具有低温下最佳韧性和抗硫化物应力腐蚀破裂性能的厚壁钢管制造技术

本发明专利技术的实施方式公开了碳钢和由其制造厚壁管(壁厚大于或等于大约35mm)的方法。在一种实施方式中，钢组合物被加工成具有大于大约15或20μm且小于大约100μm的平均原奥氏体晶粒度。根据这一组合物，确定淬火次序，提供一种微观结构具有大于或等于大约50％体积的马氏体和小于或等于大约50％体积的下贝氏体，不会显著形成铁素体、上贝氏体或粒状贝氏体。淬火后，管可以经历回火。淬火和回火后管的屈服强度可以大于大约450MPa(65ksi)或485MPa(70ksi)，并且机械性能检测发现，淬火和回火后的管适用于450MPa等级和485MPa等级，并且具有抗硫化物应力腐蚀破裂性能。

【技术实现步骤摘要】
具有低温下最佳韧性和抗硫化物应力腐蚀破裂性能的厚壁钢管
本专利技术总体涉及金属制品，某些实施方式涉及制造低温下具有高韧性同时具有抗硫化物应力腐蚀破裂性能的金属管形杆件的方法。某些实施方式涉及油气工业中的立管、管线用管和流送管线所使用的厚壁无缝钢管，包括适于弯曲的各种管。
技术介绍
在世界遥远地区进行离岸油气储量开采日益远离可利用相对传统的管路方案的状况并向着更多要求的环境靠近。这些更多要求的环境包含非常复杂因素的组合，例如包括深海位置、压力和温度升高的井、更具有腐蚀性的产物以及更低的设计温度。这些状况再加上已经与用于离岸油气开采应用的管路规格相关联的严格可焊性和韧性标准，对材料和供给能力施加了更高的要求。这些要求在涉及腐蚀性组合物和高操作压力的工程发展项目中很明显，这些项目往往需要非常大的壁厚、酸性使用环境的碳钢。例如，当壁厚(WT)低于35mm时，大多数无缝管线用管制造商能够根据美国石油学会(API)5L和国际标准化组织(ISO)的3183标准制造等级X65和X70同时具有抗硫化物应力腐蚀(SSC)和氢致破裂(HIC)性能的管。然而，已经证明强度和韧性的矛盾要求，结合对抗硫化物应力腐蚀(SSC)和抗氢致破裂(HIC)性能的需要(例如酸性难以在厚壁管上(例如WT大于或等于35mm)，难以得到满足。在例如酸性使用环境、深海和超深海、类北极地区等应用所需的叉管路工程的复杂情况下，厚壁弯曲也已经成为管的重要特征。
技术实现思路
本专利技术的实施方式涉及钢管或管及其制造方法。在一些实施方式中，用于管线用管和立管的厚壁无缝淬火和回火(Q&T)钢管被设置成具有大于或等于35mm的壁厚(WT)，分别为65ksi和70ksi的最小屈服强度，最佳低温韧性和抗腐蚀性(酸性使用，H2S环境)。在一些实施方式中，这些无缝管还适于通过导热弯曲和离线淬火和回火处理形成相同等级的弯曲部分。在一种实施方式中，钢管具有6″(152mm)到28″(711mm)之间的外径(OD)以及大于35mm的壁厚(WT)。在一种实施方式中，无缝低合金钢管的组合物包括(按重量计)：0.05％-0.16％碳，0.20％-0.90％锰，0.10％-0.50％硅，1.20％-2.60％铬，0.05％-0.50％镍，0.80％-1.20％钼，最大0.80％钨，最大0.03％铌，最大0.02％钛，0.005％-0.12％钒，0.008％-0.040％铝，0.0030-0.012％氮，最大0.3％铜，最大0.01％硫，最大0.02％磷，0.001-0.005％钙，最大0.0020％硼，最大0.020％砷，最大0.005％锑，最大0.020％锡，最大0.030％锆，最大0.030％钽，最大0.0050％铋，最大0.0030％氧，最大0.00030％氢，其余为铁和不可避免的杂质。钢管可以被制成不同的等级。在一种实施方式中，60ksi等级的钢管具有以下性能：屈服强度YS：最小450MPa(65ksi)，最大600MPa(87ksi)。极限抗拉强度UTS：最小535MPa(78ksi)，最大760MPa(110ksi)。伸长率：不小于20％。YS/UTS比率不大于0.91。在另一实施方式中，70ksi等级的钢管具有以下性能：屈服强度YS：最小485MPa(70ksi)，最大635MPa(92ksi)。极限抗拉强度UTS：最小570MPa(83ksi)，最大760MPa(120ksi)。伸长率：不小于18％。YS/UTS比率不大于0.93。对于根据标准ISO148-1在大约70℃温度下完成的纵向和横向CharpyV形切口(CVN)测试来说，钢管可以具有最小200J/150J(平均/单个)的最小冲击能量和最小80％的平均剪切面积。通过根据ASTM208标准的落锤实验(DWT)的测量，管还可以具有低于-70℃的延性-脆性转变温度。在一种实施方式中，钢管可以具有最大248HV10的硬度。根据本专利技术的实施方式制成的钢管具有抗氢致破裂(HIC)性能和抗硫化物应力腐蚀破裂(SSC)性能。在一种实施方式中，采用NACE方案A和96小时测试周期根据NACE标准TM0284-2003第21215项完成HIC测试，提供以下HIC参数(平均在三个样本的三段上)：裂纹长度比率，CLR＜5％裂纹厚度比率，CTR＝1％裂纹灵敏度比率，CSR＝0.2％。在另一实施方式中，采用测试方案A和720小时的测试周期根据NACETM0177完成SSC测试，在90％的规定最小屈服应力(SMYS)下没有任何失效。根据本专利技术的某些实施方式制成的钢管具有不包含任何铁素体、任何上贝氏体和任何粒状贝氏体的微观结构。它们可以由体积百分比大于50％、大于60％、优选大于90％、最优选大于95％(根据ASTME562-08测定)的回火马氏体和体积百分比小于40％、优选小于10％、最优选小于5％的回火下贝氏体构成。在一些实施方式中，马氏体和贝氏体可以在以900℃-1060℃温度重新加热达到300s-3600s均热时间以及以等于或大于7℃/秒的冷却速率进行淬火之后分别在低于450℃和540℃的温度下形成。在另一种实施方式中，通过ASTM标准E112标准测定的平均原奥氏体晶粒度大于15μm(直线截距)且小于100μm。在一种实施方式中，回火后的钢管由大角度边界分隔的区域的平均尺寸(也就是板条束尺寸)小于6μm(优选小于4μm，最优选小于3μm)。板条束尺寸作为在由扫描电子显微镜(SEM)截取的图像上的直线截距可以利用电子后扫描衍射(EBSD)信号进行测量，大角度边界被认为是错向大于45°的高角度边界。微观结构还可以包括组合物MX、M2X(其中M是钒、钼、铌或铬并且X是碳或氮)且尺寸小于40nm的细沉淀物，此外还有组合物M3C、M6C、M23C6且平均直径在大约80nm到大约400nm的范围内的粗沉淀物(采用萃取复型法通过透射电子显微镜(TEM)检查沉淀物)。在一种实施方式中，提供一种钢管。该钢管包括钢组合物，钢组合物具有：重量百分比大约0.05％-大约0.16％的碳；重量百分比大约0.20％-大约0.90％的锰；重量百分比大约0.10％-大约0.50％的硅；重量百分比大约1.20％-大约2.60％的铬；重量百分比大约0.05％-大约0.50％的镍；重量百分比大约0.80％-大约1.20％的钼；重量百分比大约0.005％-大约0.12％的钒；重量百分比大约0.008％-大约0.04％的铝；重量百分比大约0.0030％-大约0.0120％的氮；以及重量百分比大约0.0010％-大约0.005％的钙；所述钢管的壁厚大于或等于大约35mm；以及钢管被加工成具有65ksi或更大的屈服强度并且钢管的微观结构包括体积百分比大于或等于大约50％的马氏体和体积百分比小于或等于大约50％的下贝氏体。在另一实施方式中，提供一种制造钢管的方法。该方法包括：提供具有碳钢组合物的钢。该方法还包括将钢制成具有大于或等于大约35mm的壁厚的管。该方法另外包括在第一加热操作中将成形的钢管加热到大约900℃到大约1060℃的温度范围内。该方法还包括以大于或等于大约7℃/秒的速率对成形的钢管进行淬火，其中得到淬火的钢管的微观结构是体积百分比大于或等于大约50％的马本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.02.07 IT MI2011A0001791.一种厚壁无缝钢管，包括：钢组合物，其包含：重量百分比0.05％-0.16％的碳；重量百分比0.20％-0.90％的锰；重量百分比0.10％-0.50％的硅；重量百分比1.80％-2.50％的铬；重量百分比0.05％-0.50％的镍；重量百分比0.80％-1.20％的钼；重量百分比0.005％-0.12％的钒；重量百分比0.008％-0.04％的铝；重量百分比0.0030％-0.0120％的氮；重量百分比0.0005％-0.0012％的硼；以及重量百分比0.0010％-0.005％的钙；其中钢组合物的其余组份包括铁和杂质；其中所述钢管的壁厚大于或等于35mm；以及其中钢管被加工成具有450Mpa或更大的屈服强度并且钢管的微观结构包括体积百分比大于或等于50％的马氏体和体积百分比小于或等于50％的下贝氏体。2.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，钢组合物还包括：重量百分比0-0.80％的钨；重量百分比0-0.030％的铌；重量百分比0-0.020％的钛；重量百分比0-0.30％的铜；重量百分比0-0.010％的硫；重量百分比0-0.020％的磷；重量百分比0-0.020％的砷；重量百分比0-0.0050％的锑；重量百分比0-0.020％的锡；重量百分比0-0.030％的锆；重量百分比0-0.030％的钽；重量百分比0-0.0050％的铋；重量百分比0-0.0030％的氧；重量百分比0-0.00030％的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。3.如权利要求2所述的钢管，其特征在于，所述钢组合物包括：重量百分比0.07％-0.14％的碳；重量百分比0.30％-0.60％的锰；重量百分比0.10％-0.40％的硅；重量百分比1.80％-2.50％的铬；重量百分比0.05％-0.20％的镍；重量百分比0.90％-1.10％的钼；重量百分比0-0.60％的钨；重量百分比0-0.015％的铌；重量百分比0-0.010％的钛；重量百分比0-0.20％的铜；重量百分比0-0.005％的硫；重量百分比0-0.012％的磷；重量百分比0.050％-0.10％的钒；重量百分比0.010％-0.030％的铝；重量百分比0.0030％-0.0100％的氮；重量百分比0.0010％-0.003％的钙；重量百分比0-0.015％的砷；重量百分比0-0.0050％的锑；重量百分比0-0.015％的锡；重量百分比0-0.015％的锆；重量百分比0-0.015％的钽；重量百分比0-0.0050％的铋；重量百分比0-0.0020％的氧；重量百分比0-0.00025％的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。4.如权利要求2所述的钢管，其特征在于，所述钢组合物包括：重量百分比0.08％-0.12％的碳；重量百分比0.30％-0.50％的锰；重量百分比0.10％-0.25％的硅；重量百分比2.10％-2.40％的铬；重量百分比0.05％-0.20％的镍；重量百分比0.95％-1.10％的钼；重量百分比0-0.30％的钨；重量百分比0-0.010％的铌；重量百分比0-0.010％的钛；重量百分比0-0.15％的铜；重量百分比0-0.003％的硫；重量百分比0-0.010％的磷；重量百分比0.050％-0.07％的钒；重量百分比0.015％-0.025％的铝；重量百分比0.0030％-0.008％的氮；重量百分比0.0015％-0.003％的钙；重量百分比0-0.015％的砷；重量百分比0-0.0050％的锑；重量百分比0-0.015％的锡；重量百分比0-0.010％的锆；重量百分比0-0.010％的钽；重量百分比0-0.0050％的铋；重量百分比0-0.0015％的氧；重量百分比0-0.00020％的氢；以及组合物的其余组分包括铁和杂质。5.如权利要求1-4中任意一项所述的钢管，其特征在于，所述屈服强度为485Mpa或更大。6.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，所述钢管的微观结构基本上由马氏体和下贝氏体组成。7.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，所述钢管的微观结构不包括铁素体、上贝氏体和粒状贝氏体中的一个或多个。8.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，马氏体的体积百分比大于或等于90％并且下贝氏体的体积百分比小于或等于10％。9.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，微观结构具有15μm到100μm的原奥氏体晶粒度。10.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，加工后钢管的板条束尺寸小于或等于6μm，其中，所述板条束尺寸是钢管由大角度边界分隔的区域的平均尺寸。11.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，在钢管中存在具有组合物MX或M2X且平均直径小于或等于40nm的一种或多种颗粒，其中M选自钒、钼、铌和铬并且X选自碳和氮。12.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，延性到脆性的转变温度小于-70℃。13.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，CharpyV形切口能量大于或等于150J/cm2。14.如权利要求1所述的钢管，其特征在于，在承受90％的屈服应力作用并根据NACET...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃托雷·阿内利，马里亚诺·阿门戈尔，保罗·诺韦利，费代里科·廷托里，
申请(专利权)人：道尔曼股份公司，
类型：发明
国别省市：