用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法.pdf

本发明提供一种用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法，该方法步骤：该钢管的成份：按重量％为C 0.05～0.15％、Si 0.25～1.00％、Mn 0.30～0.60％、P 0～0.020％、S 0～0.010％、Ni 0～0.20％、Cr 8.00～10.00％、Mo 0.90～1.10％、Al 0.005～0.045％、Cu 0～0.20％、V 0～0.02％、Nb 0～0.02％，余量为Fe；经热处理后的无缝钢管常温下的屈服强度≥205MPa；抗拉强度≥415MPa；硬度≤210HBW。本发明的效果是降低成品管硬度值能在200HBW左右，使之符合用户要求。提高生产效率，由原来热处理一炉钢管需要10小时以上的时间，采用该方法热处理一炉钢管最多需要5小时的时间，生产效率相对提高50％以上。

权利要求书
1.  一种用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法，该方法步骤包括有：
1)所述用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的成分为：按重量％为C 0.05～0.15％、Si 0.25～1.00％、Mn 0.30～0.60％、P 0～0.020％，S 0～0.010％、Ni 0～0.20％、Cr 8.00～10.00％、Mo 0.90～1.10％、Al 0.005～0.045％、Cu 0～0.20％、V 0～0.02％、Nb 0～0.02％，余量为Fe，按所述成分配料制成无缝钢管；
2)热处理：
将步骤1)的无缝钢管进行正火+回火热处理,由于所述无缝钢管的钢种为高Cr含Mo钢，因硬度高，导致裂纹敏感性高，同时不利高温抗腐蚀，不利于室温加工，故采用980℃～1060℃高温正火，750℃～790℃高温回火的热处理工艺，能够抑制Al元素的细晶强化作用，并降低高合金钢硬度；
经热处理后的无缝钢管常温下的屈服强度≥205MPa；抗拉强度≥415MPa；硬度≤210HBW。

说明书用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法
技术领域
本发明涉及用于石油化工、能源等设备所使用的炼化和裂化等的炉管的成分设计及热处理工艺，特别是一种用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法。
背景技术
石油化工行业作为石油开采后必不可少的工序，通过石油化工，将石油原油变为汽油、柴油、石蜡等与民众密切相关的能源。
但石油化工过程一般是在高温高压下进行，对钢管提出了严苛要求。含9％Cr1％Mo的高合金P9石油裂化管由于具有耐高温腐蚀及耐高温高压等优点而得到广泛应用。但由于该钢的合金含量高，因此硬度高，正火+回火工艺热处理后，往往硬度在230HBW以上，导致裂纹敏感性高，抗应力腐蚀能力差，往往导致早期失效。因此如何在成分保持基本不变的情况下，降低钢管硬度成为了一大难题。
通常采用退火工艺能够达到降低硬度的目的，但该工艺热处理时间长，热处理一炉的生产周期至少要10小时以上，且热处理后钢管易弯，不利于规模化生产。因此寻找一种通过化学成分设计，采用正火+回火工艺，该工艺有利于规模化生产，从而提高生产效率，能够将该钢种硬度降低到用户使用要求范围内的方法迫在眉睫。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，本发明提供一种用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的成分设计和热处理方法，采用该方法能够实现工 业化规模生产，提高生产效率，同时使产品性能达到用户要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法，该方法步骤包括有：
1)所述用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的成分为：按重量％为C 0.05～0.15％、Si 0.25～1.00％、Mn 0.30～0.60％、P 0～0.020％，S 0～0.010％、Ni 0～0.20％、Cr 8.00～10.00％、Mo 0.90～1.10％、Al 0.005～0.045％、Cu 0～0.20％、V 0～0.02％、Nb 0～0.02％，余量为Fe，按所述成分配料制成无缝钢管；
2)热处理：
将步骤1)的无缝钢管进行正火+回火热处理,由于所述无缝钢管的钢种为高Cr含Mo钢，因硬度高，导致裂纹敏感性高，同时不利高温抗腐蚀，不利于室温加工，故采用980℃～1060℃高温正火，750℃～790℃高温回火的热处理工艺，能够抑制Al元素的细晶强化作用，并降低高合金钢硬度；
经热处理后的无缝钢管常温下的屈服强度≥205MPa；抗拉强度≥415MPa；硬度≤210HBW。
本发明的效果是：
1、通过添加适量的Al元素，降低钢的淬透性(该特性往往被专业技术人员忽略)，从而降低成品管的硬度。而过多Al元素的加入则会导致钢的高温持久强度下降，影响使用安全。
2、为消除Al元素的加入而引起的细晶强化效果(该效果能引起硬度提高)，将正火温度定为980℃～1060℃，同时适当延长保温时间，从而抑制晶粒细化，降低最终产品硬度。
3、通过以上措施，达到如下效果：
A、降低成品管硬度，使之符合用户要求。采用未添加Al元素的钢，同时采用正常正火+回火热处理，硬度往往在230HBW左右，达不到硬度≤ 210HBW的要求，而采用本发明专利的产品，硬度值能在200HBW左右。
B、大大提高生产效率。一般为降低该P9钢的硬度，只能采用退火工艺来达到用户要求的性能，但该生产工艺需要保温时间长，因而生产效率低，往往热处理一炉钢管需要10小时以上的时间。而采用本发明的产品，热处理一炉钢管最多需要5小时的时间，生产效率相对提高50％以上。
具体实施方式
结合实施例对本发明的用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法加以说明。
本发明的用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法设计思想是基于：为实现生产高合金低硬度无缝钢管目的，首先在ASME SA-335M《高温用无缝铁素体合金钢公称管》标准对P9化学成分要求的基础上添加了Al。该元素一直被认为是细晶元素，能够细化晶粒，从而提高钢的强度和韧性，但其对淬透性的影响往往被人忽略。
Al元素能够显著降低钢的淬透性，从而在晶粒度保持不变的情况下，可以降低钢的强度和硬度。因此本发明在P9化学成分的基础上添加了0.005％～0.045％的Al，从而降低钢的淬透性。为了保证钢在添加Al后的晶粒度不发生细化，同时保证钢中碳化物充分固溶，将钢的正火温度定为980℃～1060℃；钢在回火时，能够消除正火时带来的相变应力，同时消减位错密度，从而降低钢的硬度，但过高的回火温度又有可能使钢进入两相区，反而使硬度升高，因此采用750℃～790℃进行高温回火。
本发明的用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的热处理方法，该方法步骤包括有：
1)所述用于石油化工的高合金低硬度无缝钢管的成分为：按重量％ 为C 0.05～0.15％、Si 0.25～1.00％、Mn 0.30～0.60％、P 0～0.020％，S 0～0.010％、Ni 0～0.20％、Cr 8.00～10.00％、Mo 0.90～1.10％、Al 0.005～0.045％、Cu 0～0.20％、V 0～0.02％、Nb 0～0.02％，余量为Fe，按所述成分配料制成无缝钢管；
2)热处理：
将步骤1)的无缝钢管进行正火+回火，由于该无缝钢管钢种为高Cr含Mo钢，常温下的硬度高，裂纹敏感性高，室温下加工对于高温抗腐蚀有影响的因素，采用退火热处理工艺，能够达到降低高合金钢硬度，并抑制Al元素的细晶强化作用，热处理时采用980℃～1060℃正火，回火采用750℃～790℃进行高温回火；
经热处理后的无缝钢管常温下的屈服强度≥205MPa；抗拉强度≥415MPa；硬度≤210HBW。
本发明的石油化工用无缝钢管及其热处理方法是基于如下的分析：
①化学成分配比
C含量过高，可使该钢的室温强度和硬度显著提高，最终将会导致通过正火+回火后，硬度高于上限要求，同时过高的C含量可使焊接性能降低，同时降低高温塑性。因此将C含量控制在0.10％左右。
S和S化物在晶界偏析，削弱晶界，形成孔洞，从而引起晶界脆化和蠕变脆化，因此要严格控制，我公司生产的P9将S含量控制在0.010％以下。
P在钢中的存在能够增加钢的脆性，同时造成合金元素严重偏析，因此要严格控制P的含量，将P含量控制在0.020％以下。
Cr的加入能够显著提高钢的抗氧化性能和抗腐蚀性能，同时在钢中以Cr3(C、N)或Cr23C6的形式存在，提高了钢的持久强度。 但是过高含量的Cr不仅增加成本，而且使室温拉伸强度和硬度显著升高，因此将Cr的含量控制在8.5％左右。
Si作为强的脱氧剂，钢中的含量不能太少，同时Si提高钢的高温强度，但当Si含量高时，容易引起钢在长期运行后碳的石墨化，因此将钢中的Si控制在0.40％左右。
Mn具有脱氧的作用，提高钢的纯净度，并且提高钢的塑性，但含量过高时，则显著增加钢的室温强度和硬度，因此将Mn的含量控制在0.35～0.45％之间。
Mo提高钢的耐热性能和高温强度，但同时也提高钢室温的强度和硬度，因此将Mo控制在0.90～1.00％之间。
Al元素在标准中没有要求。该元素的加入能够降低钢的淬透性，从而获得较低的硬度。但同时该元素能够细晶强化的作用，从而提高强度和硬度，与本方法要求相左，不过通过热处理工艺的设计能够避免因Al的加入而带来晶粒细小的效果。经过大量试验摸索，将Al含量定在0.005～0.045％之间。
②热处理工艺
对热轧后的P9钢管进行正火及回火的热处理工艺，经过测定P9的AC3在870℃～900℃之间，为保证合金元素充分固溶，将正火温度定为980℃～1060℃，保温时间上，除考虑钢完全奥氏体化和合金元素完全固溶外，还要考虑由于细晶导致强度和硬度过高，需要消除加入Al所带来的细晶效果，因此将保温时间定为不少于30分钟；回火则采用高温回火，以保证钢管的室温强度和硬度在标准和用户要求范围内，具体要求如实施例3，但不能超过AC1温度约820℃，因此将回火温度定为750～790℃，保温时间需要适当延长以降低室温强度和硬度，保温时间不少于120分钟。
该无缝钢管采用ASME SA-335M标准以及用户要求，其性能指标为：
该无缝钢管常温下的屈服强度≥205MPa；抗拉强度≥415MPa；硬度≤210HBW。
实施例1：
用于石油化工用无缝钢管的化学成分为见下表(wt％)：
钢管规格CSiMnPSNiCrMoCuAlVNbFeΦ141×120.080.400.410.0140.0020.078.441.030.060.012≤0.010.012余量Φ168.3×7.110.110.440.470.0170.0010.079.021.020.060.020≤0.010.014余量Φ193.7×8.180.130.350.400.0120.0040.078.731.000.040.027≤0.010.016余量Φ219.1×10.310.110.410.340.0110.0060.098.790.990.090.034≤0.010.010余量
实施例2：
根据实施例1中无缝钢管规格和对应的化学成分，按以下热处理工艺进行热处理：

实施例3：
根据实施例1和实施例2，热处理后无缝钢管的拉伸和硬度性能均满足ASME SA-335M标准及用户对P9的要求，具体如下：
钢管规格下屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)硬度(HBW)ASME SA-335M≥205≥415≤210Φ141×12470635202Φ168.3×7.11460615192Φ193.7×8.18445620196Φ219.1×10.31425600187