[发明专利]含有钝化元素的耐腐蚀且抗开裂的高锰奥氏体钢

说明书

提供了改进的钢组合物及其制造方法。本公开内容提供了有利的耐腐蚀和/或抗开裂的钢。更特别地，本公开内容提供了具有增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性的高锰(Mn)钢组合物，以及用于制造具有增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性的高锰钢组合物的方法。还提供了用于制造具有增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性的高锰钢组合物的方法(例如通过钝化)。

技术领域

本公开内容涉及改进的钢组合物及其制备方法，更特别地涉及具有增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性的高锰(Mn)奥氏体钢组合物以及用于制造具有增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性的高锰钢组合物的方法(例如通过钝化)。本公开内容的另一个目的是提供由这种奥氏体高Mn钢制造的设备和组件，其可以具有高强度、改进的耐甜酸腐蚀性和抗环境诱导开裂(包括硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂)性的组合。

背景技术

碳钢被广泛用作石油、天然气和石油化学工业中的结构材料。这些工业中的上游部门是结构材料的主要使用者，其中碳钢的使用占所使用的所有结构材料吨数的约95％。一般来说，碳钢坚固，强韧，可焊接，商业上广泛可获得，并且是低成本的结构材料。但是，碳钢不具有固有的耐腐蚀性，并且高强度的碳钢也容易受到环境诱导开裂如硫化物应力开裂的影响。

在石油、天然气和石油化学工业的上游部门中使用的结构材料的其余5％吨数的大多数主要是用于苛刻和腐蚀环境中的耐腐蚀合金(“CRA”)，其中最广泛使用的是奥氏体不锈钢。通常，奥氏体不锈钢提供优异的耐腐蚀性、抗开裂性、抗氧化性以及良好的成形性和韧性的组合。这些不锈钢通常将其优异的耐腐蚀性归功于高铬(Cr)合金化，并且通常将其高延展性和韧性归功于通过高镍(Ni)合金化稳定的具有面心立方(FCC)原子晶体结构的奥氏体相。举例来说，常用的奥氏体不锈钢304SS具有约18重量％Cr和8重量％Ni的标称组成。奥氏体不锈钢的成本因此更昂贵，其成本通常是碳钢的五到六倍，这主要是由于其高Ni含量，Ni是一种昂贵的合金元素，有时会出现供应短缺。此外，所述奥氏体不锈钢与铁素体碳钢和铁素体不锈钢相比表现出相对低的强度，并且通常易受应力腐蚀开裂的影响。

受降低材料成本和/或将镍价格猛烈波动的影响最小化的利益驱动，对于较低成本和更具成本效益的不锈钢的关注不断增加。这导致开发了例如以201、202和216型为代表的200系列奥氏体Cr-Mn-Ni不锈钢，其中昂贵的Ni合金化减少并且部分地被锰(Mn)代替，Mn是一种成本较低的奥氏体稳定剂。一般来说，与304SS相比，这些200系列不锈钢提供优越的强度和类似的延展性。然而，当暴露于约600℃至约900℃范围的高温时，这些低Ni钢中的大部分显示屈服强度的强烈增加以及与碳化物、氮化物和/或碳氮化物的析出相关的严重的延展性损失。

用于井下应用的高合金耐腐蚀合金(CRA)管道和/或管材通常进行冷加工或锻造以获得容纳高压所需的较高的屈服强度和拉伸强度并且支撑来自所述管道/管材的重量的高张力载荷。为了获得足够高的强度以满足成品管道/管材所需的机械强度，所述管道/管材可以通过牵引进行冷变形，其中较大的中空制品被拉伸或牵引通过较小的模具，从而减小OD并同时在限动芯棒上减小ID，然后重复相同的工艺以获得所需的机械强度。可选地，所述管道/管材可以通过皮尔格式轧管(pilgering)而进行冷变形，其中中空的管道/管材在高压下通过一组模具进行机械锻造，从而大大减小OD并同时在芯棒上减小ID，以获得所需的机械强度。高Mn钢的选定化学成分在冷变形和/或高温变形期间可表现出动态应变时效(dynamic strain aging，DSA)。DSA可以用作增强强度和断裂韧性的有效方式，并且通过由于更均匀的位错分布和更有效的位错产生而导致的位错滑移，DSA比冷变形更有效。

因此，需要改进的钢组合物以实现增强的耐腐蚀性和/或抗开裂性，以及需要其制造方法。本公开内容的系统和方法解决和/或克服了这些和其它的低效性和改进机会。

发明内容

本公开内容提供了有利的钢组合物。更特别地，本公开内容提供了具有增强的耐腐蚀性/抗开裂性的改进的高锰(Mn)钢组合物，以及用于制造具有增强的耐腐蚀性/抗开裂性的钢组合物的相关方法。