馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼及其制造無(wú)縫鋼管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂雙相不銹鋼制造領(lǐng)域，特別涉及一種用于石油、天然 氣開(kāi)采用高強(qiáng)度、高韌性馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼及其制造無(wú)縫鋼管的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，由于新興國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油、天然氣等能源需求顯著增長(zhǎng)，因此 也使得天然氣和石油的勘探與開(kāi)采面臨著更加嚴(yán)苛的服役環(huán)境，這其中包括地層溫度 (100-250°C)和地層壓力的交互作用，含有高氯離子濃度、較低的pH值以及H2S和C02濕性環(huán) 境，復(fù)雜的腐蝕環(huán)境極易引起金屬材料在使用過(guò)程中發(fā)生點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂從而引起 油、氣開(kāi)采管道的失效。
[0003]為了保證穩(wěn)定、安全的油氣資源開(kāi)采以及防止金屬材料由于腐蝕的破壞作用而過(guò) 早的發(fā)生失效，油井管材在成分設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各元素對(duì)耐蝕性能的影響。首先要嚴(yán)格 控制有害元素如磷，硫以及五害元素的含量，因?yàn)檫@些元素會(huì)在鋼中形成夾雜物，難以去 除，除了降低力學(xué)性能，還會(huì)影響抗腐蝕性能。另外盡可能低的減少合金中的碳含量，如果 碳元素含量過(guò)高，熱處理過(guò)程中容易在晶界上形成大量粗大的碳化物，而腐蝕環(huán)境中的氫 離子容易沿碳化物與基體界面進(jìn)入發(fā)生析氫反應(yīng)從而引起氫致開(kāi)裂。除此之外，添加具有 抗腐蝕作用的元素是提高合金耐蝕性的重要途徑，其主要作用機(jī)制是提高基體電極電位， 或者使金屬材料的表面易于形成鈍化膜，降低基體金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸面積，從而提高 材料的耐腐蝕性能，例如Cr是生成Cr2〇3保護(hù)膜的重要元素，隨著Cr含量的增加，合金的腐蝕 電位和臨界鈍化電位均向負(fù)電位方向移動(dòng)，因此有利于鈍化膜的形成與再修復(fù)。Mo元素的 加入能夠促進(jìn)鈍化膜的形成，含有Mo元素的鈍化膜具有較高的穩(wěn)定性，并能有效地抑制氯 離子進(jìn)入基體而產(chǎn)生的點(diǎn)蝕。
[0004]目前，在上述腐蝕環(huán)境中多采用含有Cr、Ni、Mo等合金元素含量較高的雙相不銹鋼 和鎳基合金作為管道材料。其中雙相鋼的化學(xué)成份范圍主要為20-25 %Cr，4-8 %Ni以及2-4%Mo,鎳基合金的化學(xué)成分主要為19-30%Cr，25-60%Ni以及2-14%Mo,然而由于上述材 料具有較高的合金元素含量使得這些合金的生產(chǎn)成本較高，此外，為了滿(mǎn)足作為油井管的 強(qiáng)度要求，后續(xù)的冷加工強(qiáng)化成為必不可少的加工工序，這樣進(jìn)一步加長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。而隨 著近年來(lái)由于國(guó)際油價(jià)大幅下降，而使得油、氣開(kāi)采成本壓力顯著增加。作為油井管道材料 需要較高的強(qiáng)度，一般0.2%殘余塑性變形的屈服強(qiáng)度需要達(dá)到110ksi(758MPa)以上，以及 良好的沖擊韌性，溫度為_(kāi)l〇°C時(shí)沖擊吸收功不低于60J，另外還需要在高溫（150度以上）、 高cr濃度環(huán)境下具有良好的抗C02均勻腐蝕性能，常溫下具有耐硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。 因此開(kāi)發(fā)一種低成本且具有優(yōu)異抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能的新型不銹鋼品種變得極為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)中存在問(wèn)題，本發(fā)明目的是提供一種馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不 銹鋼及其制造無(wú)縫鋼管的方法，以利于優(yōu)化馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼無(wú)縫鋼管的生產(chǎn) 工藝，無(wú)需后續(xù)冷加工硬化，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品性能，使該鋼種的無(wú)縫鋼管屈服強(qiáng)度 達(dá)到110ksi(758MPa)以上，另外還需要在150度以上高溫、高Cr濃度環(huán)境下具有良好的抗 C02均勻腐蝕性能，常溫下具有耐硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹 鋼，該不銹鋼化學(xué)成分包括以下元素組成:按質(zhì)量百分比計(jì)，C:0.05 %以下、Si:0.5%以下， 皿11:0.6%以下、？：0.02以下、5 :0.003%以下、0:16%~18%、附：3.0%~5.5%、]\1〇 :1.5% ~4.0%、￥:1.0%~2.0%、〇1:1.5%~3.5%、￥ :0.1%以下、他：0.1%以下、10.01%~ 0.05%，A1: 0.02%以下、Ce:0.005%~0.02%，其余為Fe元素及雜質(zhì)；
[0007]該不銹鋼具有馬氏體與δ鐵素體兩相組織，其中δ鐵素體為兩相組織體積的30%~ 55%〇
[0008]同時(shí)提供利用權(quán)利要求1所述馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼制造無(wú)縫鋼管的方 法，該方法包括以下工序，鋼坯加熱，斜乳穿孔，熱連乳和熱處理工藝，所述斜扎穿孔過(guò)程的 鋼坯溫度不低于1l〇〇°C，穿孔變形量不大于65 %，熱連乳溫度不低于1000°C，變形量不大于 55 %，熱處理工藝包括淬火與回火，淬火處理溫度為960~1050°C，保溫時(shí)間不少于35分鐘， 冷卻方式為水冷或者水霧冷卻，回火處理溫度為550~630°C，保溫時(shí)間不少于35分鐘。
[0009]本發(fā)明的效果是通過(guò)新鋼種的合金成分設(shè)計(jì)、嚴(yán)格控制有害元素、夾雜物含量以 及開(kāi)發(fā)適合新鋼種的乳制工藝，可以生產(chǎn)出表面質(zhì)量良好馬氏體強(qiáng)化雙相鋼無(wú)縫鋼管產(chǎn) 品，該產(chǎn)品無(wú)需后續(xù)冷加工，經(jīng)過(guò)熱處理后其0.2%殘余變形的屈服強(qiáng)度可達(dá)到llOksi (758MPa)以上，斷裂延伸率不低于20%。全尺寸橫向試樣沖擊吸收功(_10°C)不低于60J，室 溫下具有一定的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，高溫腐蝕環(huán)境中具有良好的抗C02均勻腐蝕 性能，并且其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于相同鋼級(jí)的雙相不銹鋼和鎳基耐蝕合金無(wú)縫鋼管產(chǎn)品。如經(jīng) 過(guò)冷加工強(qiáng)化的125ksi2507超級(jí)雙相鋼無(wú)縫鋼管市場(chǎng)售價(jià)為8~10萬(wàn)元人民幣每噸，而本 發(fā)明所開(kāi)發(fā)鋼種熱處理后強(qiáng)度即可達(dá)到125ksi，其無(wú)縫鋼管生產(chǎn)成本可控制在每噸5萬(wàn)元 人民幣以下，并且抗C02應(yīng)力腐蝕性能并不劣于2507雙相不銹鋼。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1本發(fā)明的馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼金相組織示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面將結(jié)合實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的馬氏體相變強(qiáng)化型雙相不銹鋼及其無(wú)縫鋼管制 造方法。
[0012] 首先對(duì)鋼中合金元素的作用以及新鋼種合金化原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。眾所周知，金 屬材料中有多種方式可以達(dá)到較好的強(qiáng)化效果，如晶粒細(xì)化，共格界面強(qiáng)化，析出物強(qiáng)化， 位錯(cuò)強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等，然而在提高強(qiáng)度的同時(shí)還需要保證良好的斷裂韌性，則需要綜合 利用上述幾種強(qiáng)化機(jī)制，如果只單獨(dú)利用某一強(qiáng)化機(jī)制，則難以達(dá)到良好的強(qiáng)度與韌性匹 配。除此之外，作為油井管的金屬材料還要同時(shí)具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，因此在合金成分、 組織設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮各元素對(duì)合金抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能的影響。
[0013]含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%以上的Cr元素可以有效的提高不銹鋼在高溫環(huán)境的抗C02均勻 腐蝕性能，因?yàn)镃r元素具有很強(qiáng)的鈍化能力，而鈍化膜的形成可以有效阻止金屬基體與腐 蝕環(huán)境的接觸。另外，Ni元素可以提高合金的腐蝕電位，使合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性增加，Mo、W元素可以提高耐氯離子腐蝕能力，提高鈍化膜的穩(wěn)定性，Cu元素可以阻止陽(yáng)極過(guò)程，提高基 體的腐蝕電位以及點(diǎn)蝕擊穿電位，對(duì)局部腐蝕起阻滯作用。N元素則有利于提高含有氯化物 腐蝕介質(zhì)的耐點(diǎn)蝕與縫隙腐蝕能力，此外，還可以抑制點(diǎn)蝕坑中pH值的不斷降低，從而促進(jìn) 金屬表面的再鈍化。
[0014]馬氏體相變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)以及各種復(fù)雜的界面對(duì)金屬基體產(chǎn)生良好 的強(qiáng)化效果，然而高密度位錯(cuò)在含有硫化物腐蝕介質(zhì)中極易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因?yàn)镠+容 易沿位錯(cuò)侵入基體并集聚引發(fā)應(yīng)力集中而導(dǎo)致氫致開(kāi)裂(HydrogenInducedCracking)， 典型的例子是含有13% (質(zhì)量百分比）Cr元素的馬氏體不銹鋼即使在含有少量硫化氫環(huán)境 中也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。而S鐵素體組織由于很低的位錯(cuò)密度可以有效的防止硫化氫環(huán) 境中應(yīng)力腐蝕