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大口徑S32750無縫鋼管的組織與性能
摘要：采用熱穿孔工藝，結(jié)合多道次冷軋變形，開發(fā)出大口徑S32750無縫鋼管，規(guī)格為251×17mm。結(jié)果表明：S32750無縫鋼管金相組織優(yōu)良，鐵素體含量約45%～55%。鋼管具有良好的力學(xué)性能，低溫沖擊功可達(dá)70J以上。同時(shí)，鋼管具有較好的耐點(diǎn)腐蝕性能，腐蝕速率小于3.0mdd。本次開發(fā)的大口徑S32750無縫鋼管化學(xué)組成、金相組織及室溫力學(xué)性能、低溫沖擊性能均滿足ASME SA790、ISO 13680等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于石化、海洋、油氣開采等領(lǐng)域。
超級(jí)雙相不銹鋼(UNS S32750)由于超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設(shè)計(jì)，與UNS S32205雙相不銹鋼相比，具有更高的強(qiáng)度、更好的耐點(diǎn)腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕性能。目前主要用于各種苛刻環(huán)境，尤其是在高氯化物環(huán)境中，常用作海水熱交換器、海底油田管道纜、海水淡化等裝置。
苛刻的酸性油氣田環(huán)境中，根據(jù)介質(zhì)濃度、溫度、壓力等工況，可選用的材料主要有馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鎳基合金等。因此，在一些高溫、高壓、高含CO2、H2S環(huán)境中常采用鎳基合金材料。而在一些含CO2、Cl-且H2S含量較低的油氣開采環(huán)境中，S32750合金由于具有冷加工硬化顯著、抗應(yīng)力腐蝕性能好、耐點(diǎn)蝕，相對(duì)于鎳基合金油井管而言，具有價(jià)格低、性能相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，綜合性能則優(yōu)于馬氏體不銹鋼。因此得到越來越廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用形式主要是管材[1]-[5]。
通常來講，無縫鋼管尺寸較小時(shí)，通過熱擠壓工藝或者熱穿孔工藝，結(jié)合冷軋工藝可以生產(chǎn)出符合要求的超級(jí)雙相無縫鋼管。但是，對(duì)于大口徑超級(jí)雙相無縫鋼管，采用熱擠壓工藝生產(chǎn)比較困難，特別是管材長度要求較長時(shí)。因此，針對(duì)大口徑(外徑大于219mm)、長度較長(9m以上)等特殊需求，本公司開展了S32750超級(jí)雙相無縫鋼管的研制開發(fā)，并形成了批量生產(chǎn)的能力。
大口徑S32750合金無縫鋼管的整個(gè)開發(fā)制造流程可以簡化為：鋼錠冶煉→鍛造開坯→管坯加工→熱穿孔→冷軋成形→固溶熱處理→酸洗→檢驗(yàn)→成品。
鋼坯由某特鋼公司提供，采用電爐+AOD精煉工藝冶煉。經(jīng)公司入廠復(fù)驗(yàn)，管坯化學(xué)成分見表1，結(jié)果表明成分符合ASME SA790、ISO 13680等相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。管坯各類夾雜物含量為0.5～1.5級(jí)，也符合技術(shù)條件要求，如圖1所示。
鋼坯經(jīng)剝皮機(jī)剝皮后，徹底消除表面的缺陷(氧化皮、裂紋等)。根據(jù)實(shí)際要求將鋼坯進(jìn)行分段、機(jī)加工，并進(jìn)行尺寸公差和表面質(zhì)量檢查。管坯在加熱前進(jìn)行清洗，清除管坯內(nèi)外表面上的油脂和污物，防止管坯在加熱過程中被污染，確保管坯質(zhì)量。將清洗后的管坯送入斜底式加熱爐中進(jìn)行加熱到設(shè)定溫度后，送入斜軋穿孔機(jī)中進(jìn)行熱穿孔，得到內(nèi)外表面質(zhì)量良好、性能均勻的穿孔荒管?；墓芙?jīng)過固溶熱處理后進(jìn)行內(nèi)外表面檢驗(yàn)，為后續(xù)冷軋工藝提供合格的荒管，并為最終的成品管材提供了可靠的質(zhì)量保證。穿孔荒管在周期式冷軋管機(jī)上完成冷軋變形，經(jīng)過多道次冷軋，最終軋制出251mm×17mm的成品鋼管，長度達(dá)10m以上。
2.1 金相組織演化
由于采用熱穿孔工藝進(jìn)行荒管制備，穿孔工藝對(duì)荒管金相組織的影響非常顯著，特別影響到兩相比與相組織、形態(tài)的控制。如果穿孔工藝控制不好的話，在荒管組織中容易產(chǎn)生金屬間相、二次奧氏體相等，進(jìn)而影響到荒管質(zhì)量和成品管材的性能。
試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，熱穿孔荒管金相組織較差，兩相比例不協(xié)調(diào)，并且含有較多的第二相，如圖2(a)所示。特別是，由于鋼材存在隨溫度的降低發(fā)生由韌性到脆性的轉(zhuǎn)變。一旦鋼管組織不正常，低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能則大大惡化，沖擊功降低到20J左右，甚至更低，此時(shí)斷口形貌為明顯的脆性斷裂特征，如圖3(a)所示。因此對(duì)熱穿孔荒管及中間規(guī)格管進(jìn)行合適的熱處理，調(diào)整鋼管內(nèi)部組織中的兩相比例與相組成、形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，中間管的金相組織逐漸恢復(fù)正常，基本上未見金屬間相等出現(xiàn)，如圖2(b)所示。低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能逐漸提高到60～150J左右，斷口特征從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂特征，如圖3(b)所示。
2.2 力學(xué)性能
從成品鋼管取樣分別進(jìn)行包括金相、室溫拉伸和低溫沖擊試驗(yàn)、點(diǎn)腐蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)鋼管的使用性能及工藝性能。
金相結(jié)果如圖2(c)中所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，成品鋼管中兩相含量比較均勻，鐵素體含量大約在45%～55%左右，符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，兩相界面清晰、過渡光滑，未見金屬間等第二相。
對(duì)成品規(guī)格的S32750管的沖擊功，進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無論是固溶態(tài)還是冷變形態(tài)的成品管，其沖擊性能優(yōu)異。沖擊功隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低而降低，且固溶態(tài)的沖擊功遠(yuǎn)高于冷加工態(tài)。
此外，成品管的低溫(-10℃)沖擊功均高于70J。對(duì)其斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，為韌性斷裂，如圖3(b)所示。
采用ASTM G48A法進(jìn)行了點(diǎn)腐蝕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，點(diǎn)腐蝕速率小于3.0 mdd。綜合金相組織、沖擊性能、室溫拉伸、點(diǎn)腐蝕等檢驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，本次開發(fā)的大口徑S32750無縫鋼管性能優(yōu)異，完全滿足ASMESA790、ISO13680標(biāo)準(zhǔn)要求。
久立特材科技股份有限公司采用熱穿孔和冷軋工藝成功開發(fā)了規(guī)格為251×17mm的大口徑S32750超級(jí)雙相無縫鋼管。大口徑S32750無縫鋼管金相組織、力學(xué)性能優(yōu)異，符合ASME SA790、狀態(tài)抗拉強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa 延伸率/% 硬度/HRC冷變形1060 960 27 33固溶態(tài)815 580 44 25ISO13680等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，可用于石化、海洋、油氣開采等領(lǐng)域。
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