一种提高现有针状铁素体管线钢抗硫化氢的方法 技术领域：
本发明属于高强度低合金控轧控冷钢的领域，主要用于提高现有针状铁素体管线钢的抗硫化氢性能。
背景技术：
抗硫化氢管线钢是输送酸性石油天然气管线的重要用钢，是管线钢中要求最严格、技术水平要求最高的钢种。发展抗硫化氢管线钢是当前世界各国都在集中力量进行研究开发的课题。
硫化氢是石油和天然气中最具腐蚀作用的有害介质之一，严重地影响着油气输送管线的使用寿命，制约着油气输送管线钢材料的发展。管线钢在含硫化氢油气环境中，会发生严重的硫化氢开裂现象，导致恶性事故的发生，造成极大的经济损失。虽然目前在油气输送前均已进行净化处理，但如果处理不善，油气中硫化氢含量较高时，硫化氢开裂事故仍不可避免。特别是油气管线向高压大口径方向发展在当前已成为管线运输的一种趋势的情况下，硫化氢分压也随之增大，对钢管产生硫化氢开裂的可能性也相应增大。国际标准规定：硫化氢分压小于或等于300Pa为甜气；硫化氢分压大于300Pa为酸气，必须对管材提出严格的抗H2S开裂要求。对同样的硫化氢(％，体积分数)，管线操作压力越高，硫化氢分压越高，越容易产生硫化氢开裂。以西气东输管线工程为例，管线操作压力为10MPa，从而需要将硫化氢分压降到0.003％以下，才能满足所规定的甜气标准，这是很不容易做到的。在我国，很多油气田含有硫化氢，特别是在四川，约有70％地气井所产天然气中含有硫化氢，含量可高达1％～13％。多数输送净化天然气(即含硫化氢＜20mg/m3)干线投产后，为满足用户对输气量的要求，有时不得不把含低硫化氢的天然气输入干线，导致管输天然气中的硫化氢含量偏高，最高可达400～500mg/m3，使天然气中硫化氢分压达300Pa或更高，具备硫化氢开裂条件。
当前，随着对石油、天然气需求的加大，发展更高强度级别的管线钢变得更为迫切。随着强度级别的提高，对抗硫化氢性能的要求也愈来愈高。研究表明，X60～X80强度级别的管线钢对氢脆断裂很敏感，而绝大多数情况下管线钢的氢脆和硫化氢是相互关联的，强度级别越高，对氢脆越敏感，抗硫化氢性能越低。因此，在提高管线钢强度级别的同时，必须兼顾其抗硫化氢性能。
针状铁素体管线钢主要指含碳量小于0.1％的Mn-Nb-Mo(Ti)系高强度管线钢，强度级别范围可覆盖X60-X90，且在向低碳和超低碳方向发展，其组织状态通常为针状铁素体+少量的(准)多边形铁素体+极少量的珠光体+M/A组元。与传统的铁素体—珠光体和少珠光体管线钢相比，针状铁素体管线钢的轧制生产工艺的最大特点是冷却速度相对比较高，并且，针状铁素体管线钢具有优良的强韧性能、焊接性能、抗硫化氢性能和低的包辛格效应。当前我国西气东输管线用钢的显微组织已确定为针状铁素体为主的组织，预计在未来的十年内，针状铁素体管线钢的研制与生产将在我国大口径高压天然气输送管线建设中占有主导地位。
发明的技术内容：
本发明的目的在于，在不改变现有针状铁素体管线钢化学成分和轧制生产工艺的前提下，通过一种简单的时效热处理，充分发挥钢中微合金碳氮化物析出相的沉淀效果，提高其抗硫化氢性能。
本发明提供了一种提高现有针状铁素体管线钢强度的方法，其特征在于：在现有管线钢轧制生产过程后，增加一析出时效热处理过程，热处理温度为550～650℃，保温时间1～20小时。
本发明提高现有针状铁素体管线钢抗硫化氢性能的方法中，所述增加的析出时效热处理过程可以在现有的管线钢轧制生产过程的后段，温度降至550～650℃时直接进行；也可以在现有的管线钢轧制生产过程完成后，再重新加热到550～650℃进行。
本发明只需在现有针状铁素体管线钢轧制生产线的后段添加简单的热处理装置(有些钢厂的生产线后段已具备类似的热处理装置)，通过简单的热处理，就能够使其抗硫化氢性能提高，并且强度也得到提高，而韧性基本保持不变。并不需要刻意追求通过化学成分设计、轧制生产工艺及原有轧制设备的改造来实现高强度级别抗硫化氢针状铁素体管线钢的生产。
采用该热处理工艺的依据是：
管线钢中的微合金元素诸如Nb、V、Ti都有一个重要特征，就是与钢中的C、N元素形成微合金碳氮化合物，在热轧或轧后的冷却过程中，在铁素体中以第二相形式弥散析出，特别是在600℃左右的温度范围内，能够从过饱和固溶体中形成极细的、与铁素体部分相容的析出相。这类析出相能够捕获氢而使之不能参与氢的扩散和富积过程，由于这类析出相细小而弥散分布于材料中，为氢的重新分布提供了众多的位置，有助于避免在局部区域产生很高的氢富集，从而在一定程度上阻止或延缓硫化氢开裂的发生，起到有利的氢陷阱作用。而在管线钢用于轧制板卷或板材的生产过程中，通常，对于板卷采用轧后冷却至卷取温度进行卷取，对于板材采用轧后冷却至一定的温度后自然冷却，由于针状铁素体管线钢轧后要求的控制冷却速度相对比较高，微合金化元素的碳氮化合物的析出潜力没有完全发挥出来。本发明中所添加的保温过程就是利用这一原理，使这些微合金元素的碳氮化合物在保温过程中充分析出，进一步发挥其弥散析出的效果。在本热处理工艺下，除了抗硫化氢性能提高外，强度也提高，韧性降低不明显甚至并不降低。强度提高的原因在于添加的保温过程使析出相充分析出，析出相阻碍位错移动，从而提高屈服极限，导致产生充分的析出强化效果。韧性基本保持不变的原因在于添加的保温过程使组织更加均匀化、组织中形成亚晶和岛状马氏体回火，在一定程度上改善了韧性。
本发明条件下生产的针状铁素体管线钢与现有条件下生产的相同材料相比具有如下优点：
本发明条件下生产的针状铁素体管线钢具有更优良的抗硫化氢性能，更高的强度，且韧性基本保持不变，显微组织更加均匀，组织形态也基本不变。
附图说明：
图1为实施例管线钢轧态试样按NACE TM0177-96标准中的Method A所获得的的硫化氢开裂时间随外加应力的变化，门槛应力445MPa；
图2为实施例管线钢时效态试样按NACE TM0177-96标准中的Method A所获得的的硫化氢开裂时间随外加应力的变化，门槛应力492MPa；
图3为实施例管线钢的轧态试样组织特征—针状铁素体，20μm；
图4为实施例管线钢的轧态试样组织特征—针状铁素体，0.5μm；
图5为实施例管线钢的时效态试样的组织特征—针状铁素体，20μm；；
图6为实施例管线钢的时效态试样的组织特征—针状铁素体，1μm。
具体实施方式：
实施例：
针对一种商业用针状铁素体管线钢的轧制板材(板厚14.6mm)，化学成分见表1，在热处理炉中重新加热到600℃，然后在这个温度下保温10小时，保温结束后出炉空冷。处理前后板材的抗硫化氢性能分别见表2和图1、2，力学性能见表3，显微组织见图3、4、5、6。抗硫化氢性能得到改善，强度级别得到提高，组织中显微带状结构基本清除，组织变得更加均匀，但组织形态在处理前后不变，仍为针状铁素体。
表1、实施例管线钢的化学成分(wt％)
C Si Mn Nb V Ti Mo Cr Cu Al Ni S P O N
0.037 0.247 1.58 0.052 0.03 0.018 0.19 0.02 0.22 0.033 0.13 0.0007 0.011 0.0032 0.0028
表2实施例管线钢的轧态试样和时效态试样按NACE TM0177-96标准中的
Method B所获得的的硫化氢开裂实验结果(室温，200小时)
名义应力 轧态 时效态(600℃保温10小时)
MPa 试样总数 开裂试样数 试样总数 开裂试样数
700 2 0 2 0
770 3 0 3 0
840 3 2 3 0
1000 3 3 3 0
1050 2 2 2 1
1260 2 2 2 2
Sc，MPa 861 1109
表3、热处理前后板材的力学性能 σs MPa σb MPa δ5 ％ CVN 室温，J CVN -40℃，J处理前550～580 660～680 21～27 280～320 230～260处理后660～700 720～740 21～24 270～300 230～250
注：夏比冲击试样为全尺寸试样，所有试样都没有冲断。