未發生硫化物應力蝕裂。

  3環形焊縫焊接的晶間應力腐蝕裂紋

  據報道,試驗室研究發現,在高溫二氧化碳環境下,在環形焊縫焊接的試樣上產生的晶間應力腐蝕裂紋具有與新開發鋼相似的化學成分。除此以外,另有報道稱,在實際管線中使用的一種無鉬、具有和新開發鋼相似化學成分的材料由於晶間應力腐蝕裂紋而發生了氣體泄漏 。

  3.1產生晶間應力腐蝕裂紋的機理

  為了驗明焊接條件對敏化行為的影響,應力腐蝕裂紋試驗采用的試樣經過兩個道次的模擬焊接熱周期。為了進行惡劣條件下的試驗,腐蝕環境為牶pH值為2.0,U形彎曲試驗法,施加更大的應變。試驗結果表明,一些試樣經過第二道次的熱周期就產生裂紋 。隻經過第一道次的試樣未產生裂紋。

  這些結果表明,激發晶間應力腐蝕斷裂的啟事如下 :在高溫加熱周期時,碳被溶解,在隨後的熱周期中在原始奧氏體的晶界成為碳化物而析出,在晶界的碳化物的四周形成鉻貧化區,進而使材料敏化。

  3.2防止晶間應力腐蝕裂紋的方法

  由於晶間應力腐蝕裂紋大概是因鉻貧化區引發的 ,防止晶間應力腐蝕裂紋可能的方法包括進行焊後熱處理以恢複鉻的擴散,將碳含量降至很低的水平和添加鈦以抑製碳化鉻的析出。

  為了確定焊後熱處理的影響,將含碳100ppm的材料經兩個道次的加熱周期進行敏化,隨後在不同的條件下進行第三個道次的加熱周期。采用類似上述的U形彎曲應力腐蝕裂紋試驗以評估製備的試樣。試驗結果表明,在550~700℃的範圍內加熱數分鍾 ,敏化的試樣無裂紋。這一效應可能是由於熱處理加大了鉻的擴散 ,如許就縮小了鉻貧化區。采用短時間的焊後熱處理(數分鍾),即可防止晶間應力腐蝕裂紋,這對管道的實際展設效率無防礙。

  為了確定降低碳含量,和添加鈦的影響,對不同碳含量和鈦含量的材料進行了評定。將試樣進行450℃、1000s一個加熱周期的處理,這個條件易於引發敏化,進行類似的U形彎曲應力腐蝕紋裂試驗。隨著試驗條件的變化,在試樣的U形彎曲段產生缺口 。試驗結果表明,降低碳含量和添加鈦可抑製裂紋的產生。這大概是由於在焊接時抑製了碳的溶解並改變為碳化鈦而抑製了會引發鉻貧化的碳化鉻析出。是以,降低碳含量和添加鈦是改善材料耐晶間應力腐蝕裂紋的有效方法 。

  4結語  新型馬氏體不鏽鋼無縫管通過降低碳和氮的含量而使其焊接性得到了改善,並通過優化其他合金元素而使其具有良好的耐蝕性和力學性能。  這類新型鋼管的首要特性如下 :  (1)新型鋼管具有良好的焊接性,即使不預熱也無焊接裂縫。  (2)新型鋼管的強度為X80級,在-40℃的低溫韌性夏氏衝擊試驗的吸收能約為200J或更高。  (3)該鋼種具有良好的耐二氧化碳腐蝕性 ,在160℃和2.0MPaCO2環境下的腐蝕率為0.127mm/a或更低。  (4)該鋼種在pH4.0和0.001MPa硫化氫分壓的環境下具有良好的耐硫化物應力蝕裂性。  (5)經過短時間(數分鍾)的焊後熱處理即可防止晶間應力腐蝕裂紋。降低碳含量和添加鈦可有效地改善材料的耐晶間應力腐蝕裂紋性。  由於這類新型鋼管具有良好的焊接性、力學性能和耐蝕性,可用於輸送含有腐蝕性氣體的液體管線,如二氧化碳,是以將會成為低壽命周期本錢的經濟型材料 。

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