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西安2507/2205不銹鋼管的組織與性能

日期：2024-11-23 15:44

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摘要： 西安2507/2205不銹鋼管的組織與性能 采用熱穿孔工藝，結合多道次冷軋變形，開發(fā)出大口徑2507無縫鋼管，規(guī)格為219*20mm。結果表明：2507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性能，低溫沖擊功可達70J以上。同時，鋼管具有較好的耐點腐蝕性能，腐蝕速率小于3.0mdd。本次開發(fā)的大口徑2507無縫鋼管化學組成、金相組織及室溫力學性能、低溫沖擊性能均滿足ASME SA790、ISO 13680等產品標準要求，可以用于石化、海洋、油氣開采等領域。 超級雙相不銹鋼(UNS 2507)由于超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設計，與UNS S32205雙相不銹鋼相比，具有更高的強度、更好的耐點腐蝕、耐應力腐蝕性能。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，根據介質濃度、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，2507合金由于具有冷加工硬化顯著、抗應力腐蝕性能好、耐點蝕，相對于鎳基合金油井管而言，具有價格低、性能相當等特點，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用，應用形式主要是管材[1]-[5]。 通常來講，無縫鋼管尺寸較小時，通過熱擠壓工藝或者熱穿孔工藝，結合冷軋工藝可以生產出符合要求的超級雙相無縫鋼管。但是，對于大口徑超級雙相無縫鋼管，采用熱擠壓工藝生產比較困難，特別是管材長度要求較長時。因此，針對大口徑(外徑大于219mm)、長度較長(9m以上)等特殊需求，本公司開展了2507超級雙相無縫鋼管的研制開發(fā)，并形成了批量生產的能力。 1、大口徑2507無縫鋼管的制造流程 大口徑2507合金無縫鋼管的整個開發(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→成品。 鋼坯由某特鋼公司提供，采用電爐+AOD精煉工藝冶煉。經公司入廠復驗，管坯化學成分見表1，結果表明成分符合ASME SA790、ISO 13680等相關產品標準要求。管坯各類夾雜物含量為0.5～1.5級，也符合技術條件要求，如圖1所示 鋼坯經剝皮機剝皮后，徹底消除表面的缺陷(氧化皮、裂紋等)。根據實際要求將鋼坯進行分段、機加工，并進行尺寸公差和表面質量檢查。管坯在加熱前進行清洗，**管坯內外表面上的油脂和污物，防止管坯在加熱過程中被污染，確保管坯質量。將清洗后的管坯送入斜底式加熱爐中進行加熱到設定溫度后，送入斜軋穿孔機中進行熱穿孔，得到內外表面質量良好、性能均勻的穿孔荒管?；墓芙涍^固溶熱處理后進行內外表面檢驗，為后續(xù)冷軋工藝提供合格的荒管，并為*終的成品管材提供了可靠的質量保證。穿孔荒管在周期式冷軋管機上完成冷軋變形，經過多道次冷軋，*終軋制出251mm×17mm的成品鋼管，長度達10m以上。 2、大口徑2507無縫鋼管的組織與性能 2.1 金相組織演化  由于采用熱穿孔工藝進行荒管制備，穿孔工藝對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生金屬間相、二次奧氏體相等，進而影響到荒管質量和成品管材的性能。 試驗檢驗結果表明，熱穿孔荒管金相組織較差，兩相比例不協調，并且含有較多的**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，此時斷口形貌為明顯的脆性斷裂特征，如圖3(a)所示。因此對熱穿孔荒管及中間規(guī)格管進行合適的熱處理，調整鋼管內部組織中的兩相比例與相組成、形態(tài)。試驗結果表明，經過適當熱處理后，中間管的金相組織逐漸恢復正常，基本上未見金屬間相等出現，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變?yōu)轫g性斷裂特征，如圖3(b)所示 2.2 力學性能 從成品鋼管取樣分別進行包括金相、室溫拉伸和低溫沖擊試驗、點腐蝕性能評價試驗，以評價鋼管的使用性能及工藝性能。 金相結果如圖2(c)中所示。從測試結果可以看出，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，符合相關產品標準。同時，兩相界面清晰、過渡光滑，未見金屬間等**相。 對成品規(guī)格的2507管的沖擊功，進行了檢測，結果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現，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。沖擊功隨著實驗溫度的降低而降低，且固溶態(tài)的沖擊功遠高于冷加工態(tài)。 此外，成品管的低溫(-10℃)沖擊功均高于70J。對其斷口進行觀察發(fā)現，為韌性斷裂，如圖3(b)所示。 采用ASTM G48A法進行了點腐蝕實驗。結果表明，點腐蝕速率小于3.0 mdd。綜合金相組織、沖擊性能、室溫拉伸、點腐蝕等檢驗結果，可以發(fā)現，本次開發(fā)的大口徑2507無縫鋼管性能優(yōu)異，完全滿足ASMESA790、ISO13680標準要求。 3、結論 西安華達不銹鋼有限公司有限公司采用熱穿孔和冷軋工藝成功開發(fā)了規(guī)格為219*20mm的大口徑2507超級雙相無縫鋼管。大口徑2507無縫鋼管金相組織、力學性能優(yōu)異，符合ASME SA790、狀態(tài)抗拉強度/MPa 屈服強度/MPa 延伸率/% 硬度/HRC冷變形1060 960 27 33固溶態(tài)815 580 44 25ISO13680等產品標準，可用于石化、海洋、油氣開采等領域。

采用熱穿孔工藝，結合多道次冷軋變形，開發(fā)出大口徑2507無縫鋼管，規(guī)格為219*20mm。結果表明：2507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性能，低溫沖擊功可達70J以上。同時，鋼管具有較好的耐點腐蝕性能，腐蝕速率小于3.0mdd。本次開發(fā)的大口徑2507無縫鋼管化學組成、金相組織及室溫力學性能、低溫沖擊性能均滿足ASME SA790、ISO 13680等產品標準要求，可以用于石化、海洋、油氣開采等領域。

超級雙相不銹鋼(UNS 2507)由于超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設計，與UNS S32205雙相不銹鋼相比，具有更高的強度、更好的耐點腐蝕、耐應力腐蝕性能。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，根據介質濃度、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，2507合金由于具有冷加工硬化顯著、抗應力腐蝕性能好、耐點蝕，相對于鎳基合金油井管而言，具有價格低、性能相當等特點，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用，應用形式主要是管材[1]-[5]。
通常來講，無縫鋼管尺寸較小時，通過熱擠壓工藝或者熱穿孔工藝，結合冷軋工藝可以生產出符合要求的超級雙相無縫鋼管。但是，對于大口徑超級雙相無縫鋼管，采用熱擠壓工藝生產比較困難，特別是管材長度要求較長時。因此，針對大口徑(外徑大于219mm)、長度較長(9m以上)等特殊需求，本公司開展了2507超級雙相無縫鋼管的研制開發(fā)，并形成了批量生產的能力。

1、大口徑2507無縫鋼管的制造流程

大口徑2507合金無縫鋼管的整個開發(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→成品。
鋼坯由某特鋼公司提供，采用電爐+AOD精煉工藝冶煉。經公司入廠復驗，管坯化學成分見表1，結果表明成分符合ASME SA790、ISO 13680等相關產品標準要求。管坯各類夾雜物含量為0.5～1.5級，也符合技術條件要求，如圖1所示
鋼坯經剝皮機剝皮后，徹底消除表面的缺陷(氧化皮、裂紋等)。根據實際要求將鋼坯進行分段、機加工，并進行尺寸公差和表面質量檢查。管坯在加熱前進行清洗，**管坯內外表面上的油脂和污物，防止管坯在加熱過程中被污染，確保管坯質量。將清洗后的管坯送入斜底式加熱爐中進行加熱到設定溫度后，送入斜軋穿孔機中進行熱穿孔，得到內外表面質量良好、性能均勻的穿孔荒管。荒管經過固溶熱處理后進行內外表面檢驗，為后續(xù)冷軋工藝提供合格的荒管，并為*終的成品管材提供了可靠的質量保證。穿孔荒管在周期式冷軋管機上完成冷軋變形，經過多道次冷軋，*終軋制出251mm×17mm的成品鋼管，長度達10m以上。

2、大口徑2507無縫鋼管的組織與性能

2.1 金相組織演化
由于采用熱穿孔工藝進行荒管制備，穿孔工藝對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生金屬間相、二次奧氏體相等，進而影響到荒管質量和成品管材的性能。
試驗檢驗結果表明，熱穿孔荒管金相組織較差，兩相比例不協調，并且含有較多的**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，此時斷口形貌為明顯的脆性斷裂特征，如圖3(a)所示。因此對熱穿孔荒管及中間規(guī)格管進行合適的熱處理，調整鋼管內部組織中的兩相比例與相組成、形態(tài)。試驗結果表明，經過適當熱處理后，中間管的金相組織逐漸恢復正常，基本上未見金屬間相等出現，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變?yōu)轫g性斷裂特征，如圖3(b)所示

2.2 力學性能
從成品鋼管取樣分別進行包括金相、室溫拉伸和低溫沖擊試驗、點腐蝕性能評價試驗，以評價鋼管的使用性能及工藝性能。
金相結果如圖2(c)中所示。從測試結果可以看出，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，符合相關產品標準。同時，兩相界面清晰、過渡光滑，未見金屬間等**相。

對成品規(guī)格的2507管的沖擊功，進行了檢測，結果如圖4所示。從圖中可以發(fā)現，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。沖擊功隨著實驗溫度的降低而降低，且固溶態(tài)的沖擊功遠高于冷加工態(tài)。
此外，成品管的低溫(-10℃)沖擊功均高于70J。對其斷口進行觀察發(fā)現，為韌性斷裂，如圖3(b)所示。
采用ASTM G48A法進行了點腐蝕實驗。結果表明，點腐蝕速率小于3.0 mdd。綜合金相組織、沖擊性能、室溫拉伸、點腐蝕等檢驗結果，可以發(fā)現，本次開發(fā)的大口徑2507無縫鋼管性能優(yōu)異，完全滿足ASMESA790、ISO13680標準要求。

3、結論

西安華達不銹鋼有限公司有限公司采用熱穿孔和冷軋工藝成功開發(fā)了規(guī)格為219*20mm的大口徑2507超級雙相無縫鋼管。大口徑2507無縫鋼管金相組織、力學性能優(yōu)異，符合ASME SA790、狀態(tài)抗拉強度/MPa 屈服強度/MPa 延伸率/% 硬度/HRC冷變形1060 960 27 33固溶態(tài)815 580 44 25ISO13680等產品標準，可用于石化、海洋、油氣開采等領域。

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