2507超级双相钢无缝钢管

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2507超级双相钢无缝钢管的穿孔热轧工艺研究

2507超级双相钢无缝钢管的穿孔热轧工艺研究

来源:双相不锈钢发布:2020-06-08 19:58:44类别:2507不锈钢

本文介绍采用穿孔方法制造2507超级双相不锈钢无缝钢管的工艺研究。与奥氏体不锈钢相比,特别是在氯离子存在的环境中,双相钢具有优异的抗应力腐蚀开裂性能。但此类钢种热加工差,极易产生开裂。经过工艺参数的优化,仍可以采用斜轧穿孔的方法生产双相钢无缝钢管。穿孔轧制后,内外表面无裂纹;固溶处理后,屈服强度达到80ksi;金相组织为铁素体和奥氏体,且两相比例接近11

1.概况

随着新兴国家经济的快速发展,世界能源的需求大幅增长。特别是天然气和石油的开采需要向高温高压的地层延伸,而更深地层环境中多含有硫化氢和二氧化碳气体,因此油管要暴露更为恶劣的腐蚀环境中。例如国内的川东、新疆等地区,国外的例如土库曼斯坦和巴西等地,这些油气田的勘探和开采,都遇到了高温高压、含有CO2H2SCI离子共存的难题,环境因素都对普通碳钢管材具有强烈的腐蚀性,因此必须使用高合金钢或不锈钢材质的管材来确保油气井的安全。

超级双相不锈钢的金相组织既含有奥氏体又有铁素体,且两相组织含量约为11。通过CrMo、和N元素的添加,使其点蚀抗力当量(PRE)值大于35,从而显著提高了此类不锈钢的抗点蚀能力。另外,双相不锈钢还具有良好的耐高CO2含量和少量H2S含量的应力腐蚀性能、耐氯化物应力腐蚀性能、耐缝隙腐蚀性能、优异的加工硬化能力、良好的可焊性等优点,被越来越广泛的应用于石化行业、化工系统等领域。近年来越来越多的国内外油田需求超级双相不锈钢作为油井管材料,然而此类不锈钢的热加工开裂显著影响其成材率。

双相不锈钢由于较高的合金含量以及双相组织的特点,相对于奥氏体不锈钢,其高温热塑性大大降低,在高温锻造以及热加工过程中极易产生开裂,制造此类钢种的无缝钢管便是一个典型的例子。除此之外,较高的合金含量还容易促使形成各种析出物,如σ相、x相、Cr2N和碳化物等,降低钢种的冲击韧性以及应力腐蚀性能,因此需要严格控制热处理的加热和冷却工艺。

斜轧穿孔按照轧辊的数目可分为二辊斜轧穿孔和三辊斜轧穿孔机。按照轧辊的形状分为盘式穿孔机、锥形辊穿孔机和桶形辊穿孔机。采用斜轧穿孔的方式制造无缝钢管具有较高的成材率,一般可以达到90%以上,并且可生产长度大于10m的无缝钢管,因此较热挤压方法具有显著的成本优势。然而采用此种方式制造双相钢无缝钢管同样存在轧制开裂的问题,另外,双相钢较高的变形抗力也会造成轧机负荷过大,难以顺利轧制。因此开发一种合适的斜轧穿孔工艺,对于经济、高效的生产双相不锈钢无缝钢管,具有很大的工业应用价值。

2.2507超级双相钢穿孔工艺

双相不锈钢的热加工塑性要低于奥氏体不锈钢以及低合金钢,而较高的合金元素含量又显著提高了热变形抗力,另外,在热加工时奥氏体相和铁素体相的相比例不同,并且其变形行为不同,热加工时在两相中产生不均匀的应力和应变分布,从而导致裂纹沿相界面成核和扩展。因此,为了较为顺利的实现双相钢无缝钢管的斜轧穿孔,钢坯的加热温度以及热穿孔轧制变形参数需要严格控制。

双相钢钢坯成分为00Cr25Ni7Mo4N,合金牌号为UNS32750,所用钢坯的化学成分见表1,各元素含量满足标准要求,钢坯外径为75mm,一端机械加工定心孔,直径为30mm,定心孔深度约25mm。钢坯穿孔前加热温度范围为1270℃,保温时间不小于30min。利用感应炉对钢坯进行加热,感应炉温度通过设置于炉体顶部的热电偶控制,温度偏差不大于3℃。钢坯加热温度过高会增大铁素体含量,并且在穿孔过程中发生开裂,温度过低则穿孔机负荷增大,热塑性降低同样会导致开裂。以20/min的升温速率,将钢坯加热至设定温度。

1为穿孔过程示意图。穿孔轧辊采用锥形辊,穿孔辊直径为440mm,同时采用一对水平布置的导板限制穿孔后外径的增大,穿孔辊的转速设定为70rpm,如果转速过高,会增大穿孔过程中的变形抗力,而转速过低,则不利于钢坯的顺利咬入。调整轧辊之间的距离以及导板距离,以便使钢坯咬入时具有合适的椭圆度和变形量,如果变形量过大容易引起钢坯轧制过程中发生开裂。选择合适的咬入角有利于钢坯的纵向变形,提高二次咬入的效率。穿孔顶头材质为粉末冶金烧结的Mo基合金,因为该合金具有极高的高温强度和耐磨性,并且顶头表面的氧化钼可以起到一定的润滑作用。为了防止热轧后金属间化合物的析出,穿孔后钢管均采用水冷方式,将其快速冷却至室温。

3.穿孔钢管分析

本次穿孔钢坯3支,经过穿孔后,肉眼观察内、外表面无裂纹,未见内折、外折和分层等轧制缺陷,采用超声波设备对钢管进行无损探伤,反射波清晰无杂波,探伤结果良好。穿孔后钢管的名义尺寸为77mm×8.5mm。沿钢管长度方向取8个位置,分别测量外径与壁厚,对钢管的尺寸进行测量。表2所为钢管的几何尺寸以及偏差,可以看出穿孔后钢管的尺寸精度较高,表中的标准值取自API5LC

4.钢管热处理后的性能与组织观察

对钢管进行固溶处理,即将钢管加热到1120℃并保温,保温时间为30分钟,随后进行快速冷却,冷却速率不低于20/s,冷却方式为水冷。如果冷速太慢,组织中容易形成金属间化合物。沿钢管纵向取力学性能试样进行室温拉伸实验与冲击实验,可以看出穿孔后各试样的屈服强度差别不大,且延伸率较高,冲击韧性良好,满足APl-5LC标准要求。见表3。对固溶处理后钢管取金相试样进行显微组织观察,可以看出金相组织有奥氏体与铁素体两相组成,两相分布均匀,图像分析软件测得两相面积百分比接近50%,未观察到σ相,x相以及大量氮化物和碳化物的形成。

5.结论

通过斜轧穿孔工艺可以成功轧制2507超级双相钢无缝钢管,但是需要严格控制钢坯的加热温度以及穿孔的各项参数,经过固溶处理后,各项力学性能指标良好,屈服强度可以达到80ksi-10℃冲击功不低于100J。金相组织主要为奥氏体和铁素体,没有观察到金属间化合物的形成。

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