[发明专利]双相不锈钢

说明书

本发明的技术领域和现有技术

本发明涉及一种双相不锈钢合金(duplex stainless steel)，其具有高的Cr、Mo和N含量以及30-70％的铁素体含量。

双相不锈钢的特征在于具有奥氏体-铁素体结构，其中两相具有不同的化学组成。双相不锈钢作为结构材料受到人们的关注，其中既需要高的机械强度又需要优良的抗腐蚀性能。由于双相不锈钢中的镍含量较低，从而其成本也更低，因此常用来替代奥氏体不锈钢和镍基合金。

由于双相不锈钢对陆上/海上环境中遇到的各种腐蚀介质例如CO₂、H₂S和氯化物都有抗腐蚀性，因此双相不锈钢被广泛应用于油气工业的陆上或海上部门。脐带式管道，或“脐带管”，将陆地或海面上的设备与海底设备相互连接，以便在其间传输物质，例如将原油和天然气从来源输送到石油钻塔，所述脐带式管道通常由焊接在一起的双相不锈钢管制成。井下管是通常安装在钻孔内的槽管，而一体化生产管(IPU)是包含脐带管和井下管的复合管，它们通常也都是由双相钢制成。

井下管必须能抵抗其周围的海水的腐蚀和其所传输的物质的腐蚀。井下管的端部具有螺纹，并通过接合而连接成需要的长度。由于油气井位于海平面以下相当大深度的地方，所以井下管的长度可能相当大。对用于井下管的材料的要求可以汇总如下：

·张力屈服点最小为110ksi(每平方英寸的千(kilo)数)(760MPa)。

·抵抗CO₂或H₂S引起的腐蚀。

·低至-46℃时良好的冲击强度，至少为50J。

·该材料必须能被制成无缝管的形状，并且其形式为可以产生用于管的螺纹和装配接合。

US 6749697公开了一种具有奥氏体-铁素体结构的含有高含量的Cr、Mo和N的双相不锈钢合金。由于该合金在热挤压和退火的最后加工下，表现出高强度、多种酸和碱中的良好抗腐蚀性、氯化物环境中的特别好的抗点蚀性以及良好的可焊性，因此该合金满足了上述要求。合金的抗点蚀性通常被描述为抗点蚀当量数，PRE数＝％Cr+3.3％Mo+16％N。因此根据该性能对合金进行优化。这种合金的PRE数超过40。所述合金包含(按重量百分比)至多0.05％的C，0-2.0％的Si，0-3.0％的Mn，25-35％的Cr，4-10％的Ni，2-6％的Mo，0.3-0.6％的N，余量的Fe和通常存在的杂质，其中铁素体含量为30-70％。

WO 03/020994公开了一种合金，其特征在于包含0-3％的Mn、24-30％的Cr、4.9-10％的Ni、3-5的Mo、0-2％的Cu、0-3％的W，0.28-0.5％的N和0-3.5％的Co。该合金具有高的Cr、Mo和N含量，这提高了合金的抗点蚀性，但另一方面增加了使结构稳定性变差的风险。通过与Co进行合金化，认为该合金在结构上会更稳定，因此可以添加至少0.5％Co、优选至少1.5％和至多3.5％的Co以提高抗腐蚀性，并且还报道提高了合金的稳定性。由于该合金可包含W，所以对PRE数进行修正以便包括重量对应于Mo重量一半的元素W，即PREW＝％Cr+3.3％(％Mo+0.5％W)+16N。这种合金具有超过40的PRE/PREW数。

US 6312532公开了包含0.3-4％的Mn、27-35％的Cr、3-10％的Ni、0-3％的Mo、0.3-0.55％的N、0.5-3％的Cu和2-5％的W的双相不锈钢合金。由于与W合金化，该合金在氯化物环境中表现出相对高的抗腐蚀性。据称与Cu合金化并具有高含量的W或Mo可减少缓慢冷却时金属间相的析出。当制造大尺寸的不锈钢产品时，这种性质非常重要，制造大尺寸不锈钢产品时的冷却速度相对低，这通常增加了金属间相在约700-1000℃范围的温度下析出的风险。这种合金具有超过40的PREW数。该专利称，为了达到最佳效果，应添加至少2％的W且Mo+0.5W的组合不应超过3.52。当使用高含量的Mo和W时，Cu的含量应超过1.5％以使结构稳定性最大。如果使用了大量的Cu，则Mo的含量应该低，以确保对晶间腐蚀的良好防护。

双相不锈钢的缺点是，它们的高合金含量使它们对因长期暴露于高温导致的金属间相例如σ(sigma)相和χ(chi)相的形成敏感。σ相是一种硬、脆且极易被侵蚀的富含Cr和Mo的金属间化合物。χ相是一种具有硫化锰结构的金属间化合物。