一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及双相不锈钢生产制造技术领域，具体涉及一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢及其制备方法。

背景技术

海上浮式生产储油船“Floating Production Storage&Offloading”，缩写“FPSO”。FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大及可以转移、重复使用等优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发。FPSO通常与钻油平台或海底采油系统组成一个完整的采油、原油处理、储油和卸油系统，其作业原理是﹕通过海底输油管线接受从海底油井中采出的原油，并在船上进行处理，然后储存在货油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮。

目前，FPSO用双相不锈钢普遍存在极端苛刻环境下低温韧性差等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢及其制备方法，以便提升海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢在极苛刻环境下的低温冲击韧性。

具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢，以重量百分比计，所述双相不锈钢包括：C≤0.03％，Si≤0.80％，Mn≤1.20％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cr24.0％～26.0％，Ni 6.0％～8.0％，Mo 3.0％～4.0％，Cu≤0.30％，Al 0.01％～0.10％，N0.24％～0.32％，余量为Fe和不可避免的杂质。

可选地，元素Ni和N的含量之和满足6.5％≤Ni+N≤8.2％。

可选地，元素Si和Al的含量之和满足0.4％≤Si+Al≤0.9％。

另一方面，本发明提供了一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢的制备方法，包括如下步骤：

钢锭进行镦拔锻造、径锻，得到管坯；

所述管坯在1060℃～1120℃进行固溶处理之后缓冷至1000℃～1040℃，然后水冷至室温。

可选地，所述镦拔锻造的镦粗单次变形量是40％～50％、镦粗次数是1～2次；所述径锻的道次变形量是15％～30％。

可选地，所述镦拔锻造的锻造加热温度是1200℃～1250℃，终锻温度不低于1000℃；所述径锻的锻造加热温度是1200℃～1250℃，终锻温度不低于1000℃。

可选地，所述管坯的直径≥350mm，所述管坯在1060℃～1120℃进行固溶处理的保温时间是t

可选地，所述管坯的直径＜350mm，所述管坯在1060℃～1120℃进行固溶处理的保温时间是t

可选地，所述缓冷的速度是10℃～30℃/min；所述水冷的速度大于100℃/min。

可选地，所述管坯在1000℃～1040℃的保温时间t

由上述技术方案可知，本发明的海上浮式生产储油船用双相不锈钢及其制备方法，至少具有如下有益效果：

本发明通过对FPSO用双相不锈钢的元素组成和生产工艺进行优化和改进，从而显著提升了FPSO用双相不锈钢在极苛刻环境下的低温冲击韧性，进而极好地满足了下游生产应用要求。

附图说明

图1显示了本发明实施例1的FPSO用双相不锈钢的显微组织；

图2显示了本发明实施例1的FPSO用双相不锈钢的冲击断口形貌。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对FPSO用双相不锈钢普遍存在的在极端苛刻环境下低温韧性差等问题，本发明的发明人对FPSO用双相不锈钢的元素组成和制备方法进行了深入研究，从而创造性地提出了一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢及其制备方法。

第一方面，本发明提供了一种海上浮式生产储油船用双相不锈钢，以重量百分比计，所述双相不锈钢包括：C≤0.03％，Si≤0.80％，Mn≤1.20％，P≤0.03％，S≤0.02％，Cr24.0％～26.0％，Ni 6.0％～8.0％，Mo 3.0％～4.0％，Cu≤0.30％，Al 0.01％～0.10％，N0.24％～0.32％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明通过对FPSO用双相不锈钢的元素组成和配比进行优化，从而实现各元素之间的协同作用，具体如下：

Cr是双相不锈钢中最重要的合金元素。铬是强烈形成和稳定铁素体相区的元素，主要是起到固溶强化的作用，随着铬的含量的增加，可显著提高钢的屈服强度。但是铬的增加会导致脆性相的析出，并加速σ相等金属间相的产生。因此，Cr含量控制在24.00％～26.00％，例如，24.00％、24.50％、25.00％、25.50％或26.00％等。

Ni是优良的耐腐蚀材料，是形成和扩大奥氏体的元素。镍在双相不锈钢中主要作用是改善相平衡，改善塑性、焊接性和韧性。但是含量过高会导致奥氏体含量过高，使铁素体中富集更多的铬、钼等脆性相转变元素，更容易在晶界处析出脆性相，降低钢的耐腐蚀性。因此，Ni含量控制在6.0％～8.0％，例如，6.0％、6.5％、7.0％、7.5％或8.0％等。

Mo是铁素体的形成元素，在双相不锈钢中加入钼元素可以使钢的钝化作用增大，使钢在含有氯离子介质中的抗孔蚀能力显著提高。钼会加大脆性相的析出敏感性，导致钢的韧性下降。因此Mo含量控制在3.0％～4.0％，例如，3.0％、3.3％、3.5％、3.8％或4.0％等。

Si在钢中属于有害元素，适量的硅可以提高钢的综合机械性能，但是会使合金的热塑性降低，因此，Si含量控制在0.80％以下，例如，0.45％、0.50％或0.55％等。

Al是铁素体形成元素，在钢种加入少量的Al能够提高钢质纯净度，也能够提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性能。但是Al加入过多会增加冶炼难度，在浇铸过程中造成水口结瘤等问题。因此Al含量应控制在0.01％～0.10％，例如，0.01％、0.03％、0.05％、0.07％或0.10％等。

N是提高耐点蚀性能的重要元素，其作用是Cr元素的33倍。且在钢中加入氮能代替部分镍来稳定奥氏体相，提高强度。但是N也是导致热加工性能变差的因素之一。因此N含量应控制在0.24％～0.32％，例如，0.24％、0.26％、0.28％、0.30或0.32％等。

C是钢铁材料的主要元素，提高钢的强度，但同时会形成碳化物使其塑韧性降低。因此C含量应控制在0.03％以下，例如，0.020％或0.025％等。

P、S在钢中均为有害元素，需要控制含量在P≤0.03％，S≤0.02％。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，但同时是碳化物形成元素。因此应控制Mn含量在1.20％以下，例如，0.45％、0.50％、0.55％、0.60％、0.65％、0.70％或0.75％等。

Cu能提高钢的耐腐蚀性能，但会使钢的热塑性变差。因此应控制Cu在0.30％以下，例如，0.05％、0.10％、0.15％或0.20％等。

在一种优选的实施方案中，元素Ni和N的含量之和满足6.5％≤Ni+N≤8.2％，例如，6.5％、7.0％、7.5％、7.7％或8.2％等。

基于发明人的研究，Ni和N均能提高双相不锈钢的耐蚀性能，但是由于两者均为奥氏体稳定化元素，为了保证双相不锈钢的相比例在40～60％，必须限制其综合含量。

在另一种优选的实施方案中，元素Si和Al的含量之和满足0.4％≤Si+Al≤0.9％，例如，0.40％、0.45％、0.50％、0.55％、0.60％、0.70％、0.80％或0.90％等。

基于发明人的研究，Si和Al均能提高钢质纯净度，但是过量则会导致塑性变差、冶炼过程不顺等问题。

第二方面，本发明提供了上述元素组成的海上浮式生产储油船用双相不锈钢的制备方法，包括：

(1)冶炼工序

根据上述元素组成的需要，采用常规工艺冶炼钢锭，例如，采用“电炉+AOD+LF”工艺冶炼钢锭，具体可以参考现有技术中的相关技术方案，此处不作赘述。

(2)锻造工序

本发明采用“镦拔锻造+径锻”工艺对钢锭进行锻造。

在本发明中，镦拔锻造要求镦粗单次变形量控制在40％～50％，镦粗次数为1～2次。镦拔锻造的锻造加热温度1200℃～1250℃，终锻温度控制在1000℃以上。

在本发明中，径锻的道次变形量为15％～30％，例如，15％、20％、25％或30％等。径锻的锻造加热温度1200℃～1250℃，终锻温度控制在1000℃以上。径锻的总道次数可以由本领域技术人员根据成品管坯的规格确定。

基于发明人的研究，镦拔锻造能够使双相不锈钢铸坯得到充分的变形，使其组织性能的各向差异性减小。锻造次数越多，双相不锈钢锻件的组织均匀性越好，但是受到锻造温降的影响，锻造次数不宜过多，综合考虑一般锻造次数为1～2次。由于本发明双相不锈钢的热塑性较差，需要严格控制径锻的道次变形量，变形量太小不能使锻件内部组织受到充分变形，变形量过大会导致锻造开裂。双相不锈钢热加工性能与变形温度有密切关系，为了保证锻造性能必须使坯料处于合适的温度，温度过高会导致材料晶界熔化开裂，由于材料特性，如果终锻温度过低会使材料产生有害脆性相，进而造成锻造开裂。

(3)热处理工序

本发明采用“固溶+扩散退火”热处理工艺，具体地，锻造工序获得的管坯先在1060℃～1120℃进行固溶处理，然后缓冷至1000℃～1040℃，在该温度范围进行保温之后，再水冷至室温。

在本发明中，固溶处理的保温时间t

对于成品规格≥350mm的管坯，固溶处理保温时间t

对于成品规格＜350mm的管坯，固溶处理保温时间t

其中，t

其中，A

在本发明中，固溶处理之后，管坯缓冷至1000℃～1040℃，冷却速度控制在10～30℃/min。在1000℃～1040℃进行保温，保温时间t

随后水冷至室温，冷却至室温的速度要求大于100℃/min。

基于发明人的研究，固溶处理的温度和时间、扩散退火的温度和时间均为达到本发明产品性能要求所必须控制的关键参数。通过公式能够确定不同规格产品的热处理时间，如果时间太短则起不到作用，若时间太长则会使性能变坏。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。

表1，单位：重量％

实施例一：

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢钢锭实际成分见上表1。

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢的制造：

镦拔锻造过程中，钢锭坯料加热温度1230℃，终锻温度1000℃，锻件尺寸φ550×1200mm，两次镦粗的变形量分别为50％、40％。径锻过程中，坯料加热温度1240℃，终锻温度1030℃，成品锻件(管坯)尺寸φ360×3800mm，径锻道次变形量为20％。锻件经过固溶扩散处理热工艺(1100℃/4h→1020℃/2.5h→室温)，缓冷速度为20℃/min，水冷速度为120℃/min，即：在1100℃保温4h，然后以20℃/min的速度冷却至1020℃，保温2.5h，然后120℃/min的速度水冷至室温。按照ASTM E23方法检测低温冲击功为153J。

本施例中产品，由模铸锭经过50％、40％两次镦粗并拔长成中间坯，再经过径锻加工成直径φ360mm的管坯，总变形量258％，固溶保温时间(min)：t

图1显示了本实施例的FPSO用双相不锈钢的显微组织；图2显示了本实施例的FPSO用双相不锈钢的冲击断口形貌。图1表明，通过本发明提供的成分及方法可以得到一种FPSO用双相不锈钢，其产品的显微组织为图例所示的双相组织。图2表明，本发明产品具有优异的冲击性能，其冲击断口形貌呈现出典型的韧性特征。

实施例二：

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢钢锭实际成分见上表1。

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢的制造：

镦拔锻造过程中，钢锭坯料加热温度1240℃，终锻温度1000℃，锻件尺寸φ550×1200mm，两次镦粗的变形量分别为50％、45％。径锻过程中，坯料加热温度1250℃，终锻温度1020℃，成品锻件尺寸φ300×5500mm。径锻道次变形量为20％。锻件经过固溶扩散处理热工艺(1100℃/3.6h→1020℃/2h→室温)，缓冷速度为20℃/min，水冷速度为120℃/min。按照ASTM E23方法检测低温冲击功为177J。

本施例中产品，由模铸锭经过50％、45％两次镦粗并拔长成中间坯，再经过径锻加工成直径φ300mm的管坯，总变形量280％，固溶保温时间(min)：t

实施例三：

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢钢锭实际成分见上表1。

本实施例的海上浮式生产储油船(FPSO)用双相不锈钢的制造：

镦拔锻造过程中，钢锭坯料加热温度1250℃，终锻温度1000℃，锻件尺寸φ550×1200mm，两次镦粗的变形量分别为45％、45％。径锻过程中，坯料加热温度1250℃，终锻温度1010℃，成品锻件尺寸φ220×10200mm。径锻道次变形量为20％。锻件经过固溶扩散处理热工艺(1100℃/2.6h→1020℃/1.5h→室温)，缓冷速度为20℃/min，水冷速度为120℃/min。按照ASTM E23方法检测低温冲击功为195J。

本施例中产品，由模铸锭经过45％、45％两次镦粗并拔长成中间坯，再经过径锻加工成直径φ220mm的管坯，总变形量285％，固溶保温时间(min)：t

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。