抗酸腐蝕石油管線鋼X52MS的開發(fā)

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(tuán)國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易有限公司，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章分析和探討合金元素和非金屬夾雜物對(duì)鋼的抗酸腐蝕性能影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS的化學(xué)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(duì)本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS制成油氣輸送用鋼管進(jìn)行抗HIC和抗SSC性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

抗酸腐蝕管線鋼主要用來(lái)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(duì)成分設(shè)計(jì)、冶煉技術(shù)、軋制技術(shù)及冶金裝備水平都有十分嚴(yán)格的要求，因此抗酸管線鋼的生產(chǎn)代表著一個(gè)國(guó)家一個(gè)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(jí)最高、生產(chǎn)難度最大的鋼種，其對(duì)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(duì)生產(chǎn)工藝，特別是煉鋼工藝有非常嚴(yán)格的要求。本鋼已大批量穩(wěn)定生產(chǎn)了X52MS級(jí)別的石油管線用鋼，為了滿足市場(chǎng)的需求，通過(guò)對(duì)不同合金元素和非金屬夾雜物對(duì)抗酸腐蝕管線鋼腐蝕機(jī)理的分析研究，利用本鋼先進(jìn)的冶煉和軋制設(shè)備，在保證X52MS力學(xué)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮抗酸腐蝕性能，設(shè)計(jì)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(jìn)行抗HIC和抗SSC檢驗(yàn)，具有良好的抗HIC和抗SSC性能，本鋼具備批量生產(chǎn)X52MS級(jí)抗酸腐蝕石油管線鋼的生產(chǎn)能力。

技術(shù)指標(biāo)及腐蝕因素

力學(xué)性能和工藝性能

產(chǎn)品鋼卷力學(xué)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM0284—2011“管線鋼和壓力容器鋼抗氫致裂紋評(píng)估”對(duì)氫致裂紋(HIC)檢驗(yàn)要求，具體要求見表2。

表1　力學(xué)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(shí)驗(yàn)室檢測(cè)”標(biāo)準(zhǔn)對(duì)酸性環(huán)境下防止應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)檢驗(yàn)要求,采用低倍顯微鏡放大10倍檢驗(yàn)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(duì)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(dāng)量的增加會(huì)使鋼在熱軋時(shí)生成對(duì)氫致鼓泡最為敏感的馬氏體組織。因此，降低碳含量和碳當(dāng)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(bǔ)低碳造成的強(qiáng)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(huì)引起對(duì)HIC敏感的帶狀組織形成，因而增加錳含量會(huì)導(dǎo)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(jìn)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(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，增強(qiáng)管線鋼抗HIC能力。

◆ 非金屬夾雜物對(duì)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?yàn)榉墙饘賷A雜物界面是強(qiáng)的氫陷阱，夾雜物界面面積越大，其捕獲氫原子的能力越強(qiáng)。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(dāng)鋼中A類或C類非金屬夾雜級(jí)別超過(guò)1.5級(jí)時(shí)，鋼的氫致鼓泡數(shù)量急劇增加，即鋼的HIC敏感性急劇增強(qiáng)。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(shí)際生產(chǎn)中，HIC主要存在于細(xì)長(zhǎng)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(kuò)展。

通過(guò)以上分析，本鋼在抗酸腐蝕管線鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)上應(yīng)以低碳，極低磷、超低硫和微合金化為主要設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)鋼的抗HIC性能非常有害的MnS夾雜，并對(duì)夾雜物進(jìn)行變性處理，使硫化物成細(xì)小彌撒分布，同時(shí)使組織均勻細(xì)化、致密。

采用的生產(chǎn)工藝措施

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(jī)能檢驗(yàn)→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?fù)吹轉(zhuǎn)爐的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)低吹攪拌，實(shí)現(xiàn)前期的強(qiáng)化脫磷；

(2) 擋渣出鋼，嚴(yán)格控制進(jìn)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(jìn)行，嚴(yán)格控制鋼中的氮、氫、氧含量，保證鋼水達(dá)到超低硫，在精煉末期進(jìn)行鈣質(zhì)處理，增加軟吹時(shí)間，控制非金屬夾雜物形貌；

(4) 連鑄全過(guò)程采用保護(hù)澆注，中包過(guò)熱度要求為27 ℃，采用本鋼鑄機(jī)狀態(tài)最好的7號(hào)鑄機(jī)澆注，澆注過(guò)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(duì)鋼液的影響，同時(shí)，采用輕壓下工藝，消除連鑄坯中心偏析；

(6) 對(duì)鑄坯進(jìn)行在線檢驗(yàn)，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(zhǎng)的均熱時(shí)間，充分發(fā)揮Nb、Ti微合金化作用；

(2) 控制進(jìn)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。

生產(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果和分析

化學(xué)成分和低倍組織

化學(xué)成分和低倍組織檢驗(yàn)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(xué)成分控制較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其中氣體含量和S、P控制較低；鑄坯低倍組織檢驗(yàn)中除中心偏析和中心疏松1.0級(jí)外，其它缺陷最高級(jí)別0.5或無(wú)，鑄坯內(nèi)部組織控制好，通過(guò)對(duì)鑄坯表面在線檢驗(yàn)，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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表4　試驗(yàn)鋼連鑄板坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果

圖1　金相組織檢驗(yàn)照片

金相組織和非金屬夾雜物檢驗(yàn)

圖1和圖2非金屬夾雜物檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)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(jí)別為0.5，特別是對(duì)抗HIC和抗SSC性能影響較大的A類和C類夾雜物級(jí)別是0，金相組織均勻細(xì)小，說(shuō)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(jì)合理。

力學(xué)性能和工藝性能檢驗(yàn)結(jié)果

從力學(xué)性能和工藝性能檢驗(yàn)結(jié)果看出，力學(xué)和工藝性能、沖擊功、DWTT的檢驗(yàn)，全部滿足X52MS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到X52MS級(jí)管線鋼的使用性能的要求。

圖2　非金屬夾雜物檢驗(yàn)照片

抗HIC和抗SSC性能檢驗(yàn)

生產(chǎn)的合格板卷制管后進(jìn)行抗HIC和抗SSC性能檢驗(yàn)。HIC檢驗(yàn)溶液采用A、B兩種溶液分別進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為NACE TM0284—2011；抗SSC檢驗(yàn)采用NACE TM0177—1996標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行A溶液試驗(yàn)，按照ASTM G39采用四點(diǎn)彎曲試樣，試驗(yàn)時(shí)間為720 h，試驗(yàn)加載應(yīng)力：72%SMYS(規(guī)定最小屈服強(qiáng)度)=72%×360 MPa=259.2 MPa，在低倍顯微鏡放大10倍檢驗(yàn)試樣的受拉伸面。通過(guò)檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)論

(1) 本鋼生產(chǎn)的抗酸腐蝕管線鋼X52MS化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)工藝措施得當(dāng)，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(xué)和工藝性能、沖擊功、DWTT指標(biāo)完全滿足X52MS級(jí)別管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 用本鋼抗酸腐蝕管線鋼X52MS生產(chǎn)的X52MS級(jí)油氣輸送用鋼管，抗HIC和抗SSC性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4) 本鋼已具備生產(chǎn)X52MS級(jí)抗酸腐蝕管線鋼的生產(chǎn)能力，可為市場(chǎng)提供批量生產(chǎn)。

作者簡(jiǎn)介：劉德明(1973—)，男，畢業(yè)于北京科技大學(xué)金屬物理專業(yè)，現(xiàn)在本鋼集團(tuán)國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易有限公司營(yíng)銷管理部副部長(zhǎng)，從事商務(wù)工作，材料工程師。

DOI:10.3969/j.issn.1000–6826.2015.04.02