[发明专利]耐氢脆的高机械特性成型钢丝

说明书

技术领域

本发明涉及专注于海洋石油开采的冶金领域。更特别地，本发明涉及可用作浸没于深水中的部件或构筑物的增强或结构元件如柔性海底管路的钢丝。

背景技术

已知的是，关于这种类型的丝的第一个要求除了高的机械特性（尤其是断裂强度）之外是在含硫的酸性介质中（尤其是在被运输的流体和烃中存在的H₂S的形式）的良好耐氢脆性。

要回顾的是，这种耐性是标准NACE和API涉及的对象，尤其是：

-标准NACE TM0284，用于在饱含酸性H₂S的海水中的耐氢致开裂（HIC）性；

-标准NACE TM0177，用于在酸性介质中的耐H₂S应力开裂性，或“SSCC”（硫化物应力腐蚀开裂）。在此所考虑的应用中的成型丝（fils de forme）如今必须不得不应对越来越困难的开采条件（大的深度）；

-以及标准API17J（非结合柔性管的规范），用于根据在酸性介质中的应力试验评价耐HIC和SSCC性。

这些成型丝可具有圆形的横截面，通过从具有更粗直径的线材（fil machine）的简单拉制而获得。它们也可在拉制、轧制或者拉制后接轧制之后具有扁平的截面，或者成型为U、Z、T型等，以便它们的边能够彼此咬合或者彼此钩住以形成铰接的增强垫（nappes d’armature）。

目前，在用于海底用途的NACE品质的钢丝领域中的商业供应主要处于低合金钢级别，其在淬火和回火之后最终提供大约900MPa的断裂强度（Rm）。

为了制造这些成型丝，已知通常使用具有初始珠光体-铁素体结构的具有0.15-0.80%C（重量）的碳锰钢。典型地，在将初始圆形轧制线材成型之后，对其施以合适的消除应力的热处理以获得所希望的硬度。通过此硬度水平可以符合标称应用标准，例如标准ISO15156，其规定如果丝硬度小于或等于22HRC，则这些级别的Mn钢具有在适用于这里所考虑的“成型丝”应用的H₂S介质中的抗应力性。

但是，通过传统方法获得的成型丝众所周知难以承受在深水中遇到的相对严苛的酸性条件（在这种情况下由标准NACE TM0177方案A（pH2.7-4）提供），这归因于在运输的烃中H₂S的大量存在，并且如果所述硬度水平大于28HRC（大于900MPa）的话则更加如此。

此外，为此毫无疑问的是1991年公布的文献PCT/FR91/00328描述了一种生产具有珠光体-铁素体结构的成型丝的热机械方法，其具有0.25-0.8%的碳并且满足标准NACE TM0177和TM0284方案B（pH值为4.8-5.4），但这是以用以消除由金属加工硬化（écrouissage）所带来的机械应力的最终回火为代价的，这将断裂机械强度（Rm）降低到大约850MPa。

1996年公布的文献FR-B-2731371也涉及到生产用于增强柔性海底管线的碳钢成型丝，从关于钢的微观结构对其耐氢脆性的影响的一般认识出发寻求其在具有H₂S的酸性介质中的强度（tenue）处于高的水平。在此文献中所提出的包含0.05-0.8%C和0.4-1.5%Mn的成型丝在成型（拉制或者拉制-轧制）之后经历淬火，然后是最终回火。所获得的金属结构基本上是回火的马氏体-贝氏体。因而获得即用型（àl’emploi）的成型丝，其具有高机械特性，即接近1050MPa的Rm（因而是在淬火-回火的钢中，以获得高达35HRC的硬度水平，但在实际中在工业上观察到为大约820MPa）并且因此可明显地超出标准ISO15156所推荐的水平，并且耐受非常酸性的介质（接近3的pH值）。要指出的是，如果没有最终回火，则可获得具有更大硬度的丝，具有甚至更高的机械特性，但由此具有明显要低的对酸性介质的化学耐受性。

实际上发现，通常对于这些丝的非常高水平的特性要求实际上只在有限数量的应用情况下应当要满足。

与NACE品质一致，符合上述API17J的强度（可达0.1巴的H₂S分压以及3.5-5的pH值）实际上足以涵盖有效的基本需求，而根据如上所述的文献的方法制造的成型丝具有所谓过高品质的强度，因为它们符合标准TM0177和TM0284的高要求，而这是利用具有大约3的pH值的方案A确定的。

此外证明，无最终热处理的珠光体-铁素体结构的市场上的常规成型丝往往不能满足甚至适中的NACE要求。